Chalkogenidové skelné luminofory pro fotoniku

„V dnešní době, kdy jsou alternativní zdroje energie a nové aplikace jejich využití v popředí zájmu vědců i veřejnosti, zdá se být potenciál sluneční energie jednou z možných alternativ. Nikoli však vyřešením poptávky po energii, jak si mnoho lidí představuje,“ říká finalista letošního ročníku v soutěži Expo Science Amavet, Jan Hrabovský z Gymnázia Josefa Ressela v Chrudimi. Soutěže se zúčastnil se zajímavým projektem, o kterém nám napsal:

Můj projekt se zabývá studiem a vývojem nových up‑konverzních materiálů, které mají v budoucnu zvýšit účinnost současných křemíkových fotovoltaických článků. Tyto materiály jsou mimo jiné vhodné pro laserové aplikace, optická zařízení operující v infračervené oblasti elektromagnetického (světelného) spektra, nebo pro vlnovody.

Znáte up‑konverzi?

Víme, že světlo můžeme popsat jako tok fotonů o různých energiích, které lze vyjádřit odpovídajícími vlnovými délkami. Světelné spektrum můžeme dělit na různé druhy oblastí právě podle energií fotonů. Základními jsou ultrafialové (UV) záření, viditelné (Vis) záření a infračervené (IR) záření. Up‑konverzním procesem označujeme energetickou přeměnu fotonů o nižší energii na foton o energii vyšší. V našem případě jsou k tomuto procesu využity dva nebo více fotonů z IR oblasti, které se „složí" a umožní vznik jednoho fotonu o vyšší energii ve viditelné oblasti.

K tomuto skládání fotonů jsou vhodné ionty vzácných zemin, neboli ionty lanthanoidů, umístěné do amorfní matrice. K tomuto účelu je také možné použít i některé ionty přechodných kovů, ale jejich vlastnosti nejsou tak výhodné. Amorfní matrice musí být propustná pro všechny spektrální oblasti, které se během procesu používají. Pokud by tomu tak nebylo, up‑konvertované světlo by bylo pohlceno (absorbováno). V našem případě jsme použili Ga‑Ge‑Sb‑S amorfní chalkogenidy.

Biliár s elektrony

Celý proces probíhá ve valenčních f‑orbitalech jednotlivých iontů vzácných zemin, v nichž příchozí světlo vybudí elektron na jeho vyšší energetický stav. Tento proces se může několikrát opakovat, nebo může spolupracovat i několik sousedních iontů vzácné zeminy. Nakonec se elektron vrátí na původní energetickou hladinu, tj. do stavu základního. Přitom se může vyzářit přebytečná energie ve formě světla. Jednotlivé vzácné zeminy mají různě vzdálené své energetické hladiny, a proto vyzařují světlo o různých vlnových délkách. Tento jev se používá u laserových, fotonických nebo optoelektronických aplikací.

Pokud by se popsané materiály měly dočkat průmyslového využití, bylo by zapotřebí aplikovat je ve formě vrstev, řádově o tloušťce stovek nanometrů až jednotek mikrometrů, ze spodní strany oboustranného křemíkového fotovoltaického článku (obr. 1). Je to dáno tím, že tyto materiály začínají propouštět světlo až od viditelné oblasti spektra, a proto by na horní straně pohlcovaly vysokoenergetické UV záření, které by tím nemohlo být využito solárním článkem na fotovoltaickou přeměnu.

Cíl – Zvýšení energetické účinnosti křemíkového fotovoltaického článku

K přeměně světla na elektrickou energii dokáže křemíkový fotovoltaický článek využít pouze omezenou část slunečního spektra. Krátkovlnná absorpční hrana křemíku, z něhož je článek vyroben, je okolo 1.12 eV (≈ 1100 nm). To znamená, že světlo o menší energii prochází článkem bez užitku. Po aplikaci up‑konverzní vrstvy na spodní stranu slunečního panelu se toto světlo absorbuje, a poté transformuje na světlo o vyšší energii. Přeměněné světlo se pak vyzáří zpět do solárního článku, je použito k fotovoltaické přeměně, čímž se zvýší celková účinnost fotovoltaického článku. Na spodní stranu up‑konvertoru je nutné ještě připravit vrstvu odrážející up‑konvertované světlo zpět do solárního článku, jinak by byla celková účinnost menší.

---

Autor článku se k tématu skelných luminoforů dostal díky svému zájmu o kosmonautiku, kde mají fotovoltaické články široké uplatnění. Projekt, který by se podobnou problematikou zabýval, objevil na pracovišti Univerzity Pardubice a pustil se tam do práce pod vedením prof. Ing. Tomáše Wágnera, CSc., a Ing. Lukáše Střižíka.

Kromě zkušeností z vědecko‑výzkumného oboru mu práce přinesla i několik ocenění. Mezi nejvýznamnější patří cena Diplom laureáta Ruské akademie věd z Vernadského mezinárodní soutěže v Moskvě, druhé místo z EXPO SCIENCE AMAVET nebo ocenění za 2. místo v soutěži České hlavičky. Díky úspěchu v EXPO SCIENCE AMAVET se v příštím roce zúčastní celosvětové soutěže INTEL ISEF 2013 v USA.

Popřejme mu mnoho dalších úspěchů v soutěžích i na poli vědy.