Nanostrukturní materiály pro konverzi energie

Odpovědný řešitel: prof. RNDr. Ladislav Kavan, CSc., DSc.
Pracoviště:
Ústav fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského AV ČR, v. v. i.
Fyzikální ústav AV ČR, v. v. i.
Ústav chemických procesů AV ČR, v. v. i.

Výzkumný okruh Nanostrukturní materiály pro konverzi a skladování energie představuje koordinovanou akci spočívající ve výběru, přípravě, charakterizaci, studiu vlastností a optimalizaci nanostrukturních materiálů z hlediska jejich použitelnosti pro konverzi solární energie, ukládání elektrické energie a využití ve vodíkových technologiích s cílem vyvinout spolehlivé a robustní systémy s aplikačním potenciálem. Hlavními výzkumnými tématy jsou:

Nanostrukturní materiály pro Li a Na baterie nové generace vykazující vyšší bezpečnost, kapacitu i rychlost nabíjení – Cílem je vytvoření bezpečné baterie o vysoké kapacitě i rychlosti nabíjení obsahující minimum organických komponent. Zaměřujeme se především na zvýšení bezpečnosti stávajících alkalických baterií náhradou organických součástí baterie anorganickými (náhrada grafitu ternárními oxidy na bázi TiO2, náhrada polymerního separátoru anorganickým, náhrada organického elektrolytu elektrolytem v pevné fázi). Usilujeme také o objasnění vlivu syntézních parametrů na elektrochemické vlastnosti anorganických nanostruktur a následnou cílenou přípravu materiálů katody a anody s vysokou nábojovou kapacitou a materiálu pevného elektrolytu na bázi LiTi2(PO4)3 a  Li7La3Zr2O12  s vysokou Li  iontovou vodivostí. Ve výzkumu spolupracujeme s českou společností HE3DA.

Přeměna sluneční energie na elektrickou s využitím alternativních technologií ke křemíkové fotovoltaice – Cílem je rozvoj dvou perspektivních technologií konverze solární energie na elektrickou – barvivem sensibilizovaných solárních článků a perovskitových solárních článků. Aktuálnost problematiky vyplývá z poptávky po nových obnovitelných zdrojích elektrické energie, která je součástí politiky nízkouhlíkového hospodářství, a tím i jedním z prioritních témat Evropské unie. Celosvětově rostoucí spotřeba energie, jež je konfrontována s omezenými zásobami fosilních paliv a dalšími problémy, např. i tzv. „německým odklonem od jádra“, logicky ukazuje na solární energii jako jednu z nadějných možností, jak tento rozpor řešit.

Přeměna sluneční energie na elektrickou prostřednictvím nových konceptů na bázi křemíkové fotovoltaiky – Cílem je nalézt a připravit alternativní koncepty fotovoltaických článků postavených na základech křemíkové technologie v kombinaci s novými, tenkovrstvými až dvourozměrnými materiály, které by byly v dlouhodobějším výhledu schopné konkurovat současným platformám. Dominantní technologie dnešního fotovoltaického průmyslu jsou články založené na křemíkových deskách, které dosahují téměř ideální účinnost. Současný světový rekord těchto článků dosáhl 26,7 %, tedy blízko fyzikální hranice využitelnost dané Shockley Quiesserovou mezí. Alternativní technologie založené např. na tenkých vrstvách této meze zdaleka nedosahují a otevírá se tak prostor pro hledání nových struktur. Příkladem překvapivého průlomu byl objev vysoké účinnost perovskitových článků (které již dosáhly přes 22 %, byť jejich praktické použití je zatím nemožné díky malé stabilitě). Zajímavou cestou rozvíjenou ve spolupráci Ústavu fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského AV ČR a Fyzikálního ústavu AV ČR je pokus řídit elektronické vlastnosti rozhraní polovodičových tenkých vrstev nebo nanostruktur pomocí 2D materiálů, které již byly úspěšně použity v deskových článcích. Vyhledávání nových alternativ je vlastně jedinou možností, jak se prosadit v konkurenci s velkými výzkumnými středisky a komerčními společnostmi. V rámci projektu bude probíhat (i) základní výzkum jevů na rozhraní polovodičových vrstev a 2D materiálů pro následnou optimalizaci připravených článků z hlediska ladění výstupní práce, záchytu světla a stability článku, a (ii) hledání a testování dosud nevyzkoušených kombinací materiálů, postupů jejich přípravy a také mechanismů konverze (např. formou tzv. energetického trychtýře u nízkorozměrných polovodičů). Z hlediska kombinací materiálů budou testovány jak jednoduché systémy s jedním přechodem Schottkyho či p-n charakteru, tak i články s více přechody. Modelové systémy budou zkoumány v rozlišení v nanoměřítku po prototypy o velikostech v řádu cm2. Výzkum probíhá ve spolupráci se společnostmi HVM Plasma s.r.o., Fill Factory s.r.o., Meyer Burger (Švýcarsko).

Nanočástice pro vodíkové technologie – Stejně jako dnes elektromobily nahrazují automobily na fosilní paliva, v budoucnu čeká stejný osud elektromobily, které budou nahrazeny automobily na vodíkový pohon. Jak vodíkové palivové články, tak elektrolyzéry pro rozklad vody na vodík a kyslík čeká v budoucnu široké využití ve vodíkovém hospodářství, v němž budou palivové články zdrojem energie pro automobily, ale i pro nemocnice nebo či naopak drobná elektronická zařízení. Palivové články a elektrolyzéry typu PEM (s polymerní elektrolytickou membránou) patří mezi nejperspektivnější. Důležitým faktorem ovlivňujícím jejich účinnost a cenu je katalytická vrstva. Ta je nejčastěji tvořena nanočásticemi platiny nebo jejích slitin nanesenými na polymerní membránu. Naše patentovaná technologie využívá vysokou teplotu jiskrového výboje k odpaření kovu. Kovové výpary jsou zchlazeny proudem plynu a kondenzují na částice nanometrové velikosti. Proud plynu vytvořené částice současně unáší na funkční vrstvu. V současnosti používané metody přípravy nanočástic vyžadují vakuum a zdlouhavou dávkovou chemickou přípravu mokrou cestou. Naproti tomu nová metoda vakuum nevyžaduje a velmi rychlým opakováním jiskrového výboje umožňuje docílit kontinuální produkci nanočástic, které lze navíc snadno vytvořit z více než jednoho kovu. Velmi malé rozměry částic umožňují snížit množství použitého drahého kovu při zachování potřebných vlastností, což snižuje náklady.


Aktuální aktivity: