Významnou výzvou při vývoji nových anodek pro lithiové baterie (LIB) je zajištění dostatečné kapacity a stability materiálů během nabíjení a vybíjení. Jedním z nástrojů, který umožňuje zlepšit naše pochopení a předvídat výkon těchto materiálů, je metoda výpočtů na základě teorie funkcionálu hustoty (DFT). Tato metoda pomáhá nejen při navrhování nových materiálů, ale také při optimalizaci jejich vlastností, jako jsou elektrochemická stabilita, kapacita a vodivost.

Teoretické výpočty umožňují zjednodušit hodnocení materiálů na úrovni atomární struktury a elektrochemických procesů, což je obzvlášť cenné u nových 2D materiálů. Mezi klíčové faktory, které ovlivňují výkon materiálu, patří jeho teoretická kapacita, která závisí na počtu elektronů účastnících se redoxních reakcí, a to v kombinaci s molární hmotností materiálu. Čím nižší je molární hmotnost a čím více elektronů může daný materiál uvolnit, tím teoreticky vyšší kapacitu bude mít.

Příkladem komerčně využívaného anodu je grafit, jehož teoretická kapacita je přibližně 372 mAh/g. Tento materiál je široce používaný, ale jeho aplikace je omezená rostoucími nároky na velkorozměrové aplikace. Proto je vědecká komunita stále více zaměřena na hledání nových materiálů s vyšší teoretickou kapacitou. 2D materiály, jako jsou grafen, borofosfen nebo o-Al2N2 monolayer, se ukazují jako slibné kandidáty na nové anody pro LIB, přičemž jejich kapacita a stabilita jsou výrazně lepší než u grafitu.

Například o-Al2N2, který je založen na kombinaci hliníku a dusíku, vykazuje teoretickou kapacitu až 1144,2913 mAh/g, což je několikanásobně více než u grafitu. Výhodou tohoto materiálu je nejen jeho vysoká kapacita, ale také stabilita během lithiačního procesu. Jeho objemová změna během cyklování je minimální, což naznačuje výborný výkon při dlouhodobém použití. Navíc, díky své nízké energii bariéry pro pohyb Li-iontů (0,26 eV), tento materiál umožňuje snadnou mobilitu iontů, což je klíčové pro efektivní nabíjení a vybíjení baterie.

Dalším faktorem, který je důležitý pro výběr vhodného materiálu pro anodu, je jeho elektrická vodivost. U o-Al2N2, který je původně polovodičem, dochází po interkalaci Li-iontů k přechodu na kovový stav, což zlepšuje jeho elektrickou vodivost a činí ho vhodnějším pro použití v bateriích.

Přestože teoretické modelování a výpočty pomocí DFT poskytují cenné informace o potenciálu nových materiálů, praktické ověření těchto výsledků stále zůstává klíčovým krokem. Experimentální studie budou nezbytné k tomu, aby se ověřily teoretické předpoklady a určit, jak tyto materiály mohou být vyrobeny a implementovány do komerčně dostupných baterií.

Pokud jde o praktické aplikace, je nezbytné nejen vyvinout materiály s vysokou kapacitou, ale také zohlednit faktory jako dlouhodobá stabilita, výkon při rychlém nabíjení a vybíjení, a především náklady na výrobu. Růst poptávky po bateriích s vysokou kapacitou a nízkým ekologickým dopadem bude i nadále motivovat výzkum a vývoj v této oblasti.

Jak vylepšit účinnost solárních článků pomocí kvantových studní a nanomateriálů

Vývoj solárních článků se od svého vzniku neustále posouvá směrem k vyšší účinnosti a lepší optimalizaci využití slunečního spektra. Mezi nejnovější a slibné přístupy patří použití kvantových studní (QWs) a nanomateriálů, které mohou zásadně změnit dynamiku absorpce světla a efektivitu konverze energie. Významným směrem je využití heterostruktur InGaN/GaN pro zlepšení účinnosti solárních článků a optimalizaci absorpčních vlastností materiálů.

Nedávné výzkumy ukázaly, že díky použití sloučeniny InGaN s proměnlivým obsahem india lze dosáhnout pokročilých materiálových vlastností, které jsou schopny pokrýt celé spektrum slunečního záření. Tyto materiály vykazují přímou pásovou mezeru, což je ideální pro solární aplikace, kde je kladeno důraz na absorpci fotonů v různých vlnových délkách. Různé varianty InGaN materiálů umožňují pokrytí celého viditelného spektra a vysoce efektivní přeměnu sluneční energie na elektrickou.

Mezi významné pokroky v této oblasti patří schopnost pěstovat kvalitní heterostruktury InGaN/GaN s vysokým obsahem india (až 50%) pomocí metody MOCVD. Tento pokrok otevírá nové možnosti pro výrobu solárních článků s vyšší účinností a širším rozsahem absorpce světla. Tyto technologie přinášejí nejen teoretické výhody, ale i praktické aplikace, které se začínají prosazovat na trhu.

Využití kvantových studní (QWs) v solárních článcích

Kvantové studny jsou nanostruktury, které mohou výrazně ovlivnit energetické charakteristiky materiálů. Jedná se o velmi tenké vrstvy, ve kterých jsou elektrony nebo díry "uvězněny" v jednom směru, zatímco v jiných směrech se mohou pohybovat svobodně. Tento kvantový efekt má přímý vliv na hustotu stavů materiálu a umožňuje přesnou kontrolu nad energetickými úrovněmi.

V solárních článcích, kde je potřeba efektivně absorbovat fotony v různých vlnových délkách, mohou kvantové studny pomoci prodloužit absorpční hranu materiálu, což znamená, že materiál může absorbovat fotony, které by jinak prošly skrz něj bez interakce. To umožňuje zlepšit generování elektrického proudu a zvýšit celkovou účinnost solárních článků. Množství a tloušťka kvantových studní, stejně jako složení materiálů, mohou být přizpůsobeny tak, aby odpovídaly požadavkům konkrétní aplikace.

Přidání kvantových studní do solárních článků na bázi GaAs nebo InGaN/GaN má další výhodu v tom, že mohou výrazně zlepšit "matchování" proudu mezi různými vrstvami článku, což je klíčové pro maximalizaci výkonu v reálných podmínkách. Využití těchto nanostruktur může snížit náklady a složitost designu článků tím, že eliminují potřebu používat tlusté metamorfní vrstvy nebo složité architektury.

Pokročilé metody pro zlepšení účinnosti solárních článků

V rámci vývoje solárních článků je důležité neustále optimalizovat různé aspekty konstrukce, aby bylo dosaženo co nejvyšší účinnosti. U solárních článků s InGaN/GaN kvantovými studnami se klade důraz na několik klíčových faktorů:

  1. Úprava aktivní oblasti – Variace v tloušťce a počtu kvantových studní a bariér umožňuje upravit absorpční vlastnosti materiálu. Stejně tak lze změnit složení slitin (např. molekulární frakci indium) a úroveň dopování, což ovlivňuje elektrofyziální vlastnosti aktivní vrstvy.

  2. Zlepšení sběru nositelů náboje – Důležité je minimalizovat vliv piezoelektrického pole, které může negativně ovlivnit pohyb elektronů a děr v materiálu. Úprava dopování na p- a n-stranách aktivní vrstvy pomáhá optimalizovat sběr nositelů náboje a zlepšit účinnost konverze energie.

  3. Optimalizace kvality krystalů – Zajištění vysoké kvality krystalů je klíčové pro zajištění dlouhověkosti a stability solárních článků. Například přetavení defektů na rozhraní GaN/Sapphire nebo optimalizace p-dopingu GaN pomáhá zlepšit kontakt p-strany bez ztráty kvality materiálu.

Kvantové efekty a jejich vliv na optické vlastnosti

Kvantové studny nejsou pouze výhodné z hlediska elektrických vlastností, ale mají i zásadní vliv na optické absorpční koeficienty materiálu. Existují dva hlavní typy absorpčních koeficientů, které jsou důležité pro pochopení chování materiálů pod různými intenzitami světla – lineární optický absorpční koeficient (LOAC) a nelineární optický absorpční koeficient (NLOAC).

  • Lineární absorpce zkoumá, jak materiál reaguje na nízkou intenzitu světla a poskytuje informace o transparentnosti a absorpčních vlastnostech.

  • Nelineární absorpce je důležitá pro pochopení chování materiálů při vysokých intenzitách světla, kdy dochází k interakci více fotonů současně. Tento efekt je zásadní pro aplikace v silných světelných polích, jako je koncentrace slunečního záření ve fotovoltaických článcích.

Oba tyto koeficienty, spolu s celkovým optickým absorpčním koeficientem (TOAC), dávají komplexní pohled na optické vlastnosti materiálů, což je klíčové pro jejich efektivní využití v solárních článcích.

Další důležitá témata pro čtenáře

V této oblasti výzkumu je třeba věnovat pozornost také potenciálním problémům, které mohou nastat při výrobě a aplikaci solárních článků s InGaN/GaN kvantovými studnami. Například rostoucí obsah india v těchto materiálech může vést k většímu napětí mřížky a nárůstu defektů, což negativně ovlivňuje dlouhověkost a spolehlivost solárních článků. Z tohoto důvodu je nezbytné vyvíjet nové techniky pro pěstování těchto materiálů a zlepšování jejich strukturální integrity.

Jak ovlivňuje tloušťka vrstev a indium molekulární frakce výkon solárních článků na bázi InGaN?

Využití nanomateriálů v oblasti fotovoltaiky přináší nové možnosti pro zlepšení efektivity solárních článků. Jedním z těchto přístupů je využití pokročilých materiálů, jako jsou InGaN, které umožňují vývoj solárních článků s mezilehlým pásmem (IBSC), jež mohou efektivněji konvertovat sluneční energii. Tento článek se zaměřuje na detailní analýzu výkonu těchto článků, včetně faktorů, jako jsou tloušťka vrstev a molekulární frakce india, které mají zásadní vliv na jejich efektivitu.

V solárních článkách s mezilehlým pásmem je klíčovým parametrem efektivita fotovoltaické konverze, která závisí na schopnosti absorbovat a emitovat fotony. Při analýze fotovoltaického procesu je třeba zohlednit nejen samotné materiály, ale i jejich strukturu a tloušťku jednotlivých vrstev, jako jsou kvantové studny (QWs) a bariéry. Zvláště u materiálů na bázi III-Nitridů, mezi které patří GaN a InGaN, má změna těchto parametrů zásadní vliv na efektivitu solárního článku.

Jedním z nejdůležitějších ukazatelů výkonu solárního článku je otevřený napětí (Voc). Tento parametr, který se měří v závislosti na změnách tloušťky vrstev a koncentrace india, ukazuje, jak dobře je solární článek schopen konvertovat sluneční energii. Experimenty ukazují, že při zvyšování tloušťky jak vrstvy kvantové studny, tak bariér, dochází k lineárnímu poklesu Voc. Tento pokles je způsoben nárůstem defektů v materiálu a vlivem spontánní a piezoelektrické polarizace, které se objevují při vyšší koncentraci india.

Zajímavým bodem je kritická frakce india, která se pohybuje kolem 52,34 %. Při hodnotách molekulární frakce india nižších než tato hodnota klesá Voc lineárně, zatímco pro vyšší koncentrace india začíná Voc klesat nelineárně. Tento jev naznačuje, že InGaN vrstva má zásadní vliv na chování solárního článku, když se molekulární frakce india zvyšuje.

Vliv na Voc je také silně závislý na tloušťce bariér a kvantových studní. Čím tenčí jsou tyto vrstvy, tím vyšší je efektivita konverze, protože se zlepšuje prostorová lokalizace elektronů a děr, což umožňuje lepší kontrolu nad těmito částicemi. Tento efekt zvyšuje výkon solárního článku a zlepšuje jeho schopnost generovat elektrickou energii.

Dalším klíčovým parametrem pro hodnocení výkonu solárního článku je hustota krátkého obvodu (Jsc). Tato veličina udává maximální proud, který může solární článek generovat při zkratu jeho výstupních elektrod. Jsc závisí na absorpčních vlastnostech materiálu a jeho schopnosti absorbovat fotony ze slunečního spektra. Zde opět hraje roli tloušťka vrstev a koncentrace india, které ovlivňují optické vlastnosti materiálu. U solárních článků s mezilehlým pásmem je Jsc zvlášť citlivý na změny v optických vlastnostech, což znamená, že i drobné úpravy struktury mohou mít velký vliv na celkový výkon.

Důležitým faktorem pro správnou predikci účinnosti těchto solárních článků je zohlednění optimálního hodnoty faktoru plnění (FF), který bývá funkcí otevřeného napětí (Voc). FF hraje zásadní roli při určování účinnosti solárního článku, protože ukazuje, jak efektivně je schopen solární článek využívat sluneční energii.

Kromě těchto základních parametrů je důležité si uvědomit, že výkon solárního článku je ovlivněn i dalšími faktory, jako je teplota, materiálová kvalita, a čistota struktur, které mohou zvyšovat nebo snižovat jeho efektivitu. Pravidelná optimalizace konstrukce článku na základě těchto parametrů je klíčová pro dosažení co nejvyšší účinnosti.

Jak heterojunkce a homojunkce ovlivňují fotokatalytickou aktivitu v různých typech osvětlení?

Heterojunkce tvořené kvantovými tečkami a materiály s různou strukturou mohou mít významný vliv na efektivitu fotokatalytických procesů. Jedním z příkladů je nová heterojunkce typu 0D/2D, která reaguje na ultrafialové, viditelné a blízké infračervené světlo. Tato heterojunkce obsahuje jádro-shell-shell kvantové tečky PbS@CdS@ZnS (PCZ QDs) a dvouvrstvé g-C3N4 nanosheets (NSs). Metoda přípravy těchto PCZ QDs využívá základní mikrovlnnou asistovanou technologii, což umožňuje výrobu vodou disperzních teček s definovaným tvarem. Dvouvrstvé g-C3N4 NSs mají velkou povrchovou plochu, která usnadňuje adsorpci reaktantů a distribuci PCZ QDs, což zvyšuje jejich efektivitu v fotokatalytických aplikacích.

Díky širokému optickému absorpčnímu spektru PCZ QDs a silným interakcím mezi těmito kvantovými tečkami a g-C3N4, které jsou podporovány vznikem C-S vazeb, dochází k účinnému přenosu náboje mezi těmito materiály. Výsledkem je vynikající fotokatalytická aktivita při degradaci methyloranžového (MO) barviva v UV až NIR rozsahu. Experimentální výsledky ukazují, že přítomnost PCZ QDs výrazně usnadňuje separaci elektronů a děr, což zvyšuje účinnost fotokatalytického procesu pod různými světelnými podmínkami. Když je tento systém porovnán s jinými podobnými, vzorek obsahující 7% PCZ QDs/g-C3N4 vykazuje vynikající fotokatalytickou aktivitu v NIR oblasti.

Dalším významným přístupem je využití 2D heterostruktur bez těžkých kovů, které mohou být lepší volbou pro environmentální aplikace. Tímto směrem se vydal vývoj heterojunkce, která sestává z černého fosforu (BP) na g-C3N4 nanosheets. Černý fosfor, i když vykazuje vysoký potenciál v fotokatalytických aplikacích, čelí výzvám, jako je stabilita v přítomnosti vlhkosti a kyslíku. Pro překonání těchto problémů byla vyvinuta nová technika exfoliace pomocí „organického ledu“, která umožňuje rychlou výrobu vysoce kvalitních nanosheetů černého fosforu. Tato inovace zlepšuje stabilitu černého fosforu a jeho kombinace s g-C3N4 vede k účinné fotokatalýze produkce vodíku (H2) při osvětlení v oblasti nad 420 nm.

Tento BP/g-C3N4 fotokatalyzátor, zcela bez kovů, vykazuje rychlost produkce H2 (384,17 μmol g⁻¹ h⁻¹), která je srovnatelná s dříve zveřejněnými systémy obsahujícími platinu. Díky kompatibilním energetickým hladinám mezi BP a g-C3N4 může docházet k efektivnímu přenosu fotogenerovaných elektronů, což podporuje syntézu vodíku. Jak se ukázalo v experimentálních i teoretických studiích, zlepšená absorpce světla v důsledku přítomnosti BP je klíčová pro širokopásmovou fotokatalytickou aktivitu.

Pro dosažení maximální účinnosti je zásadní správně navrhnout strukturu homojunkcí, což jsou systémy, kde mají obě složky podobné chemické složení, ale rozdílné energetické hladiny a krystalové struktury. Tato rozdílnost v energetických hladinách podporuje účinný přenos náboje mezi jednotlivými vrstvami materiálů. V nedávné době byla syntetizována nová metalorganická rámcová struktura (MOF) s homojunkčními vlastnostmi, která prokázala vynikající schopnost využívat viditelné světlo k redukci CO2. Syntéza této struktury zahrnovala koordinaci mezi kobaltem a COOH skupinou v organickém propojení tetrakyseliny porfyrinové (TCPP), což vedlo k vytvoření Co-MOF.

Homojunkční struktury MOF vykazují výrazně lepší fotokatalytickou aktivitu v porovnání s běžnými MOF bez této struktury. Tento systém vykazuje až 2,5krát vyšší rychlost reakce s CO2 ve vodě při osvětlení viditelným světlem než jednotlivé MOF nanoplate. Výsledky ukazují na vynikající stabilitu homojunkce Co-MOF při kontinuální fotokatalytické redukci CO2 po dobu 22 hodin. To naznačuje nejen vysokou stabilitu, ale i selektivitu pro produkci CO, což je klíčové pro efektivní procesy CO2 redukce.

Pro dosažení lepšího porozumění těmto pokročilým fotokatalytickým systémům je nezbytné provádět důkladnou strukturovou charakterizaci. Pokročilé techniky, jako je elektronová mikroskopie a analýza hustoty stavů (TDOS), umožňují podrobně analyzovat energetické úrovně a strukturu materiálů na nanoměřítku, což je klíčové pro optimalizaci jejich fotokatalytických vlastností.

Jak ISIS využívalo digitální média k šíření propagandy a náboru nových členů
Jak efektivně používat vzory a korpusy v textovém těžení
Jak přijmout trauma a přestat bojovat s úzkostí?
Jaká je role vztahů v advokacii a proč je důležitá trpělivost?
Jak správně posuzovat tón a objem v kresbě uhlem?