Kapitola II: Náhradní energetické zdroje v dopravě využívající nanotechnologií

Je zcela jednoznačné, že velcí automobiloví producenti jsou nuceni přistoupit k novým trendům, jako jsou nanotechnologie, a to na základě rostoucích požadavků na cenově efektivní zlepšování výkonnosti, bezpečnosti a také pohodlí, navíc s ohledem na ochranu životního prostředí a dodržování emisních standardů. Prostřednictvím nanotechnologií, tak automobilový průmysl může dospět k výraznému rozvoji s rostoucím potenciálem.

Obr. 2.1: Alternativní paliva [1].

V současné době, tradiční zdroje energie jako jsou fosilní paliva (uhlí, ropa a zemní plyn) pokrývají 85% celosvětové potřeby. Je nutné si však uvědomit, že jsou tyto zdroje do určité míry omezené a jsou čerpány rychleji, než se stačí obnovovat. Významným faktorem je taktéž rostoucí cena ropy. A v neposlední řadě je to také negativní dopad při jejich použití na životní prostředí. Proto nanotechnologie mohou být odpovědí na jednu z nejaktuálnějších otázek světa „Čím a jak nahradit stále se ztenčující zásoby fosilních paliv?“. Jedním z populárních řešení je nalézt nové alternativní zdroje paliv (Obr. 2.1), ale také technologické postupy jejich zpracování neboli konverzi energie a v neposlední řadě i uskladnění této energie.
Mezi alternativní paliva řadíme především následující:
•    Bionafta, bioplyn (biomasa)
•    Biopaliva na bázi alkoholů
•    Fosilní alternativy (LPG, LNG, CNG)
•    Vodík
•    Solární energie (fotovoltaika), atd.
Budoucnost využití alternativní energie se bude zcela jistě opírat o nanostrukturované materiály a také o pochopení molekulárních interakcí v nanoměřítku.

2.1    Biopaliva
Tato paliva vznikají cíleně z biomasy, což je soubor látek organického původu (rostliny, těla živočichů, bakterie, sinice, houby, atd.) a lze je rozdělit dle jejich skupenského stavu:
-    Kapalná biopaliva - zde řadíme zejména paliva na bázi alkoholů (bioethanol, bimethanol), dále rostlinné oleje, velmi důležitá je bionafta, zkapalněná plynná biopaliva atd.
-    Tuhá biopaliva - zde patří nejrůznější peletky, štěpky, sláma, piliny apod.
-    Plynná biopaliva - nejvýznamnějšími plynnými biopalivy jsou bioplyn a vodík.
Velkou výhodou biopaliv je ten fakt, že je lze přimíchávat do klasických pohonných hmot. Na českém trhu jsou asi nejznámějšími biopalivy směsi E95 (alternativa nafty s 95% biolihu) a E85 (alternativa benzínu s 85% biolihu).
Biopaliva jsou dále děleny na tzv. první a druhou generaci. Jak již bylo uvedeno, společnou surovinou pro výrobu biopaliv je biomasa. Jaký je tedy rozdíl mezi první a druhou generací biopaliv?
Mezi biopaliva první generace patří zejména bioethanol (suroviny: obilí, cukrová řepa, kukuřice, škrob, rostlinný odpad, atd.), dále methylester řepkového oleje, methylestery vyšších mastných kyselin (FAME – bionafta) a další. Kdežto biopaliva druhé generace se vyrábí především z biomasy nepotravinářského původu: lesní biomasa, zemědělská biomasa, biologický odpad z domácností a v neposlední řadě též energetické plodiny, což jsou rostliny pěstované cíleně pro produkci energie. Zde patří např. sléz krmný, lnička setá, konopí seté, čičorka pestrá, šťovík krmný atd. Z chemického hlediska se biopaliva první generace vyrábí fermentací cukrů a škrobů, zatímco u druhé generace je to především celulóza a lignin, což je základní složka dřeva.
Dalekou budoucností je výroba biopaliv tzv. třetí generace. Zde by přicházely na řadu vodní mikroorganismy, jako jsou mořské řady či řasy přítomné v odpadních vodách.
Jako bionafta jsou označovány nízkomolekulární estery vyšších mastných kyselin s nějakým nízkomolekulárním alkoholem (převážně methanolem – methylestery), angl. FAME (Fatty Acid Methyl Esters) a vyrábí se rafinačním procesem zvaným transesterifikace. Hlavními zdroji nízkomolekulárních esterů vyšších mastných kyselin jsou rostlinné oleje, a to především olej sojový, řepkový (jehož hlavním zdrojem je řepka olejka, Obr. 2.2) a slunečnicový.

Obr. 2.2: Řepka olejka [2].

Jelikož proces transesterifikace je dějem katalytickým, vyvíjí se stále nové katalyzátory pro zlepšení a zefektivnění průběhu reakce. Při tomto ději vzniká jako vedlejší produkt glycerol (Obr. 2. - 3).

Obr. 2.3:Obecné schéma transesterifikace.

Jak již bylo řečeno tento děj je katalytický a na vývoji nových katalytických systémů se začínají také podílet nanotechnologie. Jako katalyzátory se většinou používají látky bazického charakteru, např. kovy alkalických zemin, přechodné kovy, lanthanidové oxidy, mikro- či mesoporézní silikáty a hlinitany atd. Přestože všechny tyto katalytické systémy poskytují zajímavé výsledky, nebyla nijak řešena otázka jak vyladit a kvantifikovat bazicitu povrchu katalyzátoru.
Jedním z velmi slibných katalyzátorů je oxid hořečnatý MgO. Britským vědcům se podařilo zjistit, že v nanokrystalické formě vykazuje velmi dobré katalytické účinky a lze u něj navíc velice dobře popsat samotný katalytický proces [3].
Výše zmíněné sloučeniny spadají do skupiny homogenních katalyzátorů, u kterých však nastává problém s jejich obtížnou separací z glycerinové fáze, což je činí nerecyklovatelnými a nemohou se znovu použít. Tento problém řeší katalýza heterogenní, kdy jsou na povrch pevného nosiče (zeolity, hydrotalcity, oxidy, -alumina, atd.) kotveny právě sloučeniny bazického charakteru. Velmi často používaným pevným nosičem je alumina, neboli oxid hlinitý g-Al2O3, a to především z důvodu velkého a jednoduchého povrchu a také snadné dostupnosti. Již několik autorů popsalo vysokou výtěžnost transesterifikace sojového oleje pomocí draselných sloučenin (KI, KF, KOH, KNO3) kotvených na alumině, ale tým vědců z tureckých univerzit byl první, kdo použil jako nosič nano-g-Al2O3, na kterém je kotven fluorid draselný KF [4]. Tento katalytický systém poskytoval bionaftu ve více jak 97% výtěžku, což je spojeno s vysokou bazicitou povrchu katalyzátoru a navíc se tento katalyzátor dobře recykloval a dal znovu použít (Obr. 2.4).

Kromě tradičních bazických katalyzátorů jsou pro transesterifikaci využívány také biokatalyzátory připravené imobilizací lipázy, což je jeden z nejdůležitějších enzymů štěpící tuky na glycerol a mastné kyseliny, na pevný nosič. Nosiče používané pro ukotvení lipázy mají vcelku zásadní význam pro aktivitu a stabilitu enzymu. Jedním z používaných nosičů jsou také nanočástice magnetického oxidu železnato-železitého Fe3O4 (Obr. 2.5). Pomocí tohoto heterogenního katalyzátoru byla provedena transesterifikace sojového oleje s metanolem [5].

Obr. 2.5:Fotografie z transmisního elektronového mikroskopu (TEM) [5]: a) nanočástice Fe3O4 b) lipáza ukotvená na nanočásticích Fe3O4.


Biopaliva na bázi alkoholů, nejběžněji ethanol, méně pak propanol a butanol, jsou produkty biologického působení mikroorganismů a enzymů skrz proces fermentace na cukry, škroby či celulózu. Proces fermentace probíhá přímo u surovin obsahující cukry, kdežto přírodní zdroje škrobu se nejprve musí na cukr převést enzymaticky.
Bioethanol se vyrábí zejména z následujících přírodních surovin obsahující vysoký podíl cukrů: pšenice, kukuřice (Obr. 2.6), melasa, cukrová třtina, cukrová řepa.
Výroba bio-ethanolu pro motorová vozidla roste v celosvětovém měřítku, jelikož byl doporučen jako aditivum benzínu kvůli snížení spotřeby fosilních surovin a také z důvodu snížení emisí CO2. Zatím největším spotřebitelem biolihu je Brazílie, kde se jeho objem blíží až k 20 miliardám litrů ročně. Jak již bylo řečeno, mnoho přírodních surovin je zpracováno procesem fermentace za vzniku ethanolu s jistým obsahem vody, který musí být dále pro použití do benzínu, zpracován na požadovanou kvalitu. Je tedy destilován a dehydratován na bezvodý ethanol (> 99.2 wt%). Jak je ale známo, procesem prosté destilace není možné vyrobit ethanol v této kvalitě, jelikož tvoří s vodou azeotropickou směs. Jednou z cest pro přípravu bezvodého ethanolu pro jakostní motorový benzín je azeotropická destilace. Nicméně, ta je obecně procesem, během kterého se energie spotřebovává, což je v rozporu s použitím bio-ethanolu pro uchování energie. Alternativou k dehydrataci je membránová separace. Japonští vědci popsali využití NaA zeolitových membrán s vysokou tepelnou, chemickou a mechanickou stabilitou, pro dehydrataci bio-ethanolu [6]. Tato membrána využívá svůj obrovský povrch s póry, jejichž velikost se pohybuje v nanoměřítku

Obr. 2.5:Fotografie z transmisního elektronového mikroskopu (TEM) [5]: a) nanočástice Fe3O4 b) lipáza ukotvená na nanočásticích Fe3O4.

Při výrobě bioalkoholů zatím nebyly ve značné míře použity nanotechnologické postupy jako takové, ale jelikož proces fermentace probíhá za působení mikroorganismů a enzymů, jejichž velikost se pohybuje v nanosvětě, můžeme i proto na něj pohlížet v nanoměřítku.
 

Bioplyn je produktem biologického rozkladu organické hmoty za nepřítomnosti kyslíku, tzn. anaerobního vyhnívání či fermentace biodegradabilního materiálu, jako jsou biomasa, hnůj, odpadní voda, komunální odpad, atd. Takto vyrobený bioplyn se skládá z velké části z methanu a oxidu uhličitého. Jiným druhem bioplynu je ten, který vzniká zplyňováním dřeva a obsahuje především dusík, vodík a oxid uhelnatý, se stopovým množstvím methanu. Plyny methan, vodík či oxid uhelnatý lze následně spálit či oxidovat pomocí vzdušného kyslíku, přičemž se uvolňuje energie využitelná jako palivo.

Obr. 2.7: Bioplyn [8].

Podle odborníků patří bioplyn mezi nejslibnější biopaliva. Výhodou je, že ho lze vyrábět z odpadu, který je biologického původu (Obr. 2.7).
Při výrobě bioplynu prozatím nebylo nanotechnologií užito, ale jelikož se jedná o proces biologického rozkladu pomocí mikroorganismů, můžeme tedy i na výrobu bioplynu pohlížet v nanoměřítku.

2.2    Fosilní alternativy
Mezi nejznámější fosilní alternativy patří CNG a LPG. Co tyto zkratky znamenají?
CNG je zkratka pro Compressed Natural Gas (stlačený zemní plyn). Tento plyn je alternativou pro benzín a motorovou naftu. Ačkoli při jeho spalování vznikají také skleníkové plyny, je k životnímu prostředí více šetrný než klasická paliva a navíc je jeho použití bezpečnější, jelikož je lehčí než vzduch, takže když dojde k jeho úniku, velmi rychle se rozptýlí. CNG má také dvojnásobně vyšší teplotu vznícení než benzín, čili pravděpodobnost, že se vznítí je mnohem menší než u klasických paliv a LPG.
CNG se vyrábí stlačením zemního plynu (20-30 MPa), složeného převážně z methanu, na méně než 1% jeho původního objemu za atmosférického tlaku. V České republice se tento plyn používá nejvíce pro pohon autobusů, jelikož síť čerpacích stanic není zatím až tak rozšířená.
CNG se používá v kombinaci s tradičními spalovacími motory, kdy je automobil přepracován na bi-palivové vozidlo (benzín - CNG) nebo také (benzín - CNG a/nebo bioplyn) jak je uvedeno na Obr. 2.8.

Obr. 2.8: Bi-palivový systém (CNG, bioplyn) Volvo S80 [9].

LPG je zkratka pro Liquefied Petroleum Gas (zkapalněný ropný plyn). Jedná se o směs uhlovodíků, zejména propanu a butanu, které jsou za normálních podmínek plynné. Velmi jednoduše lze tyto plyny ochlazením a stlačením zkapalnit, přičemž dochází k významnému zmenšení původního objemu v poměru až 1/260. Jelikož se LPG za okolní teploty a tlaku snadno vypařuje, musí být skladován ve speciálních přetlakových ocelových nádobách (Obr. 2.9). Z důvodu možnosti tepelné expanze jsou tyto nádoby plněny pouze z cca 80% svého objemu.

Obr. 2.9: Čerpací stanice LPG [10].

Zacházení s těmito plyny vyžaduje určitá bezpečnostní opatření z důvodu jejich fyzikálních vlastností, zejména pak u LPG, který je velmi hořlavý. Proto jsou vyvíjeny různé senzory pro jejich detekci. Také v tomto směru lze využít nanotechnologií.
Historicky prvním materiálem studovaným z hlediska použití jako senzoru plynů byl oxid zinečnatý ZnO, a to především díky jeho vysoké schopnosti vést elektrony a také jeho dobré chemické a tepelné odolnosti. V posledních letech byly studie zaměřeny na zdokonalení provedení ZnO senzorů s cílem vylepšit jejich selektivitu a také snížit pracovní teplotu. V mnoha pokusech vystupují taktéž nanočástice ZnO. Byla popsána metoda syntézy vysoce krystalických nanočástic ZnO (Obr. 2.10) hydrotermální cestou při 120°C s vysokou sensitivitou vůči LPG, amoniaku, vodíku a ethanolu při nízkých operačních teplotách. Navíc po zabudování palladia Pd do této struktury bylo dosaženo ještě lepších výsledků u sensitivity a snížení teploty [11].

Obr. 2.10: Fotografie nanočástic ZnO z transmisního elektronového mikroskopu (TEM) [11].

Dalším hojně využívaným oxidem kovu pro účely detekce plynů je oxid cíničitý SnO2. Je to nejvíce preferovaný materiál pro výrobu senzorů se skupiny oxidů polovodivých kovů z důvodu schopnosti absorbovat kyslík na svůj povrch. Také v jeho případě se používají různá aditiva pro zlepšení vlastností. Pro detekci LPG se k SnO2 přidávají různé kovy (platina, palladium, stříbro, nikl, antimon, hliník, atd.) nebo také oxidy kovů (oxid platičitý, oxid palladnatý, oxid stříbrný, oxid nikelnatý, oxid železitý, oxid měďnatý, atd.). V rámci práce indických vědců byl připraven LPG senzor na bázi ultratenkého filmu SnO2 (90 nm) s ultratenkými (8 nm) ostrůvky kovů (Pt, Ni, Ag a Pb) a jejich oxidů (Obr. 2.11). Nejlepších výsledků pak dosáhl senzor s ostrůvky Pt [12].

Obr. 2.11: Schéma SnO2 senzoru s ostrůvky kovů či jejich oxidů [12].


Oxid kademnatý (CdO) je polovodičem typu N se zajímavými vlastnostmi jako jsou široký zakázaný pás, nízký elektrický odpor, vysoký přenos ve viditelné oblasti, což ho činí velmi užitečným v mnoha oblastech jako např. při výrobě fotodiod, fototranzistorů, transparentních elektrod, tekutých krystalů pro displeje, atd. Až do roku 2007 se neobjevily žádné práce zabývající se jeho využitím pro výrobu senzorů plynů. Toho využil R. B. Waghulade s kolektivem a jednoduchou srážecí metodou připravili nanočástice CdO, které dále zkoumali při detekci LPG. Ve své studii zjistili, že kalcinační teplota při výrobě nanočástic CdO velmi ovlivňuje výslednou citlivost a pracovní teplotu senzoru. Nejúčinnější a nejcitlivější je tento materiál, který byl kalcinován při teplotě právě 400°C, jelikož byly připraveny zrna o nejmenší velikosti [13].

2.3    Vodík
Z chemického hlediska je vodík nejlehčím plynem a zároveň je prvním členem přirozené řady prvků. Jeho atomové jádro je tvořeno pouze jedním protonem a elektronový obal jedním elektronem, což mu dává mnoho výlučných chemických vlastností. Vodík je plynem hořlavým, ale sám hoření nepodporuje. Při jeho spalování vzniká voda (Obr. 2.12).

Obr. 2.12: Reakce vzniku vody spalováním vodíku.

A právě vznik vody při spalování vodíku, neškodné pro životní prostředí a dále také vznik velkého množství energie je důvodem, proč byl zahájen intenzívní výzkum tohoto procesu využitelného pro automobilový průmysl. Již v dávné minulosti byl vodík použit v dopravě, vzpomeňme si třeba na legendární vzducholoď Hindenburg, pro kterou bylo ovšem použití vodíku zkázou (Obr. 2.13).
Vodík se dnes vyrábí zejména z fosilních surovin (zemní plyn, ropa, uhlí), což je vlastně v rozporu s myšlenkou alternativního, nefosilního paliva, dále se také začíná vyvíjet výroba vodíku pomocí elektrolýzy vody, zde je ovšem vysoká spotřeba elektrické energie na tuto výrobu. Hudbou budoucnosti může být výroba vodíku na základě přírodních procesů při rozkladu organických sloučenin pomocí bakterií.
Vodíkového pohonu se využívá v tzv. hybridních motorech (Obr. 2.14), kdy jde o kombinaci různých forem pohonů. Např. energie v elektromotorech s vodíkovým pohonem se získává v palivových článcích, kde dochází k reakci vodíku s kyslíkem a dále v akumulátoru.

Obr. 2.13: Zkáza vzducholodi Hindenburg [14].

Nanotechnologie velkou měrou přispívají při výrobě vodíku a to především v podobě nanomateriálů použitelných jako katalyzátorů chemických reakcí, při kterých vodík vzniká.

Obr. 2.14: Model auta na vodíkový pohon [15].

Metod pro získání vodíku je několik, první z nich je parní reformování organických sloučenin bohatých na vodík. Při reakcích alkoholů s vodní párou vzniká vodík jako hlavní produkt. Jedním z nejpoužívanějších alkoholů pro přípravu vodíku je methanol, a to díky svým vynikajícím vlastnostem:
-    obsahuje tak vysoký poměr H/C, že má menší sklon k tvorbě sazí než běžně užívané uhlovodíky a také dělá methanol energeticky výhodnou surovinou;
-    jeho bod varu je realitně nízký;
-    lze ho získat z obnovitelných zdrojů;
-    je snadno uskladnitelný.
Níže jsou uvedeny základní chemické reakce probíhající při parním reformování methanolu spolu s jejich reakčními teply.

Tyto reakce jsou převážně katalyzovány různými kovy a jejich kombinacemi s cílem zajistit požadovaný průběh reakce. V posledních letech zaznamenal také velký rozmach vývoj katalyzátorů na bázi nanočástic především přechodných kovů (Cu, Ni, Zn, atd.).
Bylo popsáno několik cest na přípravu nanočástic Cu a jednou z nich byla také práce zahrnující in situ tvorbu nanočástic Cu v superkritické vodě při parním reformování methanolu. Jako prekurzor byl použit octan měďnatý, který je snadno rozpustný ve vodě. Ve speciálním reaktoru byly připraveny nanočástice Cu o velikosti okolo 140 nm s velkým povrchem, čili k reformování methanolu docházelo zhruba během 15 s [16].
Dalším odzkoušeným materiálem byl nový nanostrukturovaný CuZnAl-spinel katalyzátor, jež byl použit při oxidativním parním reformování methanolu. Ve srovnání z běžně vyráběným CuZnAl katalyzátorem vykazoval tento nanostrukturovaný lepších výsledků při katalýze a také během reakcí nebyl detekován vznik nežádoucího oxidu uhelnatého (CO) [17].
Z řady alkoholů je také pro výrobu vodíku používán ethanol. Výtěžek vodíku při parním reformování ethanolu může být vysoký, jelikož vzniká nejen z ethanolu, ale i z vody. Nicméně, konečná výtěžnost vodíku silně závisí na intenzitě a rovnováze mezi reakcemi voda-plyn a dále methanizačními reakcemi, stejně jako na úspěšné inhibici neselektivní transformace ethanolu na produkty vedlejších reakcí acetaldehyd, etylen a methan. Jelikož nebyl na trh uveden žádný komerčně vyráběný katalyzátor, který by řešil zmíněná úskalí, rozhodli se polští vědci takový katalyzátor vyvinout. Tím katalyzátorem byl kobalt Co dopovaný oxidy zirkonu ZrO2 či ceru CeO2 a to jak v mikro, tak i v nano měřítku (Obr. 2.15). Při srovnání obou struktur došli k závěru, že nanostrukturní katalyzátor tohoto druhu vykazoval při parním reformování etanolu lepších výsledků [18].

Obr. 2.15: Obrázky nano a mikro struktur oxidů CeO2 a ZrO2 použitých jako dopantů pro Co katalyzátor [18].


Dalším způsobem, jak získat vodík, je proces fotokatalýzy vody. Toto je velmi slibná metoda především ze dvou důvodů:
-    je založena na energii fotonu (sluneční energie), což je čistý a neměnný zdroj a také na vodě, jež je zdrojem obnovitelným;
-    je to metoda šetrná k životnímu prostředí, nevznikají při ní vedlejší produkty či polutanty.
Ovšem bylo velmi obtížné najít ideální fotokatalyzátor, který by splňoval více podmínek najednou (chemická stabilita, odolnost vůči korozi, citlivost na viditelné světlo). Naštěstí nanotechnologie obohatili stávající fotokatalyzátory a byly tak objeveny nové velmi slibné materiály. Z těch nejdůležitějších to jsou nanočástice TiO2, další binární kovové oxidy např. Ta2O5, VO2, ternární a kvartérní kovové oxidy např. různé oxidy niobu Nb, oxidy rhodia Rh, platiny Pt či ceru Ce, dále sulfidy kovů, především CdS, nebo také nitridy, oxinitridy, atd [19].
V neposlední řadě můžeme vodík vyrobit na základě biologických procesů z vody. Mnoho bakterií patřící mezi anaeroby, aeroby, fotosyntézní bakterie a cyanobakterie má schopnost produkovat plynný vodík. Výroba bio-vodíku souvisí s mnoha faktory, jako jsou pH, teplota, koncentrace, stáří kultury, hustota buněk, atd.
Tým čínských vědců využil poznatků z oblasti nanovědy zabývající se katalytickými procesy za účasti nanočástic, konkrétně zlata Au, a studoval jejich vliv na přípravu vodíku ze znečištěně vody pomocí biologických pochodů. Dominantním kmenem bakterií byl Clostridinum butyricum a nanočástice zlata byly použity v rozměrech 5, 10 a 20 nm. Bylo zjištěno, že nanočástice zlata významně zlepšují bioaktivitu mikrobů schopných vyrobit vodík a tento efekt velmi silně závisí na velikosti použitých částic (Obr. 2.16). Čím byly částice menší, tím bylo vyprodukováno více vodíku [20].

Obr. 2.16: Fotografie nanočástic Au z transmisního elektronového mikroskopu (TEM): a) 5nm, b) 10 nm, c) 20 nm [20].

2.4    Solární energie
Solární energie, jak již z názvu vyplývá, je energie získávána ze slunečního záření. Tato energie je obnovitelným zdrojem a lze ji využít přímo k výrobě elektrické energie pomocí solárních, neboli fotovoltaických panelů. Nejpoužívanějším materiálem pro výrobu solárních panelů je polovodičový prvek křemík Si. Tento typ energie lze také využít jako pohon pro automobily (Obr. 2.17).
Stejně jako u předchozích alternativních zdrojů, tak i u energie solární je využíváno nanotechnologií pro zlepšení vlastností připravovaných materiálů. Uveďme si tedy na závěr několik materiálů ze světa nanočástic používaných pro konstrukci solárních článků.
Kovové nanočástice mají dvě důležité vlastnosti využitelné pro fotovoltaiku. Jednak způsobují rozptyl dopadajícího světla, jestliže jejich průměr překračuje 50 nm a také zvyšují sílu místního elektrického pole.
Němečtí badatelé zakomponovali nanočástice stříbra Ag o různém průměru (cca 15 a 300 nm) do polovodičových křemíkových desek různé morfologie (amorfní a mikrokrystalický Si) a sledovali jejich vliv na elektrické a optické vlastnosti zařízení. Bylo zjištěno, že všechny připravené články vykazovaly vyšší absorpci světla v oblasti dlouhých vlnových délek ve srovnání s články bez přítomnosti nanočástic. Při zvýšení intenzity dopadajícího záření na desku z amorfního Si obsahující menší nanočástice Ag došlo ke snížení efektivity. Desky s většími nanočásticemi způsobovaly sice větší rozptyl světla, ale také se projevovaly optické ztráty [21].

Obr. 2.17: Solární automobil [22].
Odlišným typem solárních článků jsou tzv. barevně citlivé solární články (angl. dye-sensitized solar cells - DSSCs). V klasickém solárním článku je křemík zdrojem jak fotonů, tak vytváří i elektrické pole k oddělení náboje a tvorbě proudu. Kdežto v DSSC článcích dochází odděleně k transportu náboje polovodičem a vzniku fotonů z fotosenzitivního barviva. Separace náboje se děje na povrchu mezi barvivem, polovodičem a elektrolytem.
Pro výrobu tohoto typu solárních článků se taktéž hojně využívají nanočástice převážně oxidů následujících kovů: Ti, Zn, Sn, atd.
Prvním zástupcem je oxid titaničitý TiO2. Jeho nanočástice či nanotyčky byly připraveny hydrotermální metodou z prekurzoru dioxidu titaničitého při 150°C po dobu 20 hodin a vykazovaly vysokou fotokatalytickou a fotovoltaickou aktivitu [23].

Obr. 2.18: Fotografie nanovrstev ZnO ze skenovacího elektronového mikroskopu SEM [24].

Oxid zinečnatý ZnO je jedním ze slibných polovodičových materiálů pro přeměnu solární energie díky jeho stabilitě vůči fotokorozi a také má obdobné fotochemické vlastnosti jako TiO2. ZnO je transparentní ve viditelné oblasti světla, v infračerveném světle se projevuje vysokým odrazem, je velmi elektrochemicky stabilní a vykazuje excelentní elektronické vlastnosti. Čínští vědci připravili nanočástice a nanovrstvy ZnO hydrotermální metodou z prekurzoru chloridu zinečnatého a jako film je použili jako materiál pro DSSC článek. Nanovrstvy ZnO (Obr. 2.18) vykazovaly lepší výkonnost než nanočástice [24].
Tato velmi obsáhlá problematika bude podrobněji popsána v následující kapitole, zabývající se výhradně fotovoltaikou v dopravě.

 

There are currently no posts in this category.