Jak materiály pro dvojité konverze světla (DC) a jejich integrace zvyšují účinnost perovskitových solárních článků?

Perovskitové solární články (PSC) se v posledních letech etablovaly jako silní kandidáti pro komerční využití v oblasti obnovitelných zdrojů energie díky své vysoké účinnosti a nízkým výrobním nákladům. Jedním z hlavních směrů jejich vylepšení je využívání materiálů pro dvojitou konverzi světla (DC), které mají potenciál rozšířit spektrum a tím zvýšit jejich účinnost. Tento jev se ukázal jako klíčový pro zlepšení výkonu, zejména ve vztahu k rozšíření absorpčního spektra a potlačení ztrát spojených s recombinací nosičů.

Dalším důležitým příkladem je využití Manganese-dopovaných CsPbCl3 kvantových teček. Doping Mn2+ indikuje vznik meziprostorového kvantového stavu, což vede k výraznému zlepšení kvantového výtěžku (až 60 %). Tato vylepšení přispívají nejen k vyšší účinnosti konverze, ale i k stabilitě PSC. Kvantové tečky CsPbCl3:Mn2+ mají schopnost zlepšit účinnost a externí kvantovou účinnost (EQE) perovskitových článků a také vykazují lepší odolnost vůči UV záření. Tento přístup je nadějný nejen pro PSC, ale také pro organické a křemíkové solární články, kde bylo zaznamenáno zlepšení účinnosti o 3-4 %.

Kromě kvantových teček mohou být do perovskitových článků integrovány i materiály na bázi uhlíku, jako jsou grafenové kvantové tečky nebo uhlíkové nanotrubice. Tyto materiály vykazují vysokou elektrickou vodivost a stabilitu a jsou schopné účinně konvertovat UV světlo na světlo viditelné, čímž se zlepšuje jejich schopnost zachytávat světlo a prodlužuje se jejich životnost. Využití fluorescenčních uhlíkových teček ve vrstvách TiO2 vedlo k dosažení PCE 16.4 % a zachování 70 % původní účinnosti i po 12 hodinách vystavení přímému slunečnímu světlu. Tento výsledek potvrzuje, že DC materiály na bázi uhlíku jsou velmi efektivní při zlepšení fotostability a účinnosti PSC.

Důležitým faktorem pro úspěšné použití materiálů pro dvojitou konverzi je jejich vysoký kvantový výtěžek, který musí být kombinován s dobrou optickou stabilitou. Materiály, jako jsou perovskitové kvantové tečky, vykazují teoretický výtěžek fluorescencí téměř 100 %, ale jejich implementace může být ztížena kvůli agregaci částic a špatné stabilitě v atmosféře. Aby bylo možné tyto materiály komerčně využít, je nezbytné věnovat pozornost technologii balení a optimální tloušťce vrstev.

Z těchto důvodů se materiály pro dvojitou konverzi světla stávají klíčovým směrem pro výzkum a vývoj perovskitových solárních článků. Důkladné pochopení mechanismu těchto materiálů, jejich optických a elektrických vlastností a vlivu na celkovou stabilitu článků je nezbytné pro dosažení vyšších účinností a dlouhodobé spolehlivosti. V současnosti probíhá výzkum, který se zaměřuje nejen na zlepšení výkonu, ale i na optimalizaci ekologických a ekonomických aspektů těchto materiálů.

Jak hodnotit náklady na výrobu elektřiny z perovskitových solárních článků?

LCOE (Levelized Cost of Electricity), tedy zjednodušený ukazatel nákladů na výrobu elektřiny, je klíčovým parametrem pro hodnocení ekonomické efektivity elektráren. Tento parametr nejen že poskytuje odhad nákladů na výrobu elektřiny v dlouhodobém horizontu, ale také umožňuje porovnání různých zdrojů energie. Přístup k výpočtu LCOE se může lišit v závislosti na použitých modelech a metodologiích. Jedním z pokročilých způsobů, jak tento ukazatel vyčíslit, je metoda diskontovaného LCOE, kterou navrhl britský Úřad pro obchod, energetiku a průmysl (BEIS). Tento model bere v úvahu současnou hodnotu nákladů a energetické produkce a diskontuje je do budoucnosti, čímž předpovídá hodnoty v průběhu životnosti elektrárny. LCOE je tedy vyjádřen jako součet diskontovaných nákladů dělený součtem diskontované energetické produkce, přičemž výstup je v měnových jednotkách na megawatthodinu (MWh). Tato metoda je široce používaná pro stanovení nákladů na výrobu elektřiny v rámci různých technologií, včetně fotovoltaických systémů.

Při hodnocení nákladů je třeba brát v úvahu nejen kapitálové náklady, ale také provozní náklady, náklady na údržbu a cenu paliva. U fotovoltaických technologií se LCOE často vyjadřuje ve formě zjednodušeného modelu pro výpočet, kde se zohledňují roční investice, provozní náklady a také roční produkce energie. U perovskitových solárních článků může být LCOE ovlivněn faktory jako degradace výkonu systému v průběhu času, což se projevuje v modelu výpočtu LCOE, kde je přidán faktor degradace (d). Tento faktor ukazuje, jak se snižuje výkon systému s rostoucími roky jeho používání.

Podobně jako diskontovaný LCOE existuje i metoda annualizace nákladů, která umožňuje převést náklady na výrobu elektřiny na roční výdaje během životnosti systému. Tato metoda je výhodná pro porovnání dlouhodobých nákladů mezi různými technologiemi, ale fotovoltaické systémy, jako jsou ty založené na perovskitových materiálech, nemohou dosahovat konstantního výkonu po celou dobu své životnosti. Z tohoto důvodu je výhodnější používat diskontovanou metodu pro výpočet LCOE v těchto případech.

Kromě EPBT a CED je dalším významným faktorem v rámci LCA hodnocení emisí skleníkových plynů. U fotovoltaických modulů se CO2 emise obvykle vyjadřují jako množství oxidu uhličitého emitovaného na jednotku vyrobené elektřiny během celého životního cyklu systému. Tento faktor je důležitý nejen pro hodnocení environmentálních dopadů, ale také pro predikci potenciálních zlepšení, které by měly směřovat ke snížení spotřeby drahých kovů a energetických náročných procesů ve výrobě perovskitových článků.

V rámci celkového hodnocení fotovoltaických technologií je důležité zaměřit se na zlepšení poměru výkonu systému a prodloužení životnosti zařízení. To je klíčové pro snížení celkových nákladů a emisí CO2, což je nezbytné pro dosažení udržitelného a ekonomicky efektivního rozvoje perovskitových fotovoltaických technologií. Na základě životního cyklu analýzy lze předpokládat, že výzkum zaměřený na zlepšení výkonnosti perovskitových modulů a snížení jejich environmentálních dopadů bude v budoucnu hrát zásadní roli.

Ve světě obnovitelných zdrojů energie se i přesto, že perovskitové solární články stále zůstávají na počátku svého komerčního rozvoje, projevuje silný zájem o tuto technologii. Tento trend je podporován nejen pokročilým výzkumem a zlepšováním technologií, ale i vládními politikami zaměřenými na podporu udržitelného rozvoje obnovitelných zdrojů. Například v zemích jako Čína, Německo a Francie se očekává, že trh s fotovoltaickými technologiemi poroste. Vzhledem k tomu, že výroba perovskitových fotovoltaických článků je stále v počáteční fázi, je kladeno velké důraz na výstavbu výrobních kapacit. Tato investice do výstavby výrobních linek má pozitivní dopad na budoucí dostupnost a cenu této technologie.