V posledních několika desetiletích vzrostl zájem o baterie jakožto technologii pro ukládání energie. Baterie se staly nezbytnou součástí mnoha zařízení, jako jsou elektronické kamery, mobilní telefony, nářadí a notebooky. Růst poptávky po bateriích s vysokou energetickou hustotou a nízkými náklady přivedl vědce k intenzivnímu výzkumu nových řešení pro dobíjení baterií, včetně fotovoltaických dobíjecích systémů. Kombinace fotovoltaických článků s elektrochemickými zařízeními představuje jeden z nejatraktivnějších trendů pro dosažení vyšší účinnosti, menší objemové a hmotnostní hustoty ve srovnání s tradičními systémy, které používají oddělené články pro výrobu a ukládání energie. Integrace fotoaktivních materiálů přímo do zařízení pro ukládání energie přináší obrovské výhody, a to nejen z hlediska efektivity, ale i zjednodušení konstrukce a snížení ztrát energie.

V případě klasických fotovoltaických systémů je fotovoltaický článek používán jako solární sběrač energie, který následně předává energii externímu elektrochemickému zařízení, jako je dobíjecí baterie nebo superkondenzátor, který ukládá elektrickou energii v chemické formě. Tento externí propojený systém bývá však náchylný na zvýšený Ohmův odpor, což vede k vyšším energetickým ztrátám, zejména kvůli dlouhým propojením a slabé integraci mezi jednotlivými zařízeními. Proto se stále více rozšiřují integrované foto-rechargeovatelné energetické systémy, jako jsou foto-kondenzátory, foto-baterie (PBAT) a redoxové tokové baterie (RFB), které v sobě spojují fotovoltaickou generaci energie a elektrochemické ukládání energie.

V rámci těchto systémů je foto-baterie (PBAT) jedním z nejnovějších a nejslibnějších směrů. Integrované foto-rechargeovatelné baterie (PBAT) mohou mít konfiguraci se dvěma nebo třemi elektrodami. Tři elektrody obvykle zahrnují fotoelektrodu (PE), která je zodpovědná za přeměnu sluneční energie na elektrickou, protielektrodu (CE), která umožňuje přenos elektronů, a elektroda pro uchovávání energie (anoda), která uloží elektrony a umožní tak elektrochemickou reakci. Fotovoltaický materiál v PE absorbuje světlo, což vede k vytvoření elektron-dírových párů. Při dostatečném generovaném napětí pak elektrony cestují do anody, kde jsou buď uloženy, nebo využity k redukci dynamických sloučenin. Pokud je napětí nedostatečné, musí být aplikován vnější bias, který pomáhá snižovat přepětí a zajišťuje nabíjení systému pomocí externího zdroje.

V případě dvouelektrodových PBAT se fotovoltaická elektroda (fotoanoda) přímo podílí na konverzi sluneční energie, zatímco fotokathoda hraje roli v ukládání energie. Tato přímá konverze a ukládání sluneční energie v jednom systému přináší nejen zvýšenou účinnost, ale také kompaktnost celého zařízení, což je důležité pro přenositelnost a snížení hmotnosti. Hlavními parametry, které ovlivňují výkon PBAT, jsou vlastnosti použité fotoelektrody, zejména její schopnost efektivně absorbovat světlo, transportovat náboj a odolnost vůči fotochemickému a tepelnému stresu. Tyto vlastnosti mají zásadní vliv na celkovou účinnost a životnost zařízení.

Jedním z klíčových faktorů pro zajištění vysoké účinnosti je výběr materiálů pro fotoelektrodu. Ideální materiály pro tento účel by měly mít široký spektrální rozsah absorpce, optimální šířku zakázaného pásma (1-2 eV), stabilitu vůči fotochemickým, termickým a chemickým vlivům během nabíjení a vybíjení, a efektivní přenos náboje do elektrolytu. Pro dosažení vysoké účinnosti je rovněž nezbytné, aby materiál fotoelektrody umožnil rychlý transport nábojových nosičů skrze své energetické úrovně a strukturu, a to i za přítomnosti defektů a v případě vhodného dopování materiálu.

Příkladem, který ukazuje potenciál foto-rechargeovatelných baterií, je systém Li-O2, který využívá siloxenové nanosheety jako bifunkční fotoelektrodu. Tento systém vykazuje velmi nízké napětí při nabíjení (1.90 V) a vysoké napětí při vybíjení (3.51 V), což přispívá k dosažení vynikající efektivity cyklu a dlouhé životnosti zařízení. Podobně hybridní fotoelektrochemické systémy, jako je SiC/RGO v Li-CO2 bateriích, řeší problémy s polarizací a zlepšují celkovou energetickou účinnost baterie, což je klíčové pro prodloužení její životnosti a zajištění spolehlivého fungování v dlouhodobém horizontu.

Pro zajištění kvalitního vývoje a implementace těchto inovativních bateriových systémů je důležité nejenom sledovat pokroky ve vývoji nových materiálů pro fotoelektrodu, ale také zohlednit možnosti optimalizace celkového konstrukčního designu integrovaných systémů. Tato nová generace foto-baterií by mohla zásadně přispět k vývoji autonomních energetických systémů pro širokou škálu aplikací, od mobilních zařízení po domácnosti a průmyslové procesy. Důraz na vývoj materiálů s vylepšenými fotovoltaickými a elektrochemickými vlastnostmi zároveň znamená, že máme před sebou vzrušující budoucnost v oblasti obnovitelných zdrojů energie a skladování energie.

Jaké jsou různé metody exfoliace 2D polovodičových materiálů a jak ovlivňují jejich vlastnosti?

Exfoliace je klíčová technika při přípravě 2D polovodičových materiálů (2D SCM), která umožňuje oddělit vrstvy z hromadného materiálu a získat tenké, atomově ploché vrstvy. Tento proces je zásadní pro výrobu a studium 2D materiálů, protože umožňuje vědcům přístup k jejich unikátním vlastnostem na atomární úrovni. Exfoliace je tedy nezbytná pro vývoj materiálů, které mohou být využity v elektronických, fotonických nebo jiných technologiích. Existuje několik metod exfoliace, mezi něž patří mechanická exfoliace (ME), exfoliace v kapalné fázi (LPE), ultrazvuková exfoliace (UE), elektrochemická exfoliace, výměna iontů (IEE) a exfoliace s litiovými interkaláty (LIE). Každá z těchto metod má své výhody a omezení, které ovlivňují kvalitu a výnos materiálů.

Mechanická exfoliace (ME) je jednou z průlomových metod top-down přístupu, která se stala známou jako „metoda lepicí pásky“. Při této metodě je lepicí páska opakovaně přitahována a odstraňována z materiálu, jako je grafit, čímž se postupně snižuje tloušťka na monovrstvou nebo několika vrstvou strukturu. Tento postup byl klíčový při izolaci grafenu, prvního 2D materiálu, který vzbudil celosvětový zájem. V roce 2004 Andre Geim a Konstantin Novoselov použili tuto metodu k izolaci grafenu z grafitového krystalu. Slabé van der Waalsovy síly mezi vrstvami materiálů, jako je grafit, umožňují jejich oddělení aplikováním mechanické síly, čímž vznikají tenké vrstvy. ME je výhodná pro výrobu vysoce kvalitních, bezvadných vrstev, které zachovávají původní vlastnosti materiálů, což je činí vhodnými pro širokou škálu aplikací.

Exfoliace v kapalné fázi (LPE) je další metodou top-down přístupu, která se využívá k výrobě 2D materiálů dispergací hromadného materiálu v kapalném médiu a následným použitím různých sil k separaci vrstev. LPE byla úspěšně aplikována na různé vrstvené materiály, včetně přechodných metalických dichalkogenidů (TMD), černého fosforu a h-BN. Tato metoda je oblíbená díky své univerzálnosti, škálovatelnosti a schopnosti produkovat velké množství vysoce kvalitních 2D materiálů. Proces LPE zahrnuje několik kroků. Nejprve se vrstvený materiál, jako grafit nebo TMD, přidá do vhodného kapalného rozpouštědla. Dále se aplikují síly, jako je ultrazvuk, smykové míchání nebo vysokotlaká homogenizace, aby se vrstvy oddělily. Ultrazvuková exfoliace využívá vysokofrekvenční zvukové vlny, které vytvářejí kavitace a intenzivní smykové síly, což vede k exfoliaci vrstev. LPE má několik výhod, včetně rychlého produkování velkého množství 2D materiálů s minimálními defekty.

Ultrazvuková exfoliace (UE) využívá vysokofrekvenční zvukové vlny k rozštěpení hromadných materiálů na tenké, atomově ploché vrstvy. Tento proces je obzvláště účinný pro exfoliaci materiálů, které je těžké štěpit mechanicky nebo pomocí LPE. Během ultrazvukové exfoliace je hromadný materiál dispergován v rozpouštědle a poté je vystaven intenzivním ultrazvukovým vlnám. Tyto vlny indukují kavitace, což vede k implozivnímu kolapsu malých plynem naplněných bublin, čímž se generují intenzivní smykové síly, které způsobí rozštěpení materiálu na tenké vrstvy. UE je výhodná, protože je to rychlý a efektivní proces, který lze snadno kontrolovat úpravou parametrů, jako je ultrazvuková energie, frekvence a doba trvání. Další výhodou je, že proces probíhá při pokojové teplotě, což zabraňuje degradaci citlivých materiálů při vysokých teplotách.

Výměna iontů (IEE) je fascinující metodou, která využívá proces výměny iontů mezi vrstvenými materiály a protiionty. Při této metodě je vrstvený materiál, jako jsou jíly nebo vrstvené kovové oxidy, ponořen do roztoku obsahujícího vhodný protiiont. Tento protiiont má větší afinitu k vrstvenému materiálu než původní ionty mezi vrstvami. Výměnou iontů se zvyšuje mezivrstevná vzdálenost, což vytváří příznivé podmínky pro oddělení vrstev. IEE lze dosáhnout různými metodami, včetně přímé výměny iontů, interkalace a in-situ výměny iontů. Tato metoda umožňuje řízené oddělení vrstev a výrobu kvalitních nanosheetů s jedinečnými vlastnostmi pro různé aplikace. IEE je cenná pro dosažení vysoké kontroly nad tloušťkou a kvalitou exfoliovaných vrstev.

Každá z uvedených metod má své specifické výhody a limity, a výběr metody závisí na požadavcích dané aplikace. Při výrobě 2D materiálů je nezbytné pečlivě zvažovat, jaký typ exfoliace použít, protože to přímo ovlivňuje výsledné vlastnosti materiálu, jako je kvalita, tloušťka, struktura a stabilita nanostruktur. Pro dosažení požadovaných vlastností může být užitečné kombinovat různé techniky exfoliace, aby se dosáhlo optimálních výsledků pro konkrétní aplikace. Důležité je také vzít v úvahu faktory jako efektivita výroby, náklady a schopnost vyrábět materiály ve velkém měřítku.

Jak porozumět arabskému písmu: základy a principy
Jaké to je být dívkou na venkově v čase války?
Jak velké jazykové modely zlepšují strojový překlad?