Před lety jí takzvaní solární baroni pokazili pověst. Vědci ale fotovoltaiku i nadále považují za nadějný alternativní způsob, jak vyrábět elektřinu. Máme však v tuzemsku vhodné podmínky pro výrobu solární energie? Může být fotovoltaika v Česku ekonomicky návratná? Podle vědců z Akademie věd ČR je její potenciál i v našich zeměpisných podmínkách dobrý a v době intenzivního hledání alternativních zdrojů energie hraje důležitou roli.

Bude-li ti v životě nejhůř, otoč se čelem ke slunci a všechny stíny padnou za tebe, říkal slavný „brouk“ John Lennon. Myslel to obrazně, spíše jako boj světla a tmy, dobré a špatné nálady. Fascinace sluncem – tou rozžhavenou koulí daleko v naší planetární soustavě – ale odedávna spojuje i dva tolik odlišné světy, jakými jsou umění a věda. Ostatně, stíny umí potrápit i badatele – například když hledají cesty, jak redukovat vše, co by mohlo bránit slunečním paprskům v dopadu na desku solárního článku. Jakékoli šroubky či výstupky musejí zkrátka pryč.

S důraznějším apelem na hledání alternativních zdrojů energie přichází stále více ke slovu právě fotovoltaika. Některé postupy jsou již zavedené, jiné se teprve rodí v laboratořích – ať už přímo v průmyslu či v základním výzkumu získávají čeští vědci výrazné zásluhy. Posouvání hranic v energetice se věnují badatelé z několika ústavů Akademie věd ČR, jejichž aktivity zastřešuje program Strategie AV21 – Účinná přeměna a skladování energie.

Slunce v čele pelotonu

Máme ale vůbec v tuzemsku vhodné podmínky pro výrobu solární energie? Přece jen je u nás podle statistik průměrně 1600 hodin slunečního svitu ročně, což vychází na necelé čtyři a půl hodiny denně.

„Ačkoli to zní neuvěřitelně, solární energie je dostatek. Mohlo by jí být tolik, že bychom ani nevěděli, co s ní. Daleko od pravdy není ani představa, že když svítí slunce, cena elektřiny bude mířit k nule! A to platí i pro Českou republiku, dokonce to začíná platit i za polárním kruhem, i za ním už fotovoltaika může být ekonomicky návratná. Kdyby to ale někdo řekl před pětadvaceti lety, kdy jsme v oboru začínali, znělo by nám to jako sci-fi,“ říká Antonín Fejfar, vedoucí oddělení tenkých vrstev a nanostruktur ve Fyzikálním ústavu AV ČR.

Solární energie vedle větrné, vodní, geotermální či z biomasy je důležitou složkou obnovitelných zdrojů. Z posledních dostupných dat Ministerstva průmyslu a obchodu – pro rok 2019 – vyplývá, že obnovitelné zdroje u nás v současné době celkově ve vyrobené elektřině zaujímají asi třináctiprocentní podíl. Majoritu si stále udržují fosilní paliva, hlavně hnědé uhlí, které se na výrobě energie podílí asi ze dvou pětin, jaderná energie přispívá třetinovým podílem. Spolu se závazkem, který si Česká republika dala s cílem snížit emise oxidu uhličitého – že do roku 2038 uzavře uhelné elektrárny –, tak bude muset dojít k zásadní revizi energetického mixu.

Cesty k udržitelnému přístupu k výrobě elektřiny a tepla se hledají již desítky let. V oblasti fotovoltaiky věda již našla pár slibných směrů, které dále rozvíjí. Že slova z úvodu nepopisují žádný fantaskní svět, dokládá třeba situace v sousedním Německu, kde se podíl elektřiny pocházející z obnovitelných zdrojů již blíží polovině celé produkce. Stát chce přitom být od roku 2022 nezávislý na jaderné energii a do roku 2037 zastavit spalování uhlí, k čemuž míří i celá Evropa. V současné výrobě elektřiny tam fotovoltaika zaujímá asi třináct procent – v porovnání s Českem o deset procentních bodů více.

„Pamatujete poučku, že sever se pozná podle lišejníků na stromech? To nefunguje vždy, ale v Německu se sever pozná snadno – podle střech rodinných domů, na jejich severní straně solární panely nejsou. Tím bychom se rozhodně měli inspirovat. Je to cesta k soběstačnosti domácností v oblasti výroby elektřiny,“ zmiňuje Martin Ledinský, který ve Fyzikálním ústavu AV ČR vede skupinu tenkých vrstev pro fotovoltaické aplikace.

Ne na polích, ale na střechách

Obrázek pomohou dokreslit následující čísla: Roční spotřeba elektřiny v českých domácnostech činí asi 1400 kilowatthodin na jednoho člověka, na což bychom v našich podmínkách potřebovali instalaci sluneční elektrárny s kapacitou zhruba 1700 wattů špičkového výkonu. „Na hlavu“ by tak připadalo asi deset metrů čtverečních obvyklých solárních panelů.

„Pro čtyřčlennou rodinu to je asi čtyřicet metrů čtverečních – a to většina střech rodinných domů má,“ říká Antonín Fejfar s tím, že řešení pro bytové domy by přirozeně muselo být jiné. Skutečná produkce ovšem za touto vizí pokulhává, v Česku zatím zůstává přibližně na desetinové hodnotě.

Jeden z problémů fotovoltaické energie je nutnost jejího skladování. Jak už bylo řečeno, potenciál vyrobit jí dostatek je i v našich zeměpisných podmínkách dobrý, ale právě kvůli nerovnoměrnému dávkování slunečního svitu je potřeba energii nějakým způsobem regulovat – při nadprodukci ukládat a z těchto rezerv pak brát, když slunce nesvítí. Dobrým příslibem jsou velké lithiové baterie – takové už ve světě fungují ve fotovoltaických či větrných elektrárnách, ostatně za jednou z nich stojí i vizionář Elon Musk.

Rekordman křemík

Vedle pátrání po způsobech, jak energii ukládat, vědci neustále zdokonalují samotné solární panely, aby byly schopné co nejúčinnější přeměny. Matadorem mezi materiály ve fotovoltaice je křemík. Jeho různé podoby – od monokrystalických přes multikrystalické po tenkovrstvé – se postupně testují už od sedmdesátých let. Startovaly zhruba na třináctiprocentní účinnosti a během čtyř dekád se dostaly na své současné maximum – hodnoty okolo 26 procent.

Obr. Křemíkové solární desky pomalu narážejí na své limity. Nemá už smysl snažit se o desetinová zlepšení účinnosti. Na řadě jsou kombinace křemíku s novými materiály

Fyzikální ústav AV ČR se podílel i na snaze o nejvyšší účinnost tenkovrstvého křemíku. „Tento směr ovšem skončil ve slepé uličce. Maximum se ustálilo na hodnotě něco málo přes čtrnáct procent, což nemůže konkurovat deskovým článkům, které běžně mají přes dvacet. Sice to je technologie, která dobře funguje, ale ekonomicky neobstojí,“ komentuje Antonín Fejfar výzkum svého kolegy Tomáše Matese a Martin Ledinský přidává vysvětlení: „Dnes jsme se totiž dostali do fáze, kdy sama fotovoltaická deska je levnější než všechny podpůrné systémy okolo jako upevňovací zařízení na střechu, invertory a podobně. S menší účinností logicky potřebujete větší plochu, a tím vzrůstají náklady.“

Daleko významnější úspěch s dosahem až do průmyslu si čeští fyzikové připsali spolu s evropským projektem NextBase, jehož se mezi roky 2017 a 2019 zúčastnilo čtrnáct výzkumných institucí i firem z osmi zemí a který Evropská komise zařadila mezi takzvané success stories – úspěšné projekty. Mezinárodní tým zdokonalil křemíkové články natolik, že se směle mohou měřit s těmi nejlepšími, většinou jihoasijské výroby, a to i z ekonomického hlediska. Z projektu dokonce vzešla nedávno obnovená výroba v německých továrnách, Evropa – v této oblasti dosud průmyslově minoritní – by tak mohla alespoň zčásti konkurovat Asii.

Český vklad do projektu NextBase byl významný. Pražští vědci dodali ucelenou metodiku kontrolní optické profilometrie, jež využívá prvků zmíněného tenovrstvého křemíku. „Zkoumali jsme ho dvacet let, a ani když se neosvědčil jako samostatný článek, jsme ho nezatratili. Ukázalo se, že kombinace křemíkových článků deskových s tenkými křemíkovými vrstvami je směr, který bude udávat trend,“ říká Martin Ledinský, autor patentem chráněné myšlenky. Jak ovšem upozorňuje Antonín Fejfar, vědci nesmějí usnout na vavřínech. Úspěch tehdy otevřel asi pětileté okno, kdy mají náskok nad konkurencí. „Musíme jít dál a hledat nová vylepšení. Vzhledem k brzkému vyčerpání potenciálu zlepšování křemíkových článků budou dalším krokem kombinace s jinými materiály.“ Slova hudebního génia Lennona tak v tomto kontextu získávají na významu i pro odbornou veřejnost – zvláště ta by se teď měla otáčet co možná nejvíce ke slunci čelem.

Jak přelstít fyzikální zákony?

Účinnost je ve fotovoltaice alfou a omegou. Již od šedesátých let minulého století je známo, že u jednoduchých článků existuje hranice, přes kterou se kvůli fyzikálním zákonitostem nelze dostat – tímto takzvaným Shockleyovým–Queisserovým limitem je 33 procent. Vše ostatní jsou nutné ztráty, víc se zkrátka ze světla dopadajícího na jednomateriálový panel „nevyždímá“. Svým způsobem lze ovšem přelstít fyzikální zákony tandemovou kombinací materiálů, z nichž každý lépe využívá jinou část spektra slunečního záření – v tomto tandemu účinnost roste až k závratným 47 procentům.

Text je převzatý z časopisu A / Věda a výzkum 3/2021, který vydává Akademie věd ČR