Vysoká účinnost přeměny sluneční energie až 68 procent, a přitom nízké výrobní náklady i energetické nároky. To jsou klíčové vlastnosti solárních nanopecí, které lze využít nejen v oblasti obnovitelné elektřiny a pokročilých materiálů pro solární energetiku.

Ultramalé a vysoce účinné solární pece vyvinul mezinárodní tým vědců pod vedením výzkumníků z Českého institutu výzkumu a pokročilých technologií (CATRIN) na Univerzitě Palackého v Olomouci ve spolupráci s americkými, německými a italskými kolegy. Výsledky unikátní technologie, kterou autorský tým chrání mezinárodní patentovou přihláškou, publikovaly odborné časopisy Nano Letters a Nano Energy.

Nanopece o průměru několika desítek nanometrů lze vyrobit ve formě tenkých filmů či panelů a přeměnou sluneční energie v nich dosáhnout teploty až 600 stupňů Celsia. Výzkumníci využili schopnosti některých kovových nanočástic vytvářet velké množství tepelné energie po ozáření světlem vhodné vlnové délky. Pionýrské práce v oblasti takzvané termoplasmoniky začaly teprve na začátku tohoto milénia a souvisejí především s využitím specifických optických vlastností nanočástic zlata.

„Podstatou naší technologie jsou nanotrubice z nitridu titanu, které mají podobné termoplasmonické vlastnosti jako nanočástice zlata, jsou ovšem přibližně čtyřicetkrát levnější. Vykazují navíc velkou teplotní stabilitu a mají cylindrický tvar předurčený pro využití jako nanopece nebo chemické reaktory,“ uvedl hlavní autor projektu Alberto Naldoni z CATRIN. Dodal, že technologie umožňuje rychlý převod do průmyslového měřítka a výrobu filmů či panelů osazených miliardami hustě uspořádaných nanopecí.

Nízké energetické ztráty

Tým olomouckých vědců dokázal uvnitř nanopecí experimentálně prokázat už zmiňovanou teplotu až 600 stupňů, a současně prokázal relativně nízké ztráty při přeměně sluneční energie na tepelnou. To dokládají i teoretické simulace spolupracujících expertů z Purdue University ve Spojených státech a Polytechnic University v italském Miláně.

„Ve srovnání s komerčními systémy pro přeměnu sluneční energie na teplo, jako jsou například solární věže, náš přístup dovoluje dosáhnout mimořádně vysokých teplot při mnohem nižších požadavcích na zacílení slunečního svazku, což je významný technologický i ekonomický aspekt,“ vysvětlil Štěpán Kment z CATRIN.

Poznamenal, že současné komerční technologie navíc vyžadují o jeden až dva řády vyšší energii ozařování. „To jsou hlavní důvody, proč jsme se rozhodli technologii patentovat,“ dodal Kment.

Široké využití

Ultramalé a vysoce účinné solární pece lze rovněž využít například také pro odstranění toxických plynů, odsolování mořské vody, jako generátory páry či chemické reaktory pro výroby nanomateriálů.

„Na vnitřní stěny nanopecí lze poměrně snadno umístit katalyzátory – tedy jakési urychlovače chemických reakcí. Prokázali jsme například vysokou efektivitu solární teplotní přeměny jedovatého oxidu uhelnatého s využitím nanočástic rhodia. Nanopece navíc mohou sloužit jako ojedinělý chemický nanoreaktor, kde lze provádět solárně indukované chemické reakce s unikátním rozložením a řízením teploty, a připravovat tak zcela nové materiály,“ naznačil aplikační potenciál solárních nanopecí Radek Zbořil z olomouckého ústavu CATRIN a VŠB - Technické univerzity Ostrava.

V textu v časopise Nano Energy autorský tým prokázal také mimořádnou účinnost nanopecí jako solárních generátorů vodní páry. „To umožňuje testovat vyvinuté nanosystémy například v nových technologiích odsolování mořské vody,“ sdělil Luca Mascareti z CATRIN. „Vysokou účinnost i rychlost odpařování v takovém solárním reaktoru lze v kombinaci s následnou kondenzací páry využít i v moderních technologiích čištění vod a odstraňování rozpuštěných toxických látek. Prostor se otevírá především u některých obtížně odstranitelných polutantů.“

Nanodiamanty i fofotovoltaika

Čeští vědci jsou na poli nanotechnologií, ale i sluneční energetiky v posledních letech velmi úspěšní. Nový český objev například pomůže ve vytváření obrovského množství nanodiamantů, tedy miniaturních krystalů, které mohou pomoci s odhalováním nejrůznějších druhů nemocí včetně nádorových chorob. Na rozdíl od starších metod to navíc odborníci dokážou výrazně levněji.

Výsledky výzkumu publikoval před časem prestižní časopis Nature Communications. Nanodiamanty jsou krystaly milionkrát menší než ty, které běžně používají šperkaři. Když se upraví jejich vnitřní struktura, dají se použít v medicíně. „Fungují jako jakési malinkaté senzory, které jsme schopni umístit dovnitř buňky. Můžeme například měřit teplotu, kyselost nebo zjišťovat přítomnost některých důležitých chemických látek,“ vysvětlil v České televizi Jan Havlík, autor experimentální části studie z Ústavu organické chemie a biochemie Akademie věd ČR.

Experti z Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR se zase výrazně podíleli na vývoji prototypů fotovoltaických článků s vysokou účinností, u nichž je navíc významný potenciál nízkých nákladů. Výsledky výzkumu čtrnácti partnerů z osmi zemí světa pod hlavičkou mezinárodního projektu NextBase, který se zabývá právě vývojem inovativních vysoce výkonných solárních článků a modulů, byl zveřejněn vloni.

„Podařilo se dosáhnout účinnosti článků 25,4 procent. Přiblížili jsme se tak současnému světovému rekordu 26,7 procent. Navíc jsme také vyvinuli technologii připravenou pro automatizovanou sériovou výrobu,“ konstatoval spoluřešitel projektu Antonín Fejfar z Fyzikálního ústavu.

Projekt s podporou programu Horizon 2020 inovoval fotovoltaické články s heteropřechody, v nichž jsou kladné a záporné elektrody připraveny na desce křemíkového krystalu nanesením proužků amorfního křemíku tenkých jen několik nanometrů. Dlouho ale neexistoval praktický nástroj, jak kvalitu těchto kontaktů ověřit. Metodu kontroly vyvinul Martin Ledinský z Fyzikálního ústavu Akademie věd, podle něhož je další optimalizací možné účinnost článků ještě zvýšit. „Myslíme si, že šestadvacet procent je reálných,“ řekl Obnovitelně.cz Ledinský.

Autor: Pavel Baroch

Foto: Martin Pykal (Schematické znázornění nanopecí na bázi nitridu titanu)