Využití solárních článků z nanovláken v architektuře

Např. průměrná česká domácnost ročně spotřebuje 3000 kWh elektrické energie vyrobené převážně spalováním fosilních paliv. Při použití solárních panelů o výkonu 100 kWh/m² toto množství odpovídá ploše 30 m² (≈ průměrná plocha pokrytí střechy domu solárními panely).

Fotovoltaika jako taková zažívá zejména v posledních letech obrovský boom, co se týče množství instalovaného výkonu a oblíbenosti – solární panely může mít na svém domě, zahradě apod. každý. I přes výrazný nárůst celosvětové poptávky a výroby solárních panelů (naprostá většina jich je křemíkových) je fotovoltaika pořád nedostupná veliké většině veřejnosti kvůli své ceně. V současnosti je cena energie vyrobené z křemíkových panelů těsně nad 2 €/W pro velkoplošné solární elektrárny, a nebýt podpory ze strany vlád jednotlivých zemí (např. v ČR ve formě tzv. zelených bonusů), zájem o solární panely by nedosahoval současných rozměrů a nebyl by zajímavý ani pro finančně silné investorské skupiny. I přesto, že lze očekávat další pokles ceny díky vyšší účinnosti panelů, ať už dosažené vylepšením panelů, nebo novými technologiemi osvitu (využitím slunečních koncentrátorů apod.), nelze očekávat pokles na takovou cenovou hladinu, která by dovolila využití pro širokou veřejnost. Z těchto důvodů se nemálo organizací (výzkumných a vývojových institucí, univerzit) zabývá hledáním nových materiálů a technologií pro využití ve fotovoltaice. Proto již dnes existují technologie pro solární články, které mají obrovskou šanci křemíkové panely výrazně překonat v ceně (tzn. dostat se pod 1 €/W) a výrazně rozšířít možnosti využití solárních panelů oproti současnému stavu.

 

 

Jedna z nejslibnějších technologií pro solární články je založena na využití oxidu titaničitého (TiO₂). Tento typ článku pracuje na velmi zajímavém a populárním konceptu obarvení TiO₂ vhodným barvivem a principu podobném procesu fotosyntézy v přírodě. Barvivo funguje jako houba, která sluneční světlo nasává, a tím pádem zajišťuje mnohonásobné zvýšení účinnosti konverze sluneční energie na energii elektrickou. Klíčovým parametrem je velikost povrchu TiO₂, ovlivňující množství barviva napojeného na jeho povrch, a jeho architektura. Proto je zásadní využít TiO₂ ve formě nanomateriálu. Tento typ článku byl původně rozvinut ve Švýcarsku pro porézní vrsty z nanočástic TiO₂ (B. O‘Reagan, M. Graetzel, Nature 353 (1991) 737).

V současné době dokončuje firma Elmarco vývoj nového typu solárního článku, jehož základním stavebním kamenem jsou nanovlákna právě z TiO₂ (viz schéma na obr. 1), která jsou díky velkému měrnému povrchu a specifickým polovodičovým vlastnostem nesmírně atraktivním materiálem. Tato nanovlákna lze vyrobit pomocí technologie Nanospider™, která patří právě firmě Elmarco. Elmarco je již několik let lídrem ve výrobě strojů pro masovou produkci nanovlákenných materiálů unikátní technologií elektrospinningu, kterou se zabývají již řadu let vědci na Technické univerzitě v Liberci, s níž Elmarco úzce spolupracuje. Tato metoda má velmi široké využití pro výrobu nejen celé škály polymerních nanovláken, ale i nanovláken z anorganických materiálů.

Unikátní koncept spočívá v nahrazení nanočástic nanovlákny (pro ilustraci viz obr. 2) s cílem vylepšit účinnost konverze solární energie na energii elektrickou, přičemž hlavním důvodem tohoto zlepšení je lepší propustnost dopadajícího světla při zachování obrovského měrného povrchu materiálu a snížení ztrát při přenosu elektronů skrz unikátní strukturu nanovláken. Takový solární článek má sice o něco menší účinnost (kolem 10 %) než klasické křemíkové solární články při plném slunečním osvětlení (kolem 15 %), nicméně zásadní je to, že jeho masová výroba je o mnoho levnější, až o 60 %, protože odpadá energeticky velmi náročná výroba čistého křemíku (koncový uživatel při pořízení křemíkových solárních článků platí najednou obrovské množství elektřiny, která byla vynaložena na výrobu křemíkového článku). V praxi to sice znamená, že k vyrobení stejného množství elektrické energie je zapotřebí větší plocha (na 1 kW instalovaného výkonu to je cca 10 m² pro křemíkový panel a cca 14 m² na nový typ panelu), nicméně je to za nižší cenu.

Mezi další zcela nesporné výhody solárních panelů, využívajících této technologie, patří lepší účinnost při nižších intenzitách slunečního osvitu (tj. když je oblačno) a také při umělém osvětlení (vnitřní prostory budov) nebo při nepřímém osvětlení (tzv. difuzním světlem) oproti křemíkovým panelům, které fungují dobře hlavně při přímém slunečním osvitu. Dalším zásadním argumentem je to, že účinnost nanovlákenných článků je mnohem méně citlivá na úhel, pod kterým světelné paprsky na povrch článků dopadají. Zatímco u křemíkových panelů je ideální úhel 35 ° a orientace na jih, pro nové solární panely je vhodný úhel mnohem širší a poloha není z výše uvedených důvodů tolik závislá na orientaci vůči slunci.

Díky specifické nanostruktuře a interakci se světlem může být takový solární článek i průhledný nebo různě barevný, což otevírá řadu možností (např. pro průhledné střechy aut). Jako unikátní se dále jeví ohebnost článků, kterou umožňuje flexibilita materiálů, ze kterých se článek skládá (obr. 3). Toho lze využít pro instalaci na mobilní zařízení a jejich pohyblivé části. Nanovlákenné solární panely jsou jednak lehčí než klasické křemíkové panely, což vede ke zlevnění konstrukce uchycení (rámy, sledovače slunce apod.), a zároveň variabilnější, co se týče požadovaných rozměrů. Lze vyrobit i velice malé solární články, které je možné využít i pro hůře přístupná či rozměrově omezená místa.

Z těchto důvodů představuje nanovlákenný solární článek velice atraktivní element v architektuře, protože spojuje prvky funkčnosti a designu. A to nejen v klasickém pojetí pro pokrytí střech, kde solární panely slouží pouze k produkci energie, ale i na fasádách, kde kromě produkce energie článek přispívá ke zvýšení estetického charakteru stavby (možnost použití více barev i v jednotlivých segmentech modulu, např. pro firemní logo, mozaiku), ke snížení teplotních ztrát stěn budovy a ke snížení nákladů na povrchové úpravy fasád (malby, omítky apod.). V současnosti již existuje celá řada budov, které mají skleněné fasády. Pro tyto budovy existuje možnost instalace nanovlákenných solárních článků velice jednoduchým a finančně nenáročným způsobem – přímo nalepením s tím, že fásáda jako celek dokáže díky velikým plochám vyrobit značné množství energie, které lze využít přímo na místě pro různé potřeby.

Jako velmi slibné se jeví také využití na oknech budov, kde kromě produkce energie a přispění k estetickému charakteru zajistí solární panel regulaci světelných podmínek v místnostech (odpadá extrémní svit, odrazy světla), ochrání interiér nebo jeho části (je odfiltrováno UV záření, což je důležité např. pro muzea, kde musí být malby chráněny před UV světlem) a zajistí i regulaci teploty v místnostech (sluneční energie neohřívá interiéry). Zde už je ve formě prototypů využívána i technologie tzv. tenkovrstvých solárních článků, která spočívá ve využití velmi tenkých vrstev amorfního křemíku nebo dalších exotických materiálů, jako je CdTe. Tyto články jsou sice také průhledné, ale pouze v černém odstínu (tzn. nelze je obarvit) a nejsou tak účinné.

Je jasné, že fotovoltaika má velikou budoucnost a díky novým technologiím ji lze využít v aplikacích, které byly donedávna za hranicí technických možností klasických typů křemíkových solárních článků.