Materials for renewable energy - NEVF175

• Title: Materiály pro obnovitelné zdroje energie
• Guaranteed by: Department of Surface and Plasma Science (32-KFPP)
• Faculty: Faculty of Mathematics and Physics
• Actual: from 2022
• Semester: summer
• E-Credits: 3
• Hours per week, examination: summer s.:2/0, Ex [HT]
• Capacity: unlimited
• Min. number of students: unlimited
• 4EU+: no
• Virtual mobility / capacity: no
• State of the course: taught
• Language: Czech, English
• Teaching methods: full-time
• Teaching methods: full-time
• Additional information: https://physics.mff.cuni.cz/kfpp/rozvrh.html
• Guarantor: prof. Mgr. Iva Matolínová, Dr.; Mgr. Yurii Yakovlev, Ph.D.

Annotation

English

Last update: doc. RNDr. Jiří Pavlů, Ph.D. (13.05.2022)

The aim of this lecture is to provide an introduction to renewable energy technologies. As part of the overview of renewable energy sources with an emphasis on electricity generation, advanced materials used in these technologies will be presented. Concepts of materials preparation will be introduced, focusing on their specific properties and role in energy acquisition, conversion and storage.

Czech

Last update: doc. RNDr. Jiří Pavlů, Ph.D. (13.05.2022)

Cílem této přednášky je poskytnout úvod do technologií pro obnovitelnou energii. V rámci přehledu zdrojů obnovitelné energie s důrazem na výrobu elektřiny budou představeny pokročilé materiály, které se v těchto technologiích využívají. Budou představeny koncepty přípravy materiálů se zaměřením na jejich specifické vlastnosti a roli při získávání, přeměně a skladování energie.

Course completion requirements

Last update: doc. RNDr. Jiří Pavlů, Ph.D. (13.05.2022)

Podmínkou zakončení předmětu je úspěšné složení zkoušky

Literature

English

Last update: doc. RNDr. Jiří Pavlů, Ph.D. (13.05.2022)

1. Ashutosh Tiwari: Emerging Photovoltaic Materials: Silicon & Beyond, Wiley-Scrivener, 2018, ISBN13: 9781119407546

2. R. S. Dey, T. Purkait, N. Kamboj, M. Das: Carbonaceous Materials and Future Energy: Clean and Renewable Energy Sources, CRC Press, Boca Ralton, 2020, ISBN 9781351120760

3. Z. Qi: Proton Exchange Membrane Fuel Cells, CRC Press, Boca Ralton, 2014, ISBN13: 978-1-4665-1370-9.

4. A. A. Franco: Polymer Electrolyte Fuel Cells, Pan Standforrd Publishng Pte. Ltd., Singapore, 2013, ISBN13: 978-981-4310-82-6.

Requirements to the exam

Last update: doc. RNDr. Jiří Pavlů, Ph.D. (13.05.2022)

Zkouška je ústní se zadáním dvou otázek z probírané tématiky a možností přípravy na místě. Dále pak jsou možné doplňující krátké otázky.

Syllabus

English

Last update: doc. RNDr. Jiří Pavlů, Ph.D. (13.05.2022)

1. Introduction to the subject, energy sources, the Sun as the ultimate source of renewable energy, the use of renewable energy before and now, the cycle of production / acquisition-storage-transport of energy, the role of advanced materials.

2. Overview of photo sources: photovoltaic solar cells and photocatalysis, fundamentals of the solar energy conversion into electricity or energy of chemical bonds, types of devices, underlying processes in a solar cell; Shockley-Queisser limit, the role of applied material in tuning the band gap, dye-sensitized solar cell, photoelectrochemical cell for water splitting..

3. Materials used for photovoltaic cells (classical semiconductors - Si and others, state-of-the-art materials, organo / inorganic perovskites, quantum dots, hybrid multilayer structures, their advantages / disadvantages.

4. Research in the materials for photovoltaic cells: preparation of the most perspective materials and methods of their characterization, performance estimation..

5. Photocatalysis as a emerging field in renewable energy materials, the main concept of photocatalysis, suitable materials, development of advanced nanostructures, characterization techniques for photocatalysis.

6. Direct electricity storage: batteries and supercapacitors, their structure and types, main principles of electrochemical electricity storage, basic electrochemical processes and roles of advanced materials, electric double layer for charge storage.

7. Batteries with different chemistry, materials for batteries - Li, Na and others, materials for electrodes, electrolytes and others (separators, current collectors, covers, etc.).

8. Super-capacitors and electrochemical capacitors, materials for storage electricity in the double-layer and/or pseudo-faradaic reactions, high surface area material for charge storage, electrolytes.

9. Metal-air batteries, perspectives and challenges in the material research - materials for anode and cathode, electrolyte.

10. Hydrogen cycle in the framework of renewable energy production, hydrogen production, storage and conversion to the electricity, main infrastructure parts, challenges and prospects.

Czech

Last update: doc. RNDr. Jiří Pavlů, Ph.D. (13.05.2022)

1. Úvod do předmětu, zdroje energie, Slunce jako konečný zdroj obnovitelné energie, využití obnovitelné energie dříve a nyní, cyklus výroby/získávání-skladování-přepravy energie, role pokročilých materiálů.

2. Přehled fotozdrojů: fotovoltaické solární články a fotokatalýza, základy přeměny sluneční energie na elektřinu nebo na energii chemických vazeb, typy zařízení, základní procesy v solárním článku; Shockley-Queisserův limit, role materiálu při ladění zakázaného pásu, barvivem senzitizovaný solární článek, fotoelektrochemický článek pro štěpení vody.

3. Materiály používané pro fotovoltaické články. Klasické polovodiče - Si a jiné, nejmodernější materiály, organo/anorganické perovskity, kvantové tečky, hybridní vícevrstvé struktury, jejich výhody/nevýhody.

4. Výzkum materiálů pro fotovoltaické články: příprava nejperspektivnějších materiálů a způsoby jejich charakterizace, odhad výkonu.

5. Fotokatalýza jako nově vznikající obor obnovitelných energetických materiálů, hlavní koncept fotokatalýzy, vhodné materiály, vývoj pokročilých nanostruktur, techniky charakterizace pro fotokatalýzu..

6. Přímé skladování elektřiny: baterie a superkondenzátory, jejich struktura a typy, hlavní principy elektrochemického skladování elektřiny, vlastní elektrochemické procesy a role pokročilých materiálů, elektrická dvojitá vrstva pro uložení náboje.

7. Baterie s různou chemií, materiály pro baterie - Li, Na a další, materiály pro elektrody, elektrolyty a ostatní (separátory, sběrače proudu, kryty atd.).

8. Superkondenzátory a elektrochemické kondenzátory, materiály pro akumulaci elektřiny ve dvouvrstvých a/nebo pseudofaradických reakcích, materiály s velkým povrchem pro akumulaci náboje, elektrolyty.

9. Baterie typu kov-vzduch, perspektivy a výzvy v materiálovém výzkumu - materiály pro anodu a katodu, elektrolyt.

10. Vodíkový cyklus v rámci výroby obnovitelné energie, výroby vodíku, skladování a přeměny na elektřinu, hlavní části infrastruktury, výzvy a vyhlídky.