Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA & Štefánikova hvězdárna v Praze Číslo 30 (vyšlo 3. srpna), ročník 5 (2007) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

30/2007

Organické polymery jako zdroj energie

Miroslav Havránek

V současné době, kdy neustále roste poptávka po elektrické energii, je potřeba zabývat se možnostmi jejího získávání. Zajímavým řešením je využití energie pocházející ze SlunceSlunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×10⁶ km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×10⁶ km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×10⁶ K a zářivým výkonem 3,846×10²⁶ W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium.. Naše mateřská hvězda produkuje každou sekundu 4×10²⁶ J energie, ze které se na povrch dostane za sekundu ZeměZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru. přibližně 1 kJ na čtvereční metr. Pro snazší představu tohoto energetického toku uveďme následující příklad. Pro uvaření šálku kávy je třeba přibližně energie 80 kJ. Kdybychom měli k dispozici zařízení, které veškerou energii slunečního zářeníSluneční záření – elektromagnetické záření širokého spektra, od dlouhovlnného rádiového záření až po rentgenové, které vyzařuje Slunce. U Země tok energie slunečního záření činí přibližně 1,4 kW/m². dopadající na 1 m² dokáže převést na elektrickou energii, pak bychom pomocí tohoto idealizovaného zařízení uvařili šálek kávy za 80 sekund. V současné době běžně využíváme energii ze Země, ať již k přímému ohřevu, nebo k získávání elektrické energie pro napájení nízkoodběrových elektrických zařízení. Energii získanou ze solárních článků využívá mnoho lidí na celém světe, aniž by si to přímo uvědomovali. Příkladem mohou být GPSGPS – globální polohovací systém, navigace pomocí družic umístěných na oběžné dráze Země. Oficiální název je NAVSTAR GPS (Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System). Systém je vyvíjen 30 let a v roce 2007 byla na oběžné dráze umístěna již čtvrtá generace polohovacích družic. družice, které takto získávají energii pro svůj provoz. Téměř všechna zařízení v kosmu jsou napájena ze solárních panelů. Mnoho dalších aplikací bychom našli i na Zemi. Pro konverzi slunečního záření na elektrickou energii se používají fotovoltaickéFotovoltaický jev – vznik elektrického napětí při dopadu světla na rozhraní dvou materiálů. Jevu lze využít ke konstrukci fotovoltaického článku. Fotovoltaický jev objevil v roce 1839 Alexandr Edmond Becquerel (1820–1891) spolu se svým otcem Antoine Césarem Becquerelem (1788–1878). články, většina z nich je v současnosti vyráběna z křemíku. Výroba je však relativně náročná a drahá. Dalším omezením v širším využití všech solárních článků je nízká účinnost přeměny slunečního záření na elektrickou energii. Ke snížení výrobních nákladů by mohla pomoci nová technologie tandemových článků, vyrobených z organických polymerů.

Křemíkové fotovoltaické články

Křemíkové články využívají ke konverzi světla na elektrickou energii řadu fyzikálních procesů odehrávajících se v okolí PN přechoduPN přechod – rozhraní v polovodiči, kde dochází ke změně typu majoritních nosičů náboje. fotodiody. Na rozhraní oblastí vodivosti typu N a P difundují jednotliví nositelé náboje (elektronyElektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10⁻³¹ kg a elektrický náboj 1,6×10⁻¹⁹ C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl P. Dirac v roce 1928 a objevil C. Anderson v roce 1932. a díry) na opačnou stranu přechodu a tam rekombinují. Na tomto rozhraní se tak vytvoří tenká oblast bez volných nositelů náboje (tzv. depletiční vrstvaDepletiční vrstva – oblast v okolí PN přechodu, ve které majoritní nositelé náboje difundují na druhou stanu PN přechodu, kde jsou minoritními nositeli náboje a rekombinují. Tímto procesem se v okolí přechodu vytvoří oblast, kde se nevyskytují volní nositelé náboje. neboli vyprázdněná oblast). Absorbuje-li se v depletiční vrstvě fotonFoton – polní částice elektromagnetické interakce, kvantum elektromagnetického záření. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = ħω, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění., vznikne volný pár elektron – díra. Tomuto jevu se říká vnitřní fotoelektrický jev. Takto vygenerovaný pár elektron-díra přispívá k proudu minoritních nositelů nábojeMinoritní nositelé náboje – náboje opačné polarity oproti majoritním nositelům v dané oblasti. Vznik minoritních nositelů v polovodiči je způsoben hlavně tepelným pohybem, dopadem fotonů nebo elektricky nabitých částic. přes PN přechod. Není-li k fotodiodě připojen vnější obvod, musí být tento proud kompenzován proudem majoritních nositelů nábojeMajoritní nositelé náboje – náboje, které vznikly v polovodiči vytvářením chemických vazeb prvků s různým mocenstvím. V polovodiči typu P jsou to díry (neobsazené místo po elektronu v chemické vazbě) a v polovodiči typu N elektrony (tyto elektrony se nemohou účastnit chemické vazby a jsou k atomům vázány velmi volně). Koncentrace majoritních nositelů náboje je v polovodiči obvykle o několik řádů vyšší, než koncentrace minoritních nositelů náboje., což se projeví vznikem elektrického napětí na kontaktech diody. Pokud k diodě připojíme rezistor, začne přes něj protékat fotoelektrický proud. Jako základ solárního panelu slouží tedy plošné fotodiody (PN přechody), které jsou technologicky uspořádány tak, aby na depletiční vrstvu mohlo dopadat světlo. Pro výrobu panelů se používá monokrystalický, polykrystalický a amorfníAmorfní látka – látka, u které chybí pravidelné uspořádání atomů, rentgenovou difrakcí u této látky získáme pouze difúzní obrazec, svědčící o nahodilém uspořádání bez pravidelné struktury. křemík. Typ krystalické struktury má značný vliv na šířku zakázaného pásuZakázaný pás – interval energie ve kterém se nemůže nacházet žádný ze stavů elektronů v krystalové mříži. Podle šířky zakázaného pásu rozdělujeme látky na vodiče (mají nulovou šířku zakázaného pásu), polovodiče (zakázaný pás nenulový avšak menší než 3 eV) a izolanty (zakázaný pás je větší než 3 eV)., která určuje účinnost článku. Největší účinnosti (okolo 15 %) dosahují články vyrobené z monokrystalického křemíku. Čtvereční metr takového solárního panelu by za ideálních podmínek (SlunceSlunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×10⁶ km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×10⁶ km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×10⁶ K a zářivým výkonem 3,846×10²⁶ W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium. v zenituZenit (nadhlavník) – bod svisle nad námi. , obloha bez mráčku) dokázal dodat energii na uvaření šálku kávy za necelých 10 minut. Výroba monokrystalických křemíkových článků je však výrobně dražší oproti amorfnímu a polykrystalickému křemíku. Další nevýhodou je nízká mechanická odolnost všech křemíkových článků.

Články z organických polymerů

Částečné odstranění některých problémů křemíkových článků nabídne v budoucnu využití organických polymerů, a to hlavně díky jejich nízké výrobní ceně a vyšší mechanické odolnosti. Důvodem jejich nevyužívání v masovém měřítku je zatím velmi nízká účinnost přeměny slunečního zářeníSluneční záření – elektromagnetické záření širokého spektra, od dlouhovlnného rádiového záření až po rentgenové, které vyzařuje Slunce. U Země tok energie slunečního záření činí přibližně 1,4 kW/m². na elektrickou energii. Nejvyšší účinnosti organických solárních článků se nedávno podařilo dosáhnout týmu vědců pod vedením profesora Alana Heegera z Kalifornské univerzity v Santa Barbaře, nositele Nobelovy ceny za chemii. Účinnost článků dosahovala 6,5 %. Využijeme-li opět analogii s vařením šálku kávy, vyjde potřebný čas přibližně na 20 minut. Nutno podotknout, že v roce 2005 byl rekord v účinnosti organických článků pouhá 3 %. Současný nejúčinnější solární článek, vyrobený z polovodivého polymeru a molekul fulerenuFulereny – sférické struktury tvořené atomy uhlíku, rozměr této obří molekuly je kolem 0,7 nm. Nejdůležitější z fulerenů jsou C₆₀, C₅₀ a C₇₀ obsahujících 60, 50 a 70 atomů uhlíku. Fulereny za normálních podmínek sublimují při teplotách nad 500 °C., je složen ze dvou subčlánků umístěných nad sebou v takzvaném tandemovém uspořádání.

Průřez tandemovou strukturou solárního článku z organických polymerů.
Zdroj: Science Magazine.

Schématické znázornění jednotlivých druhů molekul. Na schématech v pravé části
obrázku je dobře patrná molekula fulerenu. Zdroj: Science Magazine.

Oba články jsou odděleny vrstvou oxidu titanu, která plní několik úloh. Slouží jako mezivrstva pro navázání různých druhů materiálů obou článků, které mají odlišné chemické vlastnosti. Dále slouží jako transportní vrstva pro elektrony a brání průchodu děr. Vrstva oxidu titanu je opticky polopropustná, její optické parametry (zejména koeficient odrazu) byly voleny tak, aby se v jednotlivých článcích absorbovalo optimální množství fotonůFoton – polní částice elektromagnetické interakce, kvantum elektromagnetického záření. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = ħω, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění. určité vlnové délky. Každý z dvojice článků je tedy citlivý na jinou část spektra slunečního záření. Klíčové materiálové složky tvoří sloučeniny P3HT a PCPDTBT (jsou to zkratky komplikovaných názvů polymerů, jejich chemicky správný zápis je uveden v [1]). P3HT pokrývá podstatnou část viditelného spektra, zatímco PCPDTBT absorbuje nejvíce v blízké infračervené oblasti, další výrazný pík má tento materiál v blízké ultrafialové oblasti. Tyto materiály samy o sobě nedokáží přeměnit sluneční zářeníSluneční záření – elektromagnetické záření širokého spektra, od dlouhovlnného rádiového záření až po rentgenové, které vyzařuje Slunce. U Země tok energie slunečního záření činí přibližně 1,4 kW/m². na elektrickou energii. Ke konverzi energie dochází v okolí heteropřechodůHeteropřechod – rozhraní polovodivých materiálů s různými šířkami zakázaného pásu, přičemž je nutné, aby jednotlivé materiály na sebe plynule navazovaly na úrovni krystalové mříže. Heteropřechody se používají často v optoelektronických součástkách a vysokofrekvenčních tranzistorech. vytvořených sloučeninami PCPDTBT:PCBM pro blízkou infračervenou a ultrafialovou oblast vlnových délek. P3HT:PC70BM je aktivní ve viditelné oblasti spektra.

Většina současně vyráběných tandemových článků je řešena tak, že horní vrstvu tvoří materiál s větší šířkou zakázaného pásuZakázaný pás – interval energie ve kterém se nemůže nacházet žádný ze stavů elektronů v krystalové mříži. Podle šířky zakázaného pásu rozdělujeme látky na vodiče (mají nulovou šířku zakázaného pásu), polovodiče (zakázaný pás nenulový avšak menší než 3 eV) a izolanty (zakázaný pás je větší než 3 eV)., oproti té spodní. Tak se v horní vrstvě absorbují fotonyFoton – polní částice elektromagnetické interakce, kvantum elektromagnetického záření. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = ħω, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění. kratších vlnových délek a fotony delších vlnových délek projdou materiálem s velkou šířkou zakázaného pásu a absorbují se až ve spodní vrstvě. Tím se dosahuje nejen vyšší účinnosti, ale i podobné voltampérové charakteristiky pro oba články v tandemové struktuře. V případě článku vyvinutého na Kalifornské univerzitě bylo nutno použít inverzního uspořádání, to znamená, že článek s větší šířkou zakázaného pásu je umístěn na spodní straně. V opačném případě by vzhledem k velké tloušťce horní vrstvy došlo ke značnému útlumu záření a celý článek by tak měl nižší účinnost než v opačném uspořádání.

Články z organických polymerů mají úžasné mechanické vlastnosti, které je
předurčují k použití v mobilních zařízeních. Zdroj: Science Magazine.

Epilog

S postupným zdražováním energií a vývojem stále levnějších solárních panelů, se energie ze Slunce stane velmi perspektivním řešením zejména v oblastech s minimální oblačností. Pokud se vědcům povede ještě jednou zdvojnásobit účinnost, pak se organické polovodiče stanou výhodnějším materiálem pro stavbu solárních panelů než křemík. Zkuste si představit solární panely nejrůznějčích tvarů, které je možné složit do kompaktních rozměrů. Takovéto mobilní řešení by našlo okamžitě své využití všude tam, kde není k dispozici elektřina ze sítě. Ve vzdálenější budoucnosti by se mohly organické polymery stát součástí našeho oblečení, které by poskytovalo energii například pro mobilní telefon a mnoho jiných zařízení.

Animace týdne: Fotovoltaický článek

Fotovoltaický článek. V animaci je znázorněn princip klasického fotovoltaického článku. Po dopadu fotonu na  PN přechod v křemíkovém polovodiči se uvolní elektron, který se pohybuje směrem do N vrstvy. Vzniká elektrické napětí. Takovýto článek se sestavuje do větších buněk a ty do solárních panelů. Solární panely jsou zdrojem energie nejen u družic, ale i u mnoha běžných pozemských zařízení. Zdroj: US Department of Energy Photovoltaics Program. (avi, 13 MB)

Odkazy

Fórum – diskuze k tomuto bulletinu