Jak 2D polovodiče mění budoucnost výroby vodíku a solární energetiky?

Význam vodíkových palivových článků pro energetiku budoucnosti roste, zejména v souvislosti s rostoucími nároky na globální energii a nutností snižovat emise skleníkových plynů. Výroba vodíku prostřednictvím fotokatalytického rozkladu vody se jeví jako perspektivní alternativní metoda. Tento proces neprodukuje žádné škodlivé vedlejší produkty a je charakterizován nulovými emisemi. S požadavkem na rozvoj energeticky účinných a udržitelných systémů se vyvstává důležitost inovací v oblasti polovodičových materiálů, které by mohly zefektivnit tento proces.

Fotokatalytické štěpení vody zahrnuje dvě hlavní polovinu-reakce: fotoxidační reakci H2O a redukci H+, které se spojí do celkové reakce produkce vodíku. Efektivnost tohoto procesu je ovlivněna mnoha faktory, z nichž klíčové jsou energetické mezery mezi vodivými pásy (CB) a valenčními pásy (VB) materiálů. Pro optimální účinnost by tato mezera měla být větší než 1,23 eV, přičemž hodnoty potenciálů musí splňovat konkrétní podmínky, které jsou nezbytné pro zajištění dostatečné redoxní aktivity.

V poslední době se mezi perspektivní materiály pro fotokatalýzu vody objevují dvourozměrné (2D) polovodiče. Tyto materiály se vyznačují unikátními vlastnostmi, jako je vysoký povrch, efektivní absorpce světla, vynikající separace nábojů a schopnost podporovat aktivní katalytické reakce na jejich povrchu. Mezi těmito materiály se zejména zvýšený zájem soustředí na grafen, jehož elektronické, mechanické a optické vlastnosti způsobily skutečnou revoluci ve vědeckém výzkumu. Grafen totiž umožňuje optimální tok elektronů, což zlepšuje jejich účinnost při procesu fotokatalýzy.

TMD (transition metal dichalcogenides, přechodné kovové disulfidy) jsou dalšími klíčovými materiály, které se používají v této oblasti. TMDs, jakými jsou MoS2 nebo WS2, vykazují zajímavé fotokatalytické vlastnosti díky své schopnosti měnit svou bandgapovou strukturu v závislosti na počtu vrstev. Bulkový MoS2 má například nepřímou zakázanou mezeru, která se může přeměnit na přímou mezera, když je materiál oříznut na 2D vrstvy. Tento jev zvyšuje účinnost fotokatalýzy a činí tento materiál výjimečným pro aplikace v oblasti obnovitelné energetiky.

Dalšími slibnými materiály jsou například grafitový uhlíkový nitride (g-C3N4), který vykazuje vynikající vlastnosti jako fotokatalyzátor díky své struktura vrstev atomů uhlíku a dusíku. Tento materiál může být použít pro generování vodíku ze světla a vody. Rovněž, výhodou 2D materiálů je jejich schopnost vytvářet heterostruktury, které mohou výrazně zlepšit celkovou účinnost fotokatalytických procesů. Tato struktura vytváří optimální podmínky pro oddělení elektronů a děr na povrchu materiálu, což minimalizuje rekombinaci nábojů a zvyšuje šance na efektivní reakce při štěpení vody.

Je důležité si uvědomit, že i když materiály jako grafen nebo TMDs vykazují výjimečné výsledky v laboratorních podmínkách, stále existuje výzva ve zvyšování jejich účinnosti, stability a škálovatelnosti pro reálné aplikace. Vývoj takových materiálů, které by byly efektivní, cenově dostupné a zároveň ekologické, je nezbytný pro přechod na vodíkovou ekonomiku. Výzvou je také výroba těchto materiálů v dostatečných množstvích pro jejich široké využití v průmyslových aplikacích, což si vyžaduje další pokroky v oblasti materiálových věd a výrobních technologií.

Jaké jsou klíčové výzvy a pokroky v oblasti 2D polovodičových materiálů pro optoelektronické aplikace?

Vývoj 2D polovodičových materiálů vyvolal v posledních letech velký zájem díky svým jedinečným elektrickým a optickým vlastnostem, které je činí ideálními pro širokou škálu aplikací, zejména v oblasti optoelektroniky a fotoniky. Mezi hlavními materiály této třídy vynikají monovrstvy přechodových kovových dichalkogenidů (TMD), jako jsou MoSe2, WSe2 a WS2, jejichž vlastnosti jsou výrazně odlišné od jejich trojrozměrných protějšků. Tato odlišnost vychází z jejich dvourozměrné povahy, která znamená, že elektrony v těchto materiálech interagují jinak než v běžných třídimenzionálních materiálech.

Jednou z hlavních výzev při práci s těmito materiály je kontrola jejich energetického pásu a schopnost řídit jejich elektronické a optické vlastnosti. Mnoho výzkumníků se zaměřuje na inženýrství zakázaného pásu, což je klíčové pro optimalizaci jejich použití v zařízeních, jako jsou fotodetektory, solární články a laserové systémy. Tyto materiály umožňují vysokou účinnost při zachycení světla, což je základním předpokladem pro vývoj nových generací optoelektronických zařízení. Příkladem jsou heterostruktury sestávající z různých TMD, jako je MoSe2-WSe2, které vykazují vynikající vlastnosti při aplikacích, kde je kladen důraz na řízené optické přechody a excitony.

Jedním z klíčových aspektů vývoje těchto materiálů je i jejich syntéza. K tomu se používají různé metody, včetně chemické depozice z plynné fáze (CVD), která umožňuje pěstování homogenních monovrstvých a mnohovrstvých struktur. Významným směrem je i syntéza těchto materiálů na různých substrátech, což umožňuje jejich přizpůsobení pro specifické aplikace v optoelektronických zařízeních. Významné pokroky byly dosaženy i v oblasti chemické depozice při pokojových tlacích (AP-CVD), která se ukázala jako efektivní metoda pro pěstování vysoce kvalitních TMD vrstev na kovových substrátech, které mohou sloužit jako elektrody v různých aplikacích.

Zatímco se výzkum zaměřuje na zlepšení elektronických vlastností a výrobních metod, stále se objevují nové výzvy, které je nutné řešit. Patří mezi ně například stabilita materiálů v reálných podmínkách, kompatibilita s ostatními technologiemi a efektivita ve výrobních procesech, což jsou klíčové faktory pro komerční využití těchto materiálů. Pro průlomové aplikace v oblasti optoelektroniky bude také nezbytné vyřešit problémy spojené s hromadným výrobním procesem a náklady na výrobu.

Mezi materiály, které v posledních letech upoutaly pozornost, jsou také materiály na bázi černé fosforu, hexagonálního borového nitridu a MXene, které vykazují výborné vlastnosti pro aplikace v oblasti nanofotoniky a optoelektroniky. Tyto materiály se vyznačují vysokou citlivostí na vnější vlivy, což otevírá nové možnosti v oblasti senzorů a detektorů. Vývoj a charakterizace těchto materiálů je však stále na počátku, a tak je třeba provést další pokroky ve výrobních a syntetických metodách pro dosažení jejich plného potenciálu.

Je důležité si uvědomit, že vývoj 2D materiálů pro optoelektronické aplikace není pouze otázkou zlepšení fyzikálních vlastností samotného materiálu, ale i integrace těchto materiálů do složitějších systémů a zařízení, které musí splňovat konkrétní výkonnostní požadavky. Technologie 2D materiálů tedy otevírá nové možnosti pro vývoj pokročilých zařízení, která mohou zásadně změnit přístup k různým technologiím, ať už v oblasti energetiky, komunikací nebo zpracování informací.

Jaké jsou výzvy a pokroky v oblasti polovodičových materiálů pro moderní technologie?

Pokroky v oblasti polovodičových materiálů, zejména těch, které jsou založeny na 2D strukturních vlastnostech, otevřely nové horizonty pro vývoj vysoce efektivních fotovoltaických článků a elektronických zařízení. Tento pokrok je zásadní pro technologické inovace, které umožňují zlepšit výkon a efektivitu zařízení, jež tvoří páteř moderní elektroniky a energetických systémů. Zvláště zajímavým směrem je vývoj nových materiálů, jako jsou perovskity, MXeny, fosforeny a jiné dvouvrstvé polovodiče, které vykazují pozoruhodné vlastnosti v oblasti senzoriky, energetických článků a dalších aplikací.

Nanostruktury, jako jsou kovovo-organické rámce nebo nanokapsle, nabízejí nejen zlepšenou kapacitu pro ukládání energie, ale také vysokou citlivost při detekci různých fyzikálních a chemických změn. V roce 2022 byly představeny materiály na bázi MXenů, které díky své schopnosti bezdrátového nabíjení a vysoké citlivosti na elektrické pole ukázaly obrovský potenciál v oblasti senzoringu a energetických systémů. Tyto materiály vykazují vysokou energetickou hustotu a zároveň nabízejí výjimečnou účinnost v zachycování energie, což je klíčové pro vývoj autonomních a samo-napájecích zařízení.

Obzvlášť slibným směrem vývoje je použití 2D polovodičových materiálů v aplikacích jako jsou fotodetektory, fotovoltaické články a senzory. Například v roce 2023 se objevily nové generace perovskitových fotodetektorů, které umožňují efektivní rozdělení vlnových délek pro optické multiplexování, což má důsledky pro optickou komunikaci a zpracování signálů. Podobně se ukazuje, že perovskity mají velký potenciál pro použití v solárních článcích díky své vysoké účinnosti při přeměně světla na elektrickou energii.

Dalším významným směrem výzkumu je vývoj nanomateriálů pro biosenzory. Polovodičové materiály, jako je fosforen nebo jejich deriváty, se již používají v oblasti detekce biologických molekul, což má širokou aplikaci například v medicíně nebo environmentálním monitoringu. Kombinace těchto materiálů s umělou inteligencí umožňuje nejen detekci konkrétních látek, ale i analýzu komplexních biochemických procesů v reálném čase.

Výroba polovodičových čipů se dnes zaměřuje na miniaturizaci a zvyšování hustoty tranzistorů, což je klíčovým faktorem pro zajištění výkonnosti moderních zařízení. Tento trend začal s objevením tranzistoru v roce 1947 a pokračuje až do dnešního dne, kdy se na trh dostávají čipy s tranzistorovými velikostmi měřenými v nanometrech. Zatímco tradiční výrobní procesy využívají 300mm křemíkové wafry, nová generace výrobců, jako například Samsung, uvažuje o přechodu na 450mm wafry, které mohou snížit výrobní náklady o 30%.

V oblasti energetiky se stále častěji objevují nové možnosti využití polovodičových materiálů pro výrobu a skladování energie. Perovskity a MXeny, díky svým vlastnostem, nacházejí uplatnění nejen v solárních článcích, ale také v superkapacitorech a energetických systémech, kde mohou zlepšit účinnost skladování a přenosu energie. To je obzvlášť důležité v kontextu stále rostoucí poptávky po efektivních a udržitelných energetických řešeních.

Významné pokroky ve vývoji 2D polovodičů mají vliv na různé průmyslové sektory. Kromě již zmíněných aplikací v oblasti energetiky a senzoriky je třeba zmínit i aplikace v oblasti telekomunikací, kde nové materiály umožňují zlepšení optických komunikačních sítí a zpracování signálů. Právě díky těmto materiálům bude možné zvýšit přenosové kapacity a snížit energetické nároky na provoz telekomunikačních systémů.

Pokud se zaměříme na konkrétní technologické výzvy, které je třeba překonat, pak je to především optimalizace procesů výroby a integrace těchto nových materiálů do komerčně dostupných výrobků. Pokročilá nanotechnologie a schopnost manipulace na atomární úrovni budou klíčové pro dosažení vyšší efektivity a spolehlivosti nových zařízení, které využívají 2D polovodiče. Technologie výroby čipů se musí vyvíjet v souladu s tímto pokrokem a hledat způsoby, jak snížit výrobní náklady při zachování vysoké kvality a výkonu zařízení.

Významným směrem je i zajištění trvalé udržitelnosti těchto nových materiálů. Vzhledem k tomu, že některé materiály, jako například perovskity, mohou obsahovat těžké kovy, je kladeno důraz na vývoj nových, ekologičtějších alternativ, které budou mít menší negativní dopad na životní prostředí. Vývoj recyklačních metod pro polovodičové materiály je dalším krokem, který musí být součástí širšího přístupu k udržitelnosti v technologických infrastrukturách.

Jak 2D polovodičové materiály mění energetické aplikace: palivové články a solární články

Významným přínosem tohoto výzkumu je, že absence elektrolytu zabraňuje přenosu elektronů do interního obvodu, čímž se vyhýbá problémům s krátkými spoji. Díky tomu je palivový článek bez elektrolytu schopen dosáhnout lepších výkonů a současně zamezit problémům, které jsou typické pro komerčně používané elektrolyty. Navzdory těmto výhodám však existuje i výzva, kterou představuje nutnost provozu při teplotách nad 800 °C, což je pro většinu aplikací nepřijatelné.

Pro zlepšení této situace se vědci rozhodli vyvinout elektrolyt, který nabízí vysokou iontovou vodivost a dlouhou životnost při nižších provozních teplotách, přičemž teploty nad 600 °C se stávají dosažitelné. Významným krokem k dosažení těchto vlastností bylo použití perovskitových materiálů, konkrétně LaSrTCrCeO3, které byly syntetizovány metodou sol-gel. Tento materiál vykazuje vynikající výkon při teplotě 520 °C s hustotou výkonu až 1031 mW/cm² a dobrou iontovou vodivostí 0,16 S/cm. Dokonce při nižších teplotách, jako 370 a 330 °C, byl stále dosažený výkon až 340 mW/cm², což ukazuje na obrovský potenciál těchto materiálů pro vývoj palivových článků s nízkou teplotou provozu.

Další výzkum v oblasti pevně oxidačních palivových článků ukazuje, že přechod na keramické elektrolyty, které neobsahují kapalné elektrolyty, může znamenat revoluci v oblasti palivových článků. Výhody těchto technologií zahrnují nejen vyšší výkon, ale i zajištění bezpečnějšího a stabilnějšího provozu při nižších provozních teplotách.

V oblasti solárních článků, které přeměňují sluneční záření přímo na elektrickou energii, se v posledních desetiletích stále více zaměřují na vývoj nových materiálů, které mohou zvýšit účinnost přeměny energie. Solární články lze rozdělit na dvě hlavní kategorie: konvenční solární články a excitonové solární články (XSC), které využívají nově vyvinuté materiály s vylepšenými fotochemickými vlastnostmi. 2D materiály jsou v tomto ohledu obzvlášť zajímavé, protože mají jedinečné elektronické a optoelektronické vlastnosti, které z nich činí ideální kandidáty na materiály pro vysokou účinnost v těchto typech článků.

Výzkum v oblasti 2D materiálů pro solární články pokračuje s vytvářením heterostruktur, například monovrstvých materiálů Sb2TeSe2, které se osvědčily jako materiály s vysokou mobilitou nosičů náboje (až 300 cm²/Vs) a schopností absorbovat široké spektrum slunečního záření s mezní šířkou zakázaného pásma 1,1 eV. Tyto materiály se ukazují jako vynikající donory pro konstrukci heterojunkčních excitonových solárních článků s účinností přeměny energie až 22,5 %. Takovéto materiály tedy mají velký potenciál pro aplikace ve fotovoltaických technologiích.

Dalším zajímavým směrem jsou Janus struktury, jako MoSSe a grafen, které vykazují zajímavé polovodičové vlastnosti. Tato struktura má vysokou polovodičovou mezeru (0,98 eV), což ji činí ideální pro fotokatalytické aplikace a pro výrobu efektivních solárních článků. Vědecký výzkum se tedy stále více zaměřuje na vylepšení těchto materiálů, jejich kombinace s jinými strukturami a zkoumání jejich potenciálu v oblasti solární energie.