Brniansky vedec chce vďaka perovskitom zvýšiť účinnosť fotovoltiky na dvojnásobok

• 29. 08. 2024
• Redakcia

Zdroj: VUT Brno

Nádejný výskum

Na výskum perovskitov vo fotovoltike sa zameriava doktorand z Ústavu fyzikálneho inžinierstva na VUT Brno Pavel Klok.

„Sústredím sa na nový spôsob charakterizácie materiálu, ktorý by mohol pomôcť v jeho optoelektronickej aplikácii, najmä fotovoltike, ale napríklad aj pri LED diódach, prípadne na detekciu ionizujúceho žiarenia,“ hovorí Klok.

Perovskit objavil na Urale v roku 1839 nemecký chemik Gustav Rose, ktorý zlúčeninu titanátu vápenatého v kryštalickej forme opísal a pomenoval podľa ruského mineralóga a diplomata Leva Alexejeviča Perovského. Umelo je možné vytvoriť celý rad ďalších zlúčenín s podobnou kryštalickou štruktúrou, ktoré označujeme ako perovskity.

Aj keď perovskity teraz vo svete vedy a startupov „frčia“, stále o nich nevieme všetko. Aj preto zatiaľ vo fotovoltike nenahradili bežne používaný kremík. Vyhliadky sú však sľubné.

„Už dnes vieme laboratórne dosiahnuť rovnakú účinnosť perovskitových materiálov, akú má najčistejší kremík. Navyše sú perovskity jednoduchšie a energeticky menej náročné na výrobu. Výroba čistého kremíka prebieha pri vysokých teplotách a tavenie je opakované, takže aj produkcia ‚zeleného‘ kremíkového polovodiča pomerne dosť zaťažuje životné prostredie. Perovskit je, jednoducho povedané, roztok, ktorý sa pripravuje pri teplotách do 200 stupňov Celzia. Navyše je vysoko chemicky variabilný, ľahko môžeme upraviť jeho kryštalickú mriežku, a tým modifikovať optoelektronické vlastnosti,“ vysvetľuje Klok.

Ako fyzikálneho inžiniera zaujímajú Pavla Kloka najmä fyzikálne vlastnosti materiálu. Zisťovať sa ich snaží metódou, ktorá nie je príliš obvyklá a má aj pomerne komplikovaný názov: optická skenovacia mikroskopia v blízkom poli.

„Perovskity možno, samozrejme, študovať pod optickým alebo elektrónovým mikroskopom, ale má to svoje limity. Elektrónový mikroskop má síce lepšie rozlíšenie, ale nezískali by sme optickú reakciu materiálu, čo je vo fotovoltike kľúčové. Navyše to môže byť pomerne deštruktívna metóda. V optickom mikroskope narážame na takzvaný difrakčný limit, ktorý nám hovorí, nakoľko sme schopní od seba rozlíšiť dva body. Pokiaľ je napríklad difrakčný limit 400 nanometrov, potom dva body, ktoré sú od seba rovnako alebo menej vzdialené, už rozlíšiť nevieme. A tento limit klasickým prístupom jednoducho fyzikálne zbúrať nejde. Dá sa však obísť tým, keď vzorku skúmame takzvane v blízkom poli, čo je presne to, čím sa zaoberám,“ dodáva Klok.

Na skúmanie v blízkom poli využíva Pavel Klok aparatúru LiteScope brnianskeho startupu NenoVision, za ktorým stoja zhodou okolností aj absolventi fyzikálneho inžinierstva z VUT.

„Predstavte si hrot, ktorým sa priblížime na materiál do vzdialenosti niekoľkých desiatok nanometrov. Hrot je na vlákne, do ktorého zavediem laser, na špičke hrotu je malý otvor s veľkosťou 50 až 100 nanometrov a tým sa začne šíriť svetlo. Keď takto na vzorku v blízkom poli posvietim, začne sa tam diať vskutku zaujímavá fyzika, ktorá nám otvorí úplne nový svet,“ opisuje metódu Klok.

Fyzikom náhodou

Zapálenosť, s akou Pavel Klok hovorí o výskume, by pristala príbehu nadšeného chlapca, ktorý sa vŕtal v technike už od škôlky a presne vedel, že jedného dňa zamieri do laboratória. Skutočný Pavlov príbeh by tejto predstave asi nemohol byť vzdialenejší.

„Školou som celý život doslova preplával. Jediné, čo ma fakt bavilo, bolo plávanie – plával som pretekársky. Stredoškolská fyzika mi – na rozdiel od iných predmetov – neprekážala a bola celkom zaujímavá, ale nič viac,“ spomína Klok.

Ani na konci strednej školy – mimochodom, športovo zameranej – neprišlo zázračné zahorenie láskou k technike. Maturitu z fyziky si vybral na poslednú chvíľu, na strojnícku fakultu šiel bez veľkého nadšenia a na fyziku sa dal tak trochu z hecu.

Naopak, zahorela vzorka počas jedného z testov, ktoré robil v laboratóriu na dánskej univerzite, kam sa počas štúdia vydal na Erasmus a kde sa prvýkrát dostal k perovskitom.

„Bola asi jedna hodina ráno, robil som prvé meranie a zaspal som. Všetky vzorky mi zhoreli. Bolo ťažké vysvetliť to firme, ktorá nám vzorku poskytla,“ opisuje Klok dnes už so smiechom.

Nádejná kombinácia

Keď už sa ale Pavel Klok do niečoho pustí, nenechá to len tak byť. „Prvý semester na vysokej bol šialený, veľa vecí som musel dohnať. Na Erasme sme hneď dostali prácu v laboratóriu a museli na všetko prísť. Prvý mesiac bol chaos. No začalo ma to baviť. Stále som hovoril, že doktorát si určite nespravím, pretože v škole nedokážem vydržať sedieť. No a teraz som tu,“ hovorí Klok ako čerstvý držiteľ Brno Ph.D.

Na výskume perovskitov spolupracuje aj s predchádzajúcim držiteľom Brno Ph.D., talentom Stevanom Gavranovićom z Chemickej fakulty, ktorý mu dodáva perovskitové solárne články. Vpred poháňa Pavla Kloka tak zvedavosť, ako aj chuť prispieť novými poznatkami k pochopeniu materiálu, ktorý sľubuje veľký prínos v oblasti čistej energetiky.

„Obrovský potenciál by mali takzvané tandemové solárne články, kde by bol perovskit v kombinácii s kremíkom. Kremíkové články totiž vedia premeniť na elektrinu iba svetlo s určitými vlnovými dĺžkami, zvyšok svetla vychádza navnivoč. Keď kremík vhodne doplníme perovskitmi, môžeme sa podľa odhadov dostať až na účinnosť okolo 45 %, čo je dvojnásobok oproti súčasnosti. Predtým však potrebujeme pochopiť základnú fyziku, ktorá sa nám v materiáli deje. No a na tom sa snažím pracovať,“ uzatvára Klok.