Nanočástice ve fotovoltaice Filip Křížek Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská Katedra fyzikální elektroniky fil02@seznam.cz 17. května 2014 Filip Křížek (FJFI) 17. května 2014 1 / 14
Úvod FOTOVOLTAIKA potřebný obor s nastupujícím útlumem progrese značné množství nových přístupů možnost využití nanočástic k zefektivnění možných aplikací OBSAH PREZENTACE Výhledy fotovoltaiky Kvantové tečky Lokalizovalné plazmony Nanočásticová fotovoltaika Filip Křížek (FJFI) 17. května 2014 2 / 14
Výhledy fotovoltaiky největší objem produkce - monokrystalický křemík - levné, dobře zvládnuté technologie křemík - hojně se vyskytující materiál x poměrně silné vrstvy (stovky mikrometrů) teoretická hranice účinnosti bulkových článků - 33% tenkovrstvé články - pouze okolo 14% celkové produkce (CdTe, a-si) tenké vrstvy - možná úspora materiálu a zvýšení účinnosti nanočásticová fotovoltaika Filip Křížek (FJFI) 17. května 2014 3 / 14
Kvantové tečky polovodičové nanokrystaly vykazující kvantové vlastnosti excitony jsou prostorově omezeny ve 3 dimenzích (particle in the box) diskretizace energetických hladin fluorescence vlasnosti jsou dány tvarem a velikostí - možnost ladění vlastností aplikace: medicína, tranzistory, diodové lasery, solarní články... výroba: koloidní roztoky, samouspořádání (MBE, MOVPE Stranski-Krastanov), litografie, "přirozené" Filip Křížek (FJFI) 17. května 2014 4 / 14
Lokalizované plazmony kolektivní oscilace elektronového plynu vyvolány dopadem elektromagnetického pole na různé nanočástice (nejčastěji kovové) vlastnosti plazmonu - velký vliv geometrie částic a permitivity okolního prostředí schopnost velkého lokálního zesílení elektromagnetického pole Filip Křížek (FJFI) 17. května 2014 5 / 14
Důležité vlastnosti LP laditelná absorbce a rozptyl Filip Křížek (FJFI) 17. května 2014 6 / 14
Další potenciálně užitečné vlastnosti LP SP jsou bosony, mají spin 1, jsou elektricky neutrálními excitacemi a jsou jedním z nejharmoničtějších přírodních procesů SP podléhají spontánní emisi (oscilují ve velkém množství ve stejném módu) ve spojení s kvantovými tečkami - SPASER dle mého - potenciál ve fotovoltaice Filip Křížek (FJFI) 17. května 2014 7 / 14
Nanočásticová fotovoltaika dva přístupy - využití kvantových teček nebo plazmonických nanočástic možnost zvýšení účinnosti tenkých vrstev potenciální úspora vzácných materiálů objevuje se velké množství nových přístupů v obou oblastech možnost vzájemného propojení jejich efektů Filip Křížek (FJFI) 17. května 2014 8 / 14
Kvantové tečky ladění velikosti energetických hladin (absorbce) umožňuje nové možnosti sběru energie ze slunečního spektra umožňují injekci elektronů do materiálů s širším gapem - zvýšení konverze (CdSe - TiO 2-3%) využití pro multi-junction články - více vrstev - každá reaguje na jinou vlnovou délku nekonečno vrstev - teoretický limit - 87% (zatím lámou rekordy) MEG (multiple exciton generation) - laděním energetických hladin lze dosáhnout excitace více excitonových párů z jednoho vysokoenergetického fotonu i další pozitivní vlivy na vlastnosti článků - složité vnitřní procesy Filip Křížek (FJFI) 17. května 2014 9 / 14
Kvantové tečky možnost ovlivnění doby existence excitonu díky kvantovým efektům nanočástic (hot carrier cooling) zvýšení fotonapětí zužitkování páru před zchladnutím X zvýšení fotoproudu produkce dalšího (nebo více párů) před zchladnutím KT umožňují jak zvýšit dobu chladnutí nosičů tak potlačení negativních efektů (Augerova rekombinace) a využití zbytkové energie horkých nosičů Filip Křížek (FJFI) 17. května 2014 10 / 14
Plazmonické nanočástice výhodou je výroba ve formě koloidů nebo samouspořádáním nové možnosti sběru světla - prodloužení dráhy fotonu materiálem backreflektory - využívají rozptylu a odrazu lokalizátory - umožňují možnost lokalizace a zesílení pole do úzké oblasti vlnovody - sběr pole do evanescentní vlny povrchového plazmonového polaritonu Filip Křížek (FJFI) 17. května 2014 11 / 14
Zajímavé možnosti uspořádání Filip Křížek (FJFI) 17. května 2014 12 / 14
Reálná data Filip Křížek (FJFI) 17. května 2014 13 / 14
Závěr je třeba technologie rozvíjet a nenechat se zastrašit ani teoretickými limity potenciál fotovoltaiky se může zdát být v úpadku, ale budoucnost je otevřena (cesty do vesmíru) soudím, že v současnosti nejdou diskutované principy vhodné pro masovou průmyslovou výrobu Filip Křížek (FJFI) 17. května 2014 14 / 14