Bachelor's Thesis

Utilization of Plasmonic Structures for Improvement of Photovoltaic Devices

Final Thesis 1.93 MB

Author of thesis: Ing. Martin Hrtoň, Ph.D.

Acad. year: 2010/2011

Supervisor: Ing. Lukáš Břínek, Ph.D.

Reviewer: prof. RNDr. Petr Dub, CSc.

Abstract:

The bachelor thesis deals with absorption and scattering features of periodically arranged golden and silver nanospheres. Using numerical simulations and analytical computations the shape of the electromagnetic field at the plasmonic nanostructure was found. Further, possibilities of a utilization of the periodical arrangement in photovoltaic devices were discussed.

Keywords:

plasmonics, photovoltaics, plasmonic resonances

Date of defence

21.06.2011

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Applied Sciences in Engineering (B3901-3)

Field of study

Physical Engineering and Nanotechnology (B-FIN)

Composition of Committee

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Miroslav Liška, DrSc. (místopředseda)
prof. RNDr. Bohumila Lencová, CSc. (člen)
doc. RNDr. Josef Kuběna, CSc. (člen)
prof. RNDr. Jiří Komrska, CSc. (člen)
prof. RNDr. Pavel Zemánek, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (člen)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Ivan Křupka, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Lukáš Břínek, Ph.D.

Autor se ve své práci zaměřil na moderní téma zvýšení účinnosti fotovoltaických zařízení. K tomuto účelu provedl studium plazmonických rezonancí na kovových kuličkách (s rozměry v desítkách nanometrů) periodicky rozmístěných ve vakuu nebo v materiálu. Text je přehledně rozdělen na rešeršní studii problematiky a praktickou část.  Rešeršní část by si zasloužila více odkazů na literaturu zabývající se problematikou rozptylu světla. V praktické části porovnává extinkční spektra struktur získaná z počítačové simulace zlatých i stříbrných kuliček metodou konečných diferencí (komerčním softwarem Lumerical) s analytickým řešením vyzařování dipólů. V obou případech se objevil vznik stojatých elektromagnetických vln, jejichž rozptylové a absorpční účinnosti jsou znásobeny přítomností plazmonické rezonance. Protože by tohoto trendu mohlo být využito pro zvýšení účinnosti fotovoltaických zařízení, byl prostudován vliv poruchy periodického umístění kuliček i přítomnost rozhraní dvou dielektrik a jeho relativní polohy vzhledem k plazmonickým strukturám. Přestože se jedná spíše o teoretičtější práci (fotoaktivní medium bylo nahrazeno dielektrikem o indexu lomu 1.5), dosažené výsledky mohou velmi dobře napomoci k porozumění dané problematiky. Student nejenže splnil požadavky a cíle zadání, ale prokázal nebývale samostatný a tvůrčí přístup k řešení úkolů. Z těchto důvodů doporučuji bakalářskou práci k obhajobě a hodnotím ji výsledným klasifikačním stupněm výborně/A.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené vysledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací B
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
prof. RNDr. Petr Dub, CSc.

(Zkrácená verze posudku. Systém Teacher neumožňuje v posudku užívat symboly, bez nichž se posudek fyzikálních textů nemůže obejít! Rovněž dovolený rozsah je příliš omezující.)

Předložená práce svědčí o tom, že pan Hrtoň zvládl teoreticky poměrně obtížnou část fyziky, kde se setkává klasická elektrodynamika s fyzikou pevných látek, a k této oblasti přispěl zajímavými vlastními výsledky, které dokázal vhodně analyzovat, komentovat a interpretovat. Cíle uvedené v zadání práce zcela splnil.
První čtyři kapitoly předkládané práce představují úvod do problematiky (přitom jsou důsledně uváděny prameny, z nichž autor čerpal) a v 5. kapitole jsou uvedeny vlastní výsledky autora. Z uvedených výsledků je zřejmé, že kandidát musel s dobrým porozuměním prostudovat příslušnou literaturu, ovládnout výpočetní programy a provést velké množství časově náročných výpočtů a simulací. Sympatické je, že výklad v 5. kapitole (byť trochu „neučesaný“) ukazuje, jak student o problematice uvažuje: nespokojuje se s komentováním výsledků simulací, ale hledá vysvětlení pomocí názorných modelů, jež jsou dílem analyticky popsatelné.
Práce má přiměřený rozsah, je dobře strukturovaná, je napsána s porozuměním, úsporně (někdy až příliš), čtivě, kultivovaným jazykem s nemnohými pravopisnými a syntaktickými chybami a má dobrou grafickou úroveň.
Připomínky, výtky, dotazy a náměty k přemýšlení a diskusi: (výběr ze 33 bodů)
1.    Str. 8, 1. řádek pod nadpisem: „Ukazuje se, že …“ je začasté nevhodně užívané zaklínadlo. Uvedené tvrzení lze stručně objasnit (není nutné detailně zdůvodnit).
2.    Str. 9, obr. 2.2 a odstavec pod ním: (i) povrchové plazmony nelze nikdy excitovat „přímým osvětlením“, (ii) Dotaz: Co vyjadřuje část disperzní závislosti v obr. 2.2 pro frekvence větší než plazmová frekvence?
3.    Str. 11, pod obr. 3.2: veličiny W představují výkon.
4.    Str. 13: v (3.14) by místo c měla být fázová rychlost v prostředí odkopujícím kouli (srov. J. A. Statton, Teorie elektromagnetického pole, SNTL, Praha 1961, s. 421).
5.    Str. 15, obr. 3.4: (i) v popisu obrázku by bylo vhodné uvést, že Q bylo spočteno na základě Mieho teorie, (ii) Námět k diskusi: vzájemná poloha maxim ve frekvenčních závislostech koeficientů účinnosti absorpce, rozptylu a extinkce (srov. R. Fuchs, K. L. Kliewer, J. Opt. Soc. Am. 58 (1968), 319). Závislosti v obr. 3.4 byly spočítány pro dielektrickou funkci z obr. 5.2?
6.    Str. 17: v úvodu kapitoly by bylo vhodné zdůraznit, že se jedná o vlastní výsledky autora.
7.    Str. 19 a dále: v částech 5.2.1 a 5.2.2 se zřejmě klade  , mělo by být uvedeno.
8.    Str. 19, znění 1. odstavce pod obr. 5.3 je málo srozumitelné, zejména „… menší než vlnová délka“, o jakou vlnovou délku se jedná?
9.    Str. 22: Námět k diskusi: (i) konvergence řady v (5.2), (ii) přechod od (5.2) k (5.3) by měl být objasněn.
10.    Str. 27, v popisu obr. 5.13 a 5.14 by měly být uvedeny parametry kuliček.
11.    Str. 27 a 28, obr. 5.15 a 5.16: proč se volí R = 30 nm?
12.    Str. 30, obr. 5.15: (i) zasunutí obrázku mezi text a rovnice (5.18) je nešťastné, (ii) v popisu obrázku by měly být uvedeny parametry koule a odkaz na vztah (3.13).
13.    Str. 33: v (5.23) patří N2.
14.    Str. 34: v popisu obr. 5.23 by měly být parametry kuliček, i zde patří N2.
15.    Str. 34: Námět k diskusi: výpočet vlivu poruch by měl být podrobněji vysvětlen.
16.    Str. 34: charakterizace použitých přístupů, shrnutí a zhodnocení dosažených inspirativních výsledků a jejich diskuse by zasluhovaly větší prostor, než je jeden odstavec na konci této strany.

Závěrem lze konstatovat, že práce zcela splňuje požadavky kladené na bakalářskou práci a hodnotím ji známkou výborně.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. vysledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti C
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací B
Topics for thesis defence:
  1. Výpočet vlivu poruch by měl být podrobněji vysvětlen
  2. (i) Konvergence řady v (5.2), (ii) přechod od (5.2) k (5.3) by měl být objasněn.
  3. Diskutujte vzájemnou polohu maxim ve frekvenčních závislostech koeficientů účinnosti absorpce, rozptylu a extinkce (srov. R. Fuchs, K. L. Kliewer, J. Opt. Soc. Am. 58 (1968), 319). Závislosti v obr. 3.4 byly spočítány pro dielektrickou funkci z obr. 5.2?
  4. Co vyjadřuje část disperzní závislosti v obr. 2.2 pro frekvence větší než plazmová frekvence?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová