Mobil nebo fotoaparát s věčnou baterií, střecha auta jako zdroj energie pro palubní počítač a minitelevizor, pláštěnka vyrábějící elektřinu pro zahřátí. Takové „zázraky“ dokáže za pár let nabídnout nový typ slunečních článků.
Principy jejich fungování zkoumá tým profesora Ladislava Kavana z Ústavu fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského AV ČR. Nedávno převzal vedoucí skupiny za dosavadní výsledky Cenu Akademie věd. Spolulaureátem se stal také Martin Kalbáč ze stejnojmenného ústavu. Jeho tématem jsou nanotrubičky z uhlíku, které mohou významně zlepšit vlastnosti čipů pro elektroniku.
Nejenom do zubní pasty Naši planetu zahřívá Slunce miliardy let. Poskytuje čistou energii bez zplodin a dýmu nad krajinou. Podle odhadů odborníků dodá naše hvězda na jeden čtverečný metr příkon jednoho kilowattu. Tento údaj platí pro střední Evropu v optimálních podmínkách, tj. v červnovém poledni a při jasné obloze.
Dnes je technicky reálné vyrobit solární články, které přemění 10 procent sluneční energie v elektřinu. Z každého čtverečního metru bychom tak mohli získat proud pro stowattovou žárovku. Není to mnoho, ale k uspokojení potřeb veškerého lidstva by stačilo získávat sluneční energii jen asi ze tří procent plochy všech světových pouští.
Ale dopravit „slunce“ až do elektrických zásuvek je zatím problém. Hlavní překážkou je cena. Solární články se vyrábějí z křemíku, takže jedna kilowatthodina vychází asi na 50 eurocentů. Současné elektrárny produkují energii několikanásobně levněji.
Protože čistý křemík pro solární články je velmi drahý, vědci soustředili pozornost na daleko levnější oxid titaničitý (TiO2). V přírodě jde o velmi rozšířenou sloučeninu. Běžně se například používá jako přísada do zubních past. Ale tou nejpodstatnější výhodou je podle profesora Kavana fakt, že oxid titaničitý je polovodič s vhodnými elektronickými vlastnostmi.
Aby solární článek z TiO2 mohl konkurovat ostatním zdrojům energie, měla by se jeho cena pohybovat okolo eura za jeden watt špičkového výkonu. Článek o rozměru čtverečního metru by tak přišel na sto eur. Výrobní náklady křemíkového jsou asi třikrát vyšší.
Překonat slabiny Ovšem i solární článek s oxidem titaničitým má limity. Snaží se je překonat řada týmů v mnoha zemích. Skupina profesora Kavana patří ke světové špičce.
Jednou ze slabin je menší citlivost na světelné záření než u křemíku. Odborníci z Ústavu fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského proto začali plochu oxidu titaničitého zvětšovat, aby zachytili více slunečních paprsků. Oxid titaničitý dostal podobu nanokrystalů. V laboratořích je složitými postupy skládají do několika vrstev, a tak zvyšují množství zachyceného slunečního záření.
Citlivost TiO2 se zvyšuje především nanášením organokovového barviva, které obsahuje jeden ze vzácných kovů, ruthenium. Tohoto senzibilitátoru je ale na solárním článku tak mizivé množství, že cena ruthenia je zanedbatelná.
Větší překážkou je životnost článku, která je kratší než u křemíkového. Po dopadu ultrafialových paprsků, obsažených ve slunečním světle, totiž vzniká na vrstvě z TiO2 silně oxidační prostředí. Nepřežije v něm bakterie ani jiná organická látka. To je velmi výhodné pro čističku vody nebo vzduchu, ale u solárního článku se samočisticí efekt musí potlačit. Takže vedle vrstvení nanokrystalů řeší tým profesora Kavana i tento problém. „Ultrafialovou složku spektra lze například odstínit filtrem, ale ten by musel být tak dokonalý, aby nepropustil žádné UV ani během 10leté životnosti článku, “ říká vedoucí týmu. Řešením proto zřejmě bude aplikace nových materiálů dostatečně odolných proti fotodegradaci.
Pokud se podaří překonat uvedené slabiny, dočkáme se mnoha zajímavých aplikací solárního článku na bázi TiO2. „Jeho hlavní předností je možnost vytvářet z něho pružné pláty,“ říká profesor Kavan. Ohebný zdroj elektřiny by se uplatnil například v mobilech, fotoaparátech, ale také při výrobě stanů. Část střechy by sloužila jako zdroj energie třeba pro přenosný televizor. Zajímavá je rovněž představa pláštěnky generující elektřinu.
Zatažená obloha a déšť solárním článkům z oxidu titaničitého příliš nevadí. Podle pokusů jsou po úpravách tak citlivé na světlo, že dokážou vyrobit elektřinu nejen při deštivém počasí, ale také v lese nebo za soumraku. Články nové generace umístěné na střeše automobilu by dodávaly elektřinu i pro autorádio a další spotřebiče ve voze.
Komín v laboratoři Pevnější konstrukce letadel, aut a jednou snad i pořádně pevné a mnohakilometrové lano pro výtah do kosmu. Takové perspektivy mají před sebou tzv. uhlíkové nanotuby. Jsou asi stotisíckrát tenčí než vlas, ale mohou být dlouhé až několik milimetrů. Tyto miniaturní trubičky o různém průměru se v laboratořích vytvářejí z vrstviček uhlíku. „Mohou růst jako komín odspodu, nebo naopak odshora,“ říká další laureát Ceny Akademie věd Martin Kalbáč z Ústavu fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského AV ČR.
Nanotuby jsou zajímavé zejména proto, že podle způsobu „stočení“ se atomy v trubičkách různě poskládají, což má vliv na elektronické vlastnosti. Nanotuby mohou být vodivé jako kov nebo polovodivé jako křemík, takže jednou snad nahradí tento prvek v tranzistorech. To může výrazně ovlivnit výkon budoucích počítačů. Unikátní vlastnosti uhlíkových nanotub lze také využít pro novou generaci displejů s vyšší svítivostí a nižší spotřebou energie.
„Cílem našeho výzkumu je společně se zahraničními kolegy pochopit a vysvětlit vlastnosti nanotub,“ říká Martin Kalbáč.
***
Slunce v drátech Čeští vědci vyvíjejí solární článek, ve kterém místo drahého křemíku využívají levný oxid titaničitý. Články mohou najít uplatnění například v mobilech nebo fotoaparátech. Předností těchto solárních článků je pružnost. Proto je bude možné využít například i pro stanové dílce nebo pláštěnky. Zatažená obloha a déšť solárním článkům z oxidu titaničitého příliš nevadí. Po úpravách jsou tak citlivé na světlo, že dokážou vyrobit elektřinu i v lese nebo za soumraku, říká profesor Ladislav Kavan z Ústavu fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského AV ČR, který jako vedoucí týmu dostal nedávno Cenu Akademie věd.
Martin Kalbáč, spolulaureát Ceny AV z Ústavu fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského AV ČR zkoumá uhlíkové nanotuby, které jednou mohou nahradit křemík v tranzistorech. To může výrazně ovlivnit výkon budoucích počítačů.
Zatažená obloha, soumrak nebo déšť solárním článkům z oxidu titaničitého příliš nevadí
