Organická fotovoltaika

Sluneční články, jejichž výroba je tak snadná jako tisk novin, jsou tak ohebné, že je možné smotat je do role, a přitom levné. To je perspektiva, kterou nabízejí organické polovodiče. Na rozdíl od anorganických polovodičů, jejichž základem jsou atomy, jsou organické polovodiče tvořeny molekulami, a jejich vlastnosti se mohou proto snáze modifikovat. Mohou se připravovat i z roztoků a jejich výroba navíc nevyžaduje vysokou „polovodičovou“ čistotu. Cena energie, kterou produkují anorganické sluneční články v našich zeměpisných šířkách, je zatím asi třikrát vyšší než cena elektřiny z klasických elektráren. Využitím organických materiálů se náklady na výrobu slunečních článků sníží o řád, což umožní vyrábět elektřinu ve větším rozsahu šetrněji k životnímu prostředí. V poslední době se proto provádí intenzivní výzkum vodivých organických materiálů, což se projevilo také v roce 2000 udělením Nobelovy ceny třem badatelům v tomto oboru.¹⁾

Běžně dosahovaná účinnost organických slunečních článků činí jen asi 3 až 6 %, ale jejich výhodou je nízká cena a velká rychlost produkce například tiskem na ohebné fólie. Vývoji slunečních článků napomáhají diagnostické metody, které většinou vyžadují kontakty pro vedení proudu nebo snímání napětí. Organické materiály se však v některých případech dosti obtížně kontaktují. Proto jsme vyvinuli bezkontaktní metodu snímání napětí generovaného světlem, která měření urychluje a nekontaminuje povrch. Současně bylo nutno vytvořit model popisující procesy transportu fotogenerovaného náboje v organické látce. Pomocí počítačového modelu lze tak zjistit některé důležité parametry, které určují účinnost článků. Tato metoda je experimentálně nenáročná a ve světě dosud neužívaná.

Organické fotovoltaické články

Foton o dostatečné energii vytvoří po absorpci v organických polovodičích pár elektron–díra (obdobně jako v anorganických polovodičích – viz [1]). Od páru vzniklého v anorganických polovodičích se však odlišuje přetrvávající coulombovskou silou mezi elektronem a dírou. Následkem toho se místo volných nábojů generují vázané páry elektron- díra, tzv. excitony. Excitony jakožto neutrální částice elektrický proud nepřenášejí, a musí být proto disociovány. Disociace může vznikat v elektrickém poli přechodu mezi P a N polovodičem nebo u kontaktu s kovem. Pokud exciton nevznikne přímo v oblasti, kde je elektrické pole, dostává se k němudifuzí. Tento proces je však málo efektivní, protože excitony velmi rychle anihilují a jejich energie se předává okolí. Dokáží tak difundovat na vzdálenost jen od několika nanometrů až po desítky nanometrů. Proto první články sendvičového typu (viz obr. 1) vykazovaly velmi nízkou účinnost.

Další konstrukce slunečních článků zvětšuje plochu využitelné oblasti vytvářením heterogenních směsí materiálů P a N. „Promícháním“ N-typového a P-typového polovodiče se zvětší plocha přechodu, na které se mohou excitony rozdělovat, a současně se zkracuje vzdálenost od přechodu, kterou musí excitony urazit. [2]. Další výhodou je, že elektron uvolněný z rozděleného excitonu se transportuje N-materiálem (akceptorem) odděleně od díry, která je v P-materiálu (donoru), což znesnadňuje jeho zpětnou rekombinaci.

Pro směsnou strukturu se jako polovodiče typu P využívají jak malé molekuly (ftalocyaniny, pentacen, sexithiofen atd), tak i polymery (polyfenylen-vinyleny, polythiofeny a řada dalších). Výběr N-typů (akceptorů) je méně obsáhlý (např. deriváty perylenu, popřípadě PCBM, což je derivát fullerenu). Zavedení fullerenu – molekul uhlíku C₆₀ – do technologie organických slunečních článků vedlo k podstatnému zvýšení účinnosti. Polymer C₆₀ má tvar koule, je vysoce vodivý a chová se jako akceptor, který přijímá a velmi rychle transportuje elektrony z disociovaných excitonů k elektrodě. Jeho derivát označovaný PCBM je rozpustný, což umožňuje jeho aplikace v technologii. Málo však absorbuje fotony ve viditelné oblasti slunečního spektra (380 nm až 760 nm). V poslední době se nahrazuje anorganickými nanočásticemi například z polovodičů CdSe, CdS, ZnO. Další možnost zvyšování účinnosti představují tzv. tandemy. Jsou to struktury sestávající z několika článků většinou různého složení, řazených nad sebou.

Zvláštní skupinu představují fotochemické, tzv. Graetzelovy cely (obr. 2), které vlastně imitují fotosyntézu. Jejich základem je nanokrystalický oxid titaničitý TiO₂ nanesený na skle pokrytém vodivým průhledným oxidem označovaným jako ITO (indium-tin-oxide). Vrstva oxidu titaničitého má houbovitou strukturu, a tedy velký povrch, ale málo absorbuje světlo, a proto se pokrývá vhodným barvivem, které slouží jako absorbér. Elektrony uvolněné z barviva světlem jsou přes nanokrystaly TiO₂ transportovány na elektrodu ITO. Elektrony se do barviva zase doplňují z protější grafitové nebo platinové elektrody pomocí oxidačně redukčního roztoku iontů jódu. Cely, které mají účinnost větší než 10 %, používají jako barvivo sloučeniny ruthenia. Články fungují však i s přírodními barvivy, které získáme extrakcí z ostružin, malin, červeného květu ibišku, třešní a podobně. Jedná se snad o jediné sluneční články, které může pro demonstraci činnosti připravit i laik bez zvláštního vybavení. Například je dokáží vyrobit i studenti, kteří na naší katedře pracují v rámci projektu pro talentované středoškoláky (Talnet).

Význam a aplikace

Jak již bylo řečeno, účinnost organických slunečních článků je dosud nízká. Účinnosti přes 10 % dosahují běžně zatím jenom Graetzelovy cely. Pro ostatní se nejčastěji uvádějí hodnoty do 6 %. Letos však již dosáhla firma Heliatek z Drážďan rekordní účinnosti 10,7 % na tandemových celách z malých molekul na ploše 1,1 cm². Vzhledem k velké intenzitě výzkumu organických cel ve světě se dá očekávat, že účinnosti přes 10 % bude dosaženo v několika málo letech i na velkých plochách.

Právě rychlost výroby solárních panelů patří k přednostem organických materiálů. Jako perspektivní se jeví např. technika nanášení polovodičového materiálu ve formě inkoustu tiskem na polymerní fólii. Jednou z výhod je také to, že zcela odpadá práce ve vakuu. Takto vytvořený panel je ohebný, může být v různých barvách pro použití na střechách i na fasádách. V polopropustné verzi ho lze použít na skla v oknech nebo automobilech. Některé zahraniční firmy vyrábějí textilní fotovoltaická vlákna např. pro oděvy nebo batohy a tašky (obr. 3).

Mohou fotovoltaické elektrárny na našem území vyrobit dostatek energie pro celou republiku?

Pro odpověď na tuto otázku vyjdeme z hodnoty energie slunečního záření, které u nás dopadá na 1 m² za rok a které představuje přibližně 1 MWh. Při minimální účinnosti 10 % tak lze získat asi 100 kWh/m² za rok. Spotřeba elektřiny u nás nepřesahuje 100 TWh, což je množství, které lze získat z plochy 109 m² neboli 1000 km². Přitom plocha všech střech u nás je asi 2500 km², takže by nebylo ani nutno využívat nezastavěnou plochu. Nevýhodou ovšem je závislost energie dodávané těmito elektrárnami na velikosti slunečního zářivého toku, který se mění s ročním obdobím, při střídání dne a noci a s počasím. Vyvstává tedy potřeba akumulace energie, což je problém, který by se patrně mohl řešit generací vodíku rozkladem vody. Přehledný text o fotovoltaických článcích a jejich ekonomice nalezne čtenář například na stránkách [3].