Brněnský vědec hodlá díky perovskitům zvýšit účinnost fotovoltaiky na dvojnásobek

• 15. 05. 2024
• Redakce

Nadějný výzkum

Na výzkum perovskitů ve fotovoltaice se zaměřuje  doktorand z Ústavu fyzikálního inženýrství na VUT Brno Pavel Klok.

„Soustředím se na nový způsob charakterizace materiálu, který by mohl pomoci v jeho optoelektronické aplikaci, zejména fotovoltaice, ale třeba také u LED diod, případně pro detekci ionizujícího záření,“ říká Klok.

Perovskit byl objeven na Urale v roce 1839 německým chemikem Gustavem Rosem, který sloučeninu titanátu vápenatého v krystalické formě našel, popsal a pojmenoval ji podle ruského mineraloga a diplomata Lva Alexejeviče Perovského. Uměle lze vytvořit celou řadu dalších sloučenin s podobnou krystalickou strukturou, které označujeme jako perovskity.

I když perovskity teď ve světě vědy a startupů „frčí“, stále o nich všechno nevíme. Také proto zatím ve fotovoltaice nenahradily běžně používaný křemík. Vyhlídky jsou ovšem slibné.

„Už dnes umíme laboratorně dosáhnout stejné účinnosti perovskitových materiálů, jakou má nejčistší křemík. Navíc jsou perovskity snadnější a energeticky méně náročně na výrobu. Výroba čistého křemíku probíhá při vysokých teplotách a tavení je opakované, takže i produkce „zeleného“ křemíkového polovodiče poměrně dost zatěžuje životní prostředí. Perovskit je – jednoduše řečeno – prostě roztok, který se připravuje při teplotách do 200 stupňů Celsia. Navíc je vysoce chemicky variabilní, snadno můžeme upravit jeho krystalickou mřížku a tím modifikovat optoelektronické vlastnosti,“ vysvětluje Klok.

Jako fyzikálního inženýra zajímají Pavla Kloka zejména fyzikální vlastnosti materiálu. Zjišťovat se je snaží metodou, která není příliš obvyklá a má i poměrně komplikovaný název: optická skenovací mikroskopie v blízkém poli.

„Perovskity lze samozřejmě studovat pod optickým nebo elektronovým mikroskopem, ale má to své limity. Elektronový mikroskop má sice lepší rozlišení, ale nezískali bychom optickou odezvu materiálu, což je ve fotovoltaice stěžejní. Navíc to může být poměrně destruktivní metoda. V optickém mikroskopu narážíme na takzvaný difrakční limit, který nám říká, nakolik jsme schopni od sebe rozlišit dva body. Pokud je například difrakční limit 400 nanometrů, pak dva body, které jsou od sebe stejně nebo méně vzdálené, už rozlišit neumíme. A tento limit klasickým přístupem prostě fyzikálně zbořit nejde. Ale jde obejít tím, když vzorek zkoumáme takzvaně v blízkém poli, což je přesně to, čím se zabývám,“ dodává Klok.

Pro zkoumání v blízkém poli využívá Pavel Klok aparaturu LiteScope brněnského startupu NenoVision, za kterým shodou okolností stojí také absolventi fyzikálního inženýrství z VUT.

„Představte si hrot, kterým se přiblížíme na materiál do vzdálenosti několika desítek nanometrů. Hrot je na vlákně, do něhož zavedu laser, na špičce hrotu je malý otvor o velikosti 50 až 100 nanometrů a tím se začne šířit světlo. Když takto na vzorek v blízkém poli posvítím, začne se tam dít vskutku zajímavá fyzika, která nám otevře zcela nový svět,“ popisuje metodu Klok.

Fyzikem náhodou

Zapálenost, s jakou Pavel Klok o výzkumu mluví, by slušela příběhu nadšeného kluka, který se v technice vrtal už od školky a přesně věděl, že jednoho dne zamíří do laboratoře. Skutečný Pavlův příběh by této představě snad nemohl být vzdálenější.

„Školou jsem celý život doslova proplouval. Jediné, co mě fakt bavilo, bylo plavání, plaval jsem závodně. Středoškolská fyzika mi – na rozdíl od jiných předmětů – nevadila a byla celkem zajímavá, ale nic víc,“ vzpomíná Klok.

Ani na konci střední školy – mimochodem sportovně zaměřené – nepřišlo zázračné zahoření láskou k technice. Maturitu z fyziky si vybral na poslední chvíli, na strojní fakultu šel bez velkého nadšení a na fyziku se dal tak trochu z hecu.

Co naopak zahořelo, byl vzorek během jednoho z testů, které dělal v laboratoři na dánské univerzitě, kam se během studia vydal na Erasmus a kde se poprvé dostal k perovskitům.

„Byla asi jedna hodina ráno, dělala jsem první měření a usnul jsem. Všechny vzorky mi shořely. Bylo těžké to vysvětlit firmě, která nám vzorek poskytla,“ popisuje Klok dnes už se smíchem.

Nadějná kombinace

Když už se ale Pavel Klok do něčeho pustí, nenechá to jen tak být. „První semestr na vysoké byl šílený, spoustu věcí jsem musel dohnat. Na Erasmu jsme hned dostali práci v laboratoři a museli si na všechno přijít, první měsíc byl chaos. Ale začalo mě to bavit. Pořád jsem říkal, že na doktorát určitě nepůjdu, protože ve škole nedokážu vydržet sedět. No a teď jsem tady,“ říká Klok jako čerstvý držitel Brno Ph.D..

Na výzkumu perovskitů spolupracuje i s předchozím držitelem Brno Ph.D. Talent Stevanem Gavranovićem z Fakulty chemické, který mu dodává perovskitové solární články. Vpřed pohání Pavla Kloka jak zvídavost, tak i chuť přispět novými poznatky k pochopení materiálu, který slibuje velký přínos v oblasti čisté energetiky.

„Obrovský potenciál by měly takzvané tandemové solární články, kde je perovskit v kombinaci s křemíkem. Křemíkové články totiž umí přeměnit na elektřinu pouze světlo o určitých vlnových délkách, zbytek světla přichází vniveč. Když křemík vhodně doplníme perovskity, můžeme se podle odhadů dostat až na účinnost kolem 45 %, což je dvojnásobek oproti současnosti. Před tím ale potřebujeme pochopit základní fyziku, která se nám v materiálu děje. No a na tom se snažím pracovat,“ uzavírá Klok.