Использование графена в фотовольтаике

1. Углеродный слой
2. Особенности графена
3. Графен в клетках третьего поколения

Основными особенностями графена, которые говорят об использовании его в производстве солнечных панелей, являются, несомненно, его долговечность, высокая электропроводность и очень хорошее оптическое пропускание.

Теоретически мы знаем о происхождении графена с 1950-х годов. Однако до 2004 года научное сообщество ставило под сомнение появление двумерного графена в природе. В 2004 году простой эксперимент изменил внешний вид этого уникального материала. Андре Гейм и Константин Новоселов доказали существование двумерного графена благодаря своему опыту с лентой.

Липкая лента была применена учеными для графита. Постепенно они удаляли слои друг от друга, так что в конце концов на полосе остался только один слой одного атома. Казалось бы, банальный опыт позволил ученым получить Нобелевскую премию в 2010 году.

Углеродный слой

В графене мы можем наблюдать гексагональное расположение атомов и плоский одноатомный углеродный слой. Интерес к этому материалу связан с его свойствами выше среднего. Его теплопроводность составляет от 4800 до 5300 Вт / (м * К). Для сравнения, теплопроводность для серебра составляет всего 429 Вт / (м * К).

При комнатной температуре он обладает высокой подвижностью электронов μ ≈ 200 000 см² / (В * с). Он имеет гораздо более высокую прочность на разрыв по сравнению, например, со сталью, и составляет 130 ГПа. С точки зрения фотовольтаики очень важной особенностью материала является возможность преобразования солнечных лучей в энергию. Ученые показали, что один фотон может выбить более одного электрона.

Особенности графена

Основными особенностями графена, которые говорят об использовании его в производстве солнечных панелей, являются, несомненно, его долговечность, высокая электропроводность и очень хорошее оптическое пропускание. Клетки на основе графена будут способны поглощать свет всего спектра солнечного спектра. Рассмотрим изменения, которые могут произойти при замене кремния, происходящих в фотоэлектрических панелях на графен.

Суть работы фотоэлектрических модулей заключается в производстве постоянного тока, который преобразуется с помощью инвертора переменного тока, которым мы можем питать стандартные бытовые приборы. В панелях ток создается путем поглощения фотона через кремниевую пластину и разрушения электронов. Это движение является постоянным электрическим током. Стандартная конструкция панелей позволяет преобразовывать один фотон в один электрон. Исследования, проведенные институтом ICFO в Испании, прямо говорят об огромном потенциале графена в фотовольтаике. Показания настолько оптимистичны, что можно предположить, что максимальная эффективность ячейки может составлять около 60%.

Рис. 2. Изображение трехмерного сотового графена (www.sciencedaily.com).

Ученые Марк Глуба и Норберт Никель провели эксперимент, в ходе которого графин поместил графен на стеклянную пластину, а затем покрыл его кремнием в двух разных вариантах. Первый вариант заключался в покрытии аморфным кремнием, а второй - поликристаллическим кремнием. Результаты оказались удивительными, потому что, несмотря на нагрев слоя кремния, оказалось, что первый слой графена практически сохраняет все свои свойства, даже если он покрыт. Исследования показали, что подвижность зарядов в графеновом слое в 30 раз выше, чем в обычном слое из оксида цинка.

Графен в клетках третьего поколения

Ячейки третьего поколения можно назвать такими, которые лишены традиционных полупроводниковых разъемов. К третьему поколению ячеек относятся клетки на основе полимеров и DSSC ( сенсибилизированные красителем солнечные элементы ). Клетки DSSC можно сравнить с растениями, потому что они содержат краситель, который действует подобно хлорофиллу. Разница заключается в продукте - на растениях мы получаем сахар, а в клетках - электричество. Элементы третьего поколения в настоящее время занимают небольшой процент производства на солнечном рынке.

DSSC, или ячейки, состоящие из наноклеток, содержащих краситель, способны работать с обеих сторон в отраженном и рассеянном свете. Клетки этого типа очень гибкие и тонкие. Эта особенность позволяет устанавливать их на плоских стеклянных поверхностях, еще одним преимуществом является то, что они также эффективны в отличие от ячеек старого поколения в частично затененных областях благодаря своей конструкции. Несмотря на описанные преимущества, третье поколение имеет один принципиальный недостаток, а именно - одним из основных компонентов этих клеток является платина. Стоимость платины составляет около 1500 долларов за унцию.

Стоимость производства панелей третьего поколения с использованием платины очень высока, что обусловливает низкий интерес к этой технологии с экономической точки зрения. Альтернативой платине, а значит и - для клеток третьего поколения, может стать графен. Исследователи Юн Ху Ху и Кэролл Макартур обнаружили, что платину можно заменить графеном, не теряя эффективности преобразования электричества. Однако для этого изменения вам понадобится графен в 3D-форме. Известный 2D-графен не будет работать в этой солнечной модели.

Чтобы получить трехмерную структуру, ученые провели ее синтез инновационным способом. В их реакции монооксид углерода и оксид лития были объединены. Продуктами этого превращения были карбонат лития и графен. Кроме того, карбонат лития оказался продуктом, способствующим процессу получения графена в трехмерной структуре, потому что он изолировал листы графена друг от друга, что фактически позволяло случайное неправильное сочетание графена во многих плоскостях.

Оказалось, что карбонат лития удаляется без проблем с помощью кислоты из трехмерной структуры графена. Исследования эффективности графеновых элементов, которые заменили платину, показали, что новый тип преобразовал 7,8% солнечной энергии в электричество. Для сравнения, при использовании платины трансформируется 8% солнечной энергии, поэтому разница невелика.

Лукаш Хечман

Рис. 1. Стеклянная пластинка, покрытая графеном и кремнием в эксперименте Glauby (www.helmholtz-berlin.de).

Похожие