Nejnavštěvovanější odborný web
pro stavebnictví a technická zařízení budov

Nový rekord perovskitových fotovoltaických článků

22.1.2015

Ing. Bronislav Bechník, Ph.D.

Podle jejich zastánců mají perovskity potenciál stát se materiálem pro výrobu levných fotovoltaických panelů vyráběných z dostupných surovin. Účinnost laboratorních článků již přesáhla 20 %.

Krystalické křemíkové články sice stále dominují světovému trhu fotovoltaiky, v laboratořích je však vyvíjena celá řada alternativních technologií, jejichž cílem je zlepšit poměr cena/výkon. Ideálem je fotovoltaický panel vyráběný jednoduchou technologií z obecně dostupných materiálů. Jedním z nejnovějších a nejrychleji se rozvíjejících materiálů jsou perovskity.

Chemické složení a krystalická struktura

Obrázek 1: Struktura krystalu perovskitu

Perovskit bylo původně označení pro minerál s chemickým složením CaTiO₃, který krystaluje v kosočtverečné krystalové soustavě. V jeho krystalické struktuře se pravidelně střídají atomy vápníku a titanu, mezi nimiž jsou rozmístěny atomy kyslíku, viz obrázek 1.

V současnosti se toto označení vztahuje na celou třídu materiálů s obdobnou krystalovou strukturou označovanou AMX3. Fotovoltaické perovskity jsou hybridní organicko-anorganické materiály, kde v poloze A je obvykle methylamoniový iont, olovo nebo cín jako kovový iont v poloze M a jako komponenta je halogenový iont.

Výhodou perovskitů je relativně snadná příprava z obecně dostupných surovin. Určitou komplikaci představuje skutečnost, že materiál obsahuje toxické olovo. Tento problém může být vyřešen náhradou jiným kovem. Další problém je, že perovskity jsou obecně rozpustné ve vodě (připravují se z roztoku), takže působením vzdušné vlhkosti mohou rychle degradovat. Materiál vystavený vzdušné vlhkosti během několika hodin přechází do nežádoucí neperovskitové krystalické struktury.

Perovskit tvoří ve fotovoltaickém článku pouze jednu vrstvu. Funkční článek obsahuje vrstvy dalších materiálů, které slouží k odvedení nosičů náboje do připojeného obvodu.

Vývoj účinnosti

Účinnost perovskitových fotovoltaických článků prudce narostla z 3,8 % u prvních článků, vyrobených teprve před pěti lety, až k nejnovějšímu rekordu, který v současnosti přesáhl hranici 20 %, viz obrázek 2.

Obrázek 2: Vývoj účinnosti tenkovrstvých fotovoltaických článků [2] (rekordní laboratorní články, nikoli sériová výroba)

Nejnovější rekord

Jihokorejští vědci odhalili chemické složení směsi, která jim pomohla zvýšit účinnost perovskitových solárních článků [1]. Sang Il Seok z Korejského výzkumného chemicko-technologického institutu (KRICT – Korea Research Institute of Chemical Technology) a jeho tým zkombinovali nejpoužívanější methylamonium-olovo-halogenidový perovskit s obdobným materiálem na bázi formamidinia, olova a jódu.

Tato kombinace materiálů zvýšila absorpci slunečního záření solárním článkem, který tak dosáhl rekordní účinnosti 17,9 %. Tuto hodnotu potvrdila v květnu loňského roku Národní laboratoří obnovitelných zdrojů v USA (NREL – National Renewable Energy Laboratory). Bylo tak dosaženo úrovně srovnatelné s komerčními křemíkovými články.

V listopadu 2014 však NREL potvrdila, že Seokův tým pokročil ještě dál a dosáhl nového rekordu účinnosti 20,1 %. I když chemici dosud nezveřejnili veškeré podrobnosti, Seok řekl časopisu Chemistry World že rekordní článek používá stejnou kombinaci materiálů, nový je však výrobní proces fotovoltaického článku.

Závěr

Je nutno upozornit, že rekordní článek je velmi malý a zvětšení na prakticky využitelnou velikost se může ukázat jako neřešitelný problém. Přes nesporné úspěchy v růstu účinnosti proto může být cesta k využitelným fotovoltaickým panelům ještě velmi dlouhá, pokud se vůbec podaří.