Kvantové tečky: Technologie, která může trh s fotovoltaikou obrátit vzhůru nohama

Solární panely dokážou vyrábět čistou energii ze slunečního záření a jsou jednou z klíčových technologií, která nás má dostat na cestu udržitelnosti a uhlíkové neutrality. Jenže pořád tak trochu „kulhají“ – účinnost klasických solárních panelů se pohybuje jen kolem 20–22 %, a to je, obzvlášť v období s nízkou sluneční aktivitou, docela problém. Proto vědci neustále hledají způsoby, jak panely zdokonalit.

O aktuálně nejúčinnějších solárních panelech a dalších novinkách ve fotovoltaice jsme psali před časem. Nyní je tu technologie, která by mohla leccos změnit. Zatím je však ve fázi testování.

Kvantové tečky: neviditelný pomocník s velkým dopadem

Běžné solární panely dokážou využívat jen asi 40–45 % dopadající sluneční energie (od viditelného světla po blízké infračervené záření). Pomoci by jim mohla technologie kvantových teček (quantum dots, QD) – miniaturních polovodičových nanokrystalů, které dokáží efektivně absorbovat světlo v širokém rozsahu vlnových délek – od ultrafialového po infračervené záření.

To, jakou část světelného spektra dokáží kvantové tečky pohlcovat, záleží na jejich velikosti. Menší tečky zachycují kratší vlnové délky (modré a ultrafialové světlo), větší tečky zase delší vlnové délky (červené a infračervené světlo). Vhodně zvolenou velikostí teček se tak dá cílit na určitou část spektra, nebo je různé nakombinovat, aby dokázaly využít všechny vlnové délky.

Jak to všechno začalo

S technologií kvantových teček přišli už v 80. letech – nezávisle na sobě v Sovětském svazu a USA. Původně ji však vyvíjeli hlavně pro využití v optice, biologii a medicíně (např. označování buněk či proteinů, aby se daly sledovat uvnitř živých organismů, detekce toxinů a virů, fluorescenční mikroskop apod.).

Na přelomu tisíciletí se kvantové tečky začaly uplatňovat také například v LED technologii (televize s označením QLED) a poté právě i v solárních článcích. Ale do té doby jen v laboratořích.

Od roku 2020 vzniklo několik komerčních startupů, které začínají využívání kvantových teček ve fotovoltaice uvádět do praxe. Například americká společnost First Solar, která se specializuje na výrobu tenkovrstvých solárních panelů, na ně má v plánu začít přidávat vrstvu kvantových teček, a tím výrazně zvýšit jejich účinnost.

Jak funguje technologie kvantových teček v solárních panelech?

V současné době se pracuje především se dvěma způsoby využití kvantových teček ve fotovoltaice. Jednak ve formě nátěrů, které se nanesou jako tenký film na klasické panely (viz projekt společnosti First Solar). Je to pak v podstatě druh tandemové technologie, podobně jako kombinace křemíku a perovskitu, které společně také pokrývají větší část světelného spektra.

A jednak se dají kvantové tečky využít k výrobě solární energie také samostatně.

Samostatná QD technologie

I tady se kvantové tečky nanášejí ve formě speciálního nátěru, ale tentokrát ne na solární panely, nýbrž na jiný podklad – třeba sklo, ohebný plast či látku. Díky tomu by se daly vytvořit například ohebné nebo průhledné solární panely či solární textilie.

Aby technologie fungovala, musí vedle kvantových teček obsahovat také elektrody, které zajistí odvod vyrobené elektřiny (může jít např. o průhledné oxidy z india a cínu), a dále ochrannou vrstvu, jež chrání materiál před vlhkostí, UV zářením a mechanickým poškozením.

Tato varianta je technologicky náročnější a zatím se převážně testuje v laboratořích. Do praxe se nejspíš dostane daleko později než doplňkové nátěry na klasických panelech.

Výhody a nevýhody

Výhody

• Vyšší účinnost, protože tečky dokážou využívat větší část světelného spektra, aniž by bylo potřeba kombinovat více různých technologií.
• Dokážou vyrábět elektřinu ve zhoršených světelných podmínkách efektivněji než křemíkové panely.
• Velmi rozšíří možnosti, kde půjde solární energii vyrábět – už to nebudou muset být jen střechy a pevné podklady. Vlastně to půjde skoro kdekoli. Solární články budou třeba v průhledných oknech, na fasádě, ve formě plachet apod.
• Zatím to tak není, ale pokud se podaří rozvinout technologii samostatných QD panelů, mohla by být pak jejich výroba energeticky méně náročná, a tedy i levnější, než u křemíkových panelů.
• Tato technologie se rozvíjí primárně v USA, což by mohlo vytvořit pěknou protiváhu k masové asijské výrobě; snížit závislost na Číně a díky větší konkurenci produkt ještě více zlevnit.

Nevýhody a omezení

• Technologie je zatím ve fázi výzkumu a pilotních projektů. To, jestli naplní očekávání, se teprve ukáže.
• Výroba je zatím drahá, účinnost a životnost nejistá.
• Problematická je zatím také udržitelnost technologie – první generace kvantových teček obsahovala sloučeniny kadmia, které je toxické pro životní prostředí. Nyní už se vyvíjejí alternativy bez kadmia, ale pořád to není úplně ideální – zatím je to hledání kompromisu dostatečné účinnosti a zároveň co nejméně škodlivého složení.

Tečka za křemíkem? Zatím určitě ne

Pokud to půjde dobře, mohou kvantové tečky výrazně ovlivnit trh s fotovoltaikou. Celosvětově. Umožní její daleko širší využití a efektivnější výrobu. Zároveň zahýbají se současným rozložením sil výrobců – Čína by mohla přijít o svůj monopol. Anebo třeba vymyslet něco ještě lepšího, kdo ví. Zatím ale křemíkové panely zůstávají jistotou – léty prověřeným vrabcem v hrsti.

Potenciál technologie je obrovský a v nadcházející dekádě se ukáže, jestli ho dokáže využít, nebo jestli šlo jen o hezkou myšlenku, která však v praxi pohořela. Panely s kvantovými tečkami si ještě pár let určitě nekoupíte (a asi by to zatím ani nebyl dobrý nápad), ale vyplatí se sledovat, kam se bude vývoj dál ubírat.

Zdroje:
Firstsolar.com
NobelPrize.org
Sciencedirect.com
Solarnimagazin.cz
wsj.com