Budoucnost: solární panely na kabátech i vzducholodích

V říjnu začal zkušební provoz největší sluneční elektrárny v Česku. Stala se ozdobou školní střechy v Hrádku nad Nisou. Svým výkonem přibližně dvakrát předstihla dosavadní tuzemskou jedničku, sluneční elektrárnu Vysoké školy báňské v Ostravě. Přesto pořád platí, že současné panely pro přeměnu světla na elektřinu (takzvané fotovoltaické články) jsou drahé a málo účinné. Skutečný přelom přinesou až typy založené na principech, které vědci teprve zkoumají.
"Technologie výroby solárních článků se za dlouhá desetiletí příliš nezměnila," říká Craig Grimes, z Pensylvánské státní univerzity. "Proto se na jeden čtvereční metr křemíkového panelu často spotřebuje víc energie než potom panel za dobu své životnosti vyrobí."
U článků, které jsou běžně na trhu, navíc dosahuje účinnost přeměny světla na elektřinu jen asi patnáct procent. Existují sice i panely s lepšími parametry (například využívající arsenid galia), jenže ty jsou velmi drahé. Vývoj se proto ubírá dvěma směry. Buď k panelům, které by byly při ještě přijatelné ceně mnohem výkonnější, nebo k takovým, které by sice nevynikaly účinností, zato by vyšly levněji. Své uživatele najdou oba typy.

"Zázraky" do tří let?
Jednou z cest, jak články zlevnit, je používat tenké vrstvy materiálů citlivých na světlo. To by mělo i další výhody, například nižší hmotnost solárních střech a jiných konstrukcí. A nejen to. Elektřinu by pak mohly vyrábět třeba kabáty, slunečníky, stany nebo lodní plachty. Takové technologie už existují, zatím ale materiály vykazují omezenou trvanlivost, přičemž účinnost, zřídkakdy přesáhne pět procent.
Vědci se však nevzdávají. Firma US Ovonic vyvíjí tenkou fólii ze speciálního plastu potaženého amorfním křemíkem. Lze ji zmačkat a zase narovnat, aniž by ztratila funkčnost. Aerokosmická společnost Lockheed Martin už s US Ovonic uzavřela kontrakt na další vývoj. Chce materiál používat jako zdroj elektřiny pro motory stratosférických vzducholodí určených pro hlídkování a telekomunikace.
"Rostoucí zájem o výškové vzducholodě bude impulsem pro rychlejší vývoj solárních článků a jejich široké využití," prorokuje Subhendu Guha, jeden z manažerů US Ovonic.
Podobným směrem se ubírá i tým z Univerzity v Torontu. Vyvinul technologii umožňující nastříkat solární články na jakýkoliv povrch včetně textilních vláken. Postupně chce dosáhnout až třicetiprocentní účinnosti. "Výrobní cena je zatím vysoká. Věřím ale, že budoucí vývoj to vyřeší," říká vedoucí výzkumu Ted Sargent.
Skupina Michaela Graetzela ze švýcarského Federálního institutu technologie v Lausanne zase vyvinula velmi tenkou polovodivou vrstvu nanokrystalů oxidu titaničitého, která má účinnost jedenáct procent. Půjde ji levně nanášet na okenní tabule, na obleky nebo na součásti vojenské výstroje. Autoři tvrdí, že k zahájení komerční výroby by mohlo dojít už do tří let.

Pepek námořník a kvantová jáma
Slavný Pepek námořník čerpal sílu ze špenátu - a stejný postup zvolili vědci z Massachusettského technologického institutu (MIT). Vyvinuli článek, který tuto rostlinu využívá k získávání solární energie.
"Bílkovinné komplexy z chloroplastů špenátu jsou vlastně miniaturní elektronické obvody. Podařilo se nám je propojit tak, aby přeměňovaly světlo na elektřinu," řekl Marc Baldo z MIT.
"Mohli jsme použít mnoho jiných rostlin," komentoval výběr Shuguang Zhang, vedoucí Centra biomedicínského inženýrství v MIT. "Špenát jsme vybrali prostě proto, že je levný."
V dalších laboratořích se vydali hledat nové principy článků do ještě větších hlubin mikrosvěta. Již zmíněný Craig Grimes z Pensylvánie vyvíjí metodu "pěstování" uhlíkových nanovláken s průměrem několika mikronů, které jsou obaleny vrstvou oxidu titanu nebo zinku. Něco podobného zkoušejí také výzkumníci University of Notre Dame v Indianě a na mnoha dalších místech. Uplatnění nanostruktur totiž skýtá možnost vytvořit články současně účinné a lehké. A pokud se podaří drahé sloučeniny nahradit organickými polymery a zavést sériovou výrobu, tak možná budou i překvapivě levné.
Teprve na samém počátku vývoje jsou postupy slibující výsledky, které dnes vypadají jako utopie. Například využití jevu zvaného kvantová jáma by teoreticky umožnilo dosáhnout efektivnosti až šedesát procent. Princip spočívá v tom, že - zjednodušeně řečeno - ve velmi tenké vrstvě materiálu uzavřené mezi dvě silnější vrstvy se uplatňují jevy kvantové mechaniky, díky nimž se elektrony dostávají na vyšší energetické hladiny. U solárního článku tvoří vnější vrstvy běžné polovodiče, zatímco tenká vrstva mezi nimi je speciálně upravená. Takový článek využije širší spektrum světelného záření a jeho účinnost tím podstatně vzroste.
Rozšířit využitelnou část spektra chtějí i vědci z Institutu Maxe Plancka pro výzkum polymerů v německém Mainzu a stuttgartských laboratoří Sony pro materiálový výzkum. Vyvinuli substance schopné převádět dosud nevyužitelné vlnové délky světla na takové, z nichž fotočlánky vyrábějí elektřinu s vysokou účinností.
Vývoj fotovoltaických článků tedy míří mnoha různými cestami, z nichž většina je na samém začátku. Zastánci alternativních zdrojů v souvislosti s tím tvrdí, že kdyby se do něj vložilo tolik prostředků, kolik pohltil jaderný výzkum, měli bychom levnou a čistou energii ze slunce už dávno. 

Začalo to Einsteinem
Málo se ví, že významnou postavou historie solárních článků byl Albert Einstein. Ten svou Nobelovu cenu kupodivu nedostal za převratnou teorii relativity, ale za teoretické objasnění fotovoltaického jevu. Komisi, která roku 1921 rozhodovala o udílení cen, se zdálo, že Einsteinova práce si cenu zaslouží. Jenže teorie relativity jí připadala až moc revoluční - proč tedy nedat medaili za něco méně kontroverzního? Vždyť vysvětlení toho, jak v některých látkách při osvětlení vzniká elektřina, by nejednomu fyzikovi vydalo na celoživotní dílo.
Pro velikána Einsteinova rozměru ovšem byla jeho práce o fotoelektrickém jevu z roku 1905 jen jakýsi melouch. Stejně jako jeho málo známé vynálezy a patenty na mrazicí zařízení, gyroskopický kompas, voltmetr a podobné přístroje. Bizarní je, že za teorii relativity Albert Einstein Nobelovu cenu nedostal ani později.
(jnk)

Alternativní zdroje energie pocházející ze Slunce
* fotovoltaické panely: přímé využití světla
* panely pro ohřev vody a topení: přímé využití světla
* větrné generátory: proudění vzduchu způsobené ohřevem zemského povrchu
* biopaliva: uskladnění sluneční energie do rostlinných těl


Pokusné solární zařízení Národních laboratoří Sandia v americkém Abuquerque.
Foto: Sandia National Labs./Randy Montoya


Pole fotovoltaických článků při pohledu zblízka.
Foto: Valiant Group


Experimentální automobil Nuna poháněný fotovoltaickými články vyhrál roku 2001 závod těchto vozů World Solar Chalenge v australském Darwinu.
Foto: ESA


Ohebný fotočlánek na podložce tenké jako papír, který vyvinuli němečtí vědci z Fraunhofer Institut Solare.
Foto: Fraunhofer ISE


Neobvyklá konstrukce využívající solární energii k čerpání vody pro závlahy: slunce ohřívá pracovní médium v tepelném motoru.
Foto: Sandia National Labs./Randy Montoya