Mgr. Hynek Němec, Ph.D.

Laureát Ceny Neuron pro mladé vědce za rok 2015

Fyzik, který chce přispět k vývoji fotovoltaických článků z nanočástic

Sluneční paprsky napodobují laserem

Využít Slunce pro výrobu elektřiny už skoro umíme. Především díky fotovoltaickým článkům, které „vyrostly“ v Česku i jinde měrou nevídanou. Problémem je ale jejich vysoká cena: zejména nejmodernější sériově vyráběné typy, které přemění na elektrickou energii 15 až 20 procent slunečního svitu dopadajícího na povrch panelů, jsou stále velmi drahé. Určitou naději, jak zvýšit účinnost i u levnějších článků, nabízí základní výzkum fyzika Hynka Němce, který nyní převzal Cenu Neuron pro mladé vědce a spolu s ní prémii 250 tisíc korun.

Solární panely se zatím vyrábějí převážně z křemíku. Váš výzkum by mohl přispět k vývoji fotovoltaických článků z nanočástic. V čem vidíte jejich výhodu?
Především budou levnější. Vyrobit článek z křemíku je drahé. Musí se přetavit obrovské množství oxidu křemičitého, během tohoto procesu se tavenina složitě čistí a nakonec vznikne křehký materiál. Nanočástice lze předem připravit chemickými metodami. To je nesrovnatelně levnější postup. Při výrobě fotovoltaických článků se nanočástice mohou nanášet na ohebný podklad, takže mají větší flexibilitu. Velkou úsporu přináší rovněž možnost použít na solární panely jen tenké vrstvy z nanočástic a fakt, že u většiny nanočásticových materiálů nejsou kladeny výrazné požadavky na čistotu materiálu.

Co váš projekt sleduje?
Sluneční záření při dopadu na solární panel vygeneruje nosiče nábojů (elektrony a „díry“), ty se dostanou k elektrodám a vytvoří elektrický proud. U fotovoltaických článků z křemíku víme, jak se elektrický náboj pohybuje. Ovšem když je elektroda sestavena z nanočástic, je transport nábojů složitější a sestává z více kroků. Abychom tyto procesy lépe poznali, používáme terahertzový spektrometr. Slouží nám obrazně řečeno jako velice dobrý mikroskop, který dovoluje sledovat pohyb elektrického náboje na nejkratších vzdálenostech. Díky tomu lépe rozumíme pohybu náboje v jednotlivých nanočásticích i přenosu mezi nimi.

V jaké formě nanočástice sledujete?
Většinou v podobě tenkých vrstev. Podstatně jsme se věnovali aplikačně důležitým materiálům, oxidu titaničitému nebo oxidu zinečnatému. Postupně jsme se společně s Matematicko-fyzikální fakultou Univerzity Karlovy zaměřili rovněž na výzkum modelovějších materiálů. Sledovali jsme nanokrystaly sulfidu kadmia, které lze použít jako izolační vrstvu v některých solárních článcích.

Proč zkoumané folie osvětlujete laserem?
Napodobujeme tak sluneční záření dopadající na solární články a přitom sledujeme, jak paprsky působí na materiál. Dále máme možnost ovlivnit laserem koncentraci nosičů náboje a tím i rozdělení lokálních elektrických polí v materiálu. To nám umožňuje zjistit, jaká je jeho morfologie, jestli jsou nanočástice od sebe izolované, nebo velice dobře spojené, či zda musí náboje absolvovat nějakou složitější cestu.

Co limituje pohyb náboje?
Většinou fyzický a elektrický kontakt nanočástic. I když jsou k sobě přitisknuté, neznamená to nutně, že jsou v elektrickém kontaktu. Povrch nanočástic se výrazně odlišuje od jejich vnitřní struktury: na některých vzniká izolační vrstva, což také komplikuje transport náboje.

Jaký přínos mají poznatky z vašeho výzkumu?
Budou důležité hlavně pro další základní výzkum. Existují týmy, které se snaží vyvinout vysoce vodivý nanostrukturovaný materiál. My dokážeme do takových materiálů nahlédnout a zjistit, jestli jsou skutečně efektivní a případně zda je možné problémy s nízkou vodivostí překonat. Pokud by se v hodně vzdálené budoucnosti podařilo takový materiál vyvinout, mohla by terahertzová spektroskopie sloužit k rychlé charakterizaci a diagnostice při jeho výrobě.

Text: Josef Matyáš


Napsali o něm: