Solárne panely sú dnes dostupnejšie a výkonnejšie než kedysi, no stále nedokážu premeniť všetku zachytenú slnečnú energiu na elektrinu. Časť sa pritom stratí priamo vo vnútri materiálu, z ktorého sú vyrobené. Vedci sa to snažili vyriešiť dlhé roky, no zakaždým narazili na nepríjemný problém. Vlastnosť, ktorá pomáha pohltiť viac svetla, môže zároveň urýchľovať stratu získanej energie. Nový výskum však naznačuje, že tento kompromis už nemusí byť nevyhnutný.
Medzinárodný tím vedený fyzikmi z Oxfordskej univerzity preskúmal sulfid bizmutitý (Bi₂S₃), známy polovodič s neobvyklými vlastnosťami. Ako informovala univerzita, materiál dokáže silno pohlcovať svetlo a zároveň pomalšie strácať vytvorené elektrické náboje. Výsledky výskumníci zverejnili v prestížnom vedeckom časopise Nature.
Prečo solárne panely strácajú energiu?
Aby solárny článok vyrobil elektrinu, musí najskôr zachytiť slnečné svetlo. Jeho energia v polovodiči uvoľní elektróny a vytvorí takzvané diery, ktoré sa správajú ako kladné elektrické náboje. Ak sa tieto náboje podarí oddeliť a odviesť, vzniká využiteľný elektrický prúd. Problém nastáva vtedy, keď sa elektrón s dierou opäť spoja skôr, než ich článok stihne zachytiť. Tento jav sa nazýva rekombinácia a patrí medzi dôvody, prečo výkon panelov zaostáva za množstvom dopadajúceho slnečného žiarenia. Polovodiče, ktoré pohlcujú svetlo veľmi účinne, pritom často strácajú vytvorené náboje rýchlejšie.
Tomuto pravidlu sa vymyká práve sulfid bizmutitý. Vedci totiž zistili, že jeho vnútorná štruktúra ponúka elektrickým nábojom akési dočasné útočisko. Materiál zachytáva svetlo cez jednu energetickú cestu, no náboje môžu následne prejsť do blízkeho stavu, z ktorého sa omnoho ťažšie opäť spoja. Zjednodušene povedané, materiál dokáže svetelnú energiu rýchlo zachytiť, ale vytvorené náboje udržať dlhšie oddelené. Namiesto toho, aby sa okamžite stratili, získajú viac času na to, aby ich budúci solárny článok odviedol do elektrického obvodu.
Výskumníci na overenie použili tenké vrstvy materiálu, ktoré osvetľovali mimoriadne krátkymi laserovými impulzmi. Špeciálnymi meraniami následne sledovali, ako rýchlo vytvorené náboje miznú. Pokusy robili pri izbovej teplote aj v extrémnom chlade a výsledky nakoniec porovnali s počítačovými výpočtami. Najzaujímavejšie číslo priniesol práve model podložený týmito meraniami. Pri izbovej teplote môže neobvyklé usporiadanie energetických stavov oproti bežnému polovodiču s porovnateľne silným pohlcovaním svetla znižovať rýchlosť vzájomného zániku elektrónov a dier približne o 75 percent.
Znamená to o 75 % viac elektriny?
Nie. Výsledok sa týka jedného konkrétneho procesu vo vnútri materiálu, nie celkovej účinnosti hotového solárneho panela. V reálnych článkoch vznikajú aj ďalšie straty, napríklad v dôsledku porúch materiálu alebo pri odvádzaní elektrického prúdu. Tie bude potrebné riešiť samostatne. Vedci zatiaľ neskonštruovali solárny panel, ktorý by novú vlastnosť využíval v praxi. Skúmali laboratórne vzorky a mechanizmus, ktorý by v budúcnosti mohol pomôcť vyvinúť lepšie články. Zatiaľ preto nepoznáme ani ich možnú výslednú účinnosť, cenu či životnosť.
Význam objavu spočíva aj v tom, že vedci už vedia, aké usporiadanie energetických hladín majú hľadať v ďalších materiáloch. Podobné vlastnosti by mohli nájsť v existujúcich databázach alebo ich cielene vytvoriť úpravou štruktúry niektorých polovodičov.
