השפעת גרפן על עתיד פאנלים סולאריים גמישים, טרנסג'נדרים

שחר עידן אנרגיה חדש: תפקידה של גראפן בטכנולוגיה סולארית

אנרגיה סולארית עומדת בחזית המעבר הגלובלי לאנרגיה מתחדשת, אך לוחות מבוססי סיליקון קונבנציונליים נשארים מלאי, קשיח, ואופיאק. מגבלות אלה מגבילות היכן וכיצד ניתן לפרוס תאים סולאריים. Enter גרפן - שכבה אטומית אחת של פחמן כי הוא בו זמנית הדק, חזק יותר, חומר התנהגותי ביותר הידוע למדע.

הבנה של Graphene: A Two-Dimensional Wonder

Graphene הוא דו-ממדי של פחמן, המורכב שכבת יחיד של אטומים מסודרים בלחיצות דבש.זה היה מבודד לראשונה בשנת 2004 על ידי פיזיקאים אנדרה גים וקונסטנטין נובורוב באוניברסיטת מנצ'סטר, גילוי שהרוויח אותם פרס נובל בפיזיקה בשנת 2010. המאפיינים יוצאי הדופן של החומר ממבנה האלקטרוני הייחודי שלו.

Graphene הוא גם החומר החזק ביותר שנבדק אי פעם, עם כוח רב-עוצמה של 130 ג'יגה-פרקליות - כ 100 פעמים חזק יותר מאשר פלדה של אותו עובי.למרות כוח זה, זה קל משקל מדהים: גיליון חד-ממדי שוקל רק 0.77 מיליגרם. Crucially עבור יישומים סולאריים, גרפן סופג רק 2.3% של אור גלוי, מה שהופך אותו למעשה שקוף לשכבה אנושית של שקיפות גבוהה, הוא כמעט שקיפות חומר אחד, כמו שקיפות, כמעט שקיפות גבוהה, כמעט שקיפות, כמו שקיפות, כמעט שקיפות, כמו שקיפות חומר אחד, כמעט שקיפות, כמעט שקיפות, כמעט שקיפות, כמעט סגסוגת כמעט גרף, כמעט שקיפות גבוהה, כמעט שקיפות, כמו שקיפות גבוהה, כמעט שקיפות, כמעט סגסוגת של סגסוגת של חומר אחד, כמעט סגסוגת של חומר אחד, כמעט שקיפות, כמעט שקיפות, כמעט שקיפות גבוהה, כמעט שקיפות, כמעט שקיפות גבוהה, כמעט סגסוגת כמעט סגסוגת של חומר אחד, כמעט שקיפות גבוהה, כמעט סגסוגת של סגסוגת של חומר אחד, כמעט שקיפות, כמעט שקיפות, כמו שקיפות, כמו שקיפות, כמעט שקיפות, כמעט סגסוגת של חומר אחד, כמו שקיפות

מפתחי מכונות לחדשנות סולארית

אפשרויות ל Optical Transparency

לוחות סולאריים קונבנציונליים הם עיצוב כי לוחות סיליקון שלהם חייב לספוג כמה שיותר אור.עם זאת, עבור בנייה מוקרן photovoltaics (BIPV), שקוף או חצי קידוד לוחות הם מאוד רצויים.טבע כמעט בלתי נראה של Graphene כמעט בלתי נראה מאפשר להשתמש בו כמו רמות אלקטרודה שקוף ללא שקיפות אור השמש. כאשר משולב עם חומרים כי סופגים אורכי גל ספציפיים (כגון percolorylglaites או תאים אורגניים), ניתן להציג אותם תאים חשופים, 000, 000, 000 מתאים יכול להיות הציגה, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 מתאים, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 מתאים, 000.

גמישות ללא תחרות ורובוסטנטיות מכנית

תאים סולאריים הסיליקון הם נוקשים וגלויים, הדורשים משטחים שטוחים וריפוי זהיר. לוחות סולאריים גמישים, בעוד קל יותר, בדרך כלל להשתמש פולימרים כי מחלחל לאורך זמן או להפגין יעילות נמוכה יותר. עובי האטומי של Graphene ונכסים מכניים יוצאי דופן מאפשרים לו להיותנד, קפל, למתוח ללא סדקים של מבנים חשמליים ניידים ניתן להפקיד על תת-שכבות גמישות כגון פוליאתן טטרופ (peeren) או ציפוי מגנטיים אלקטרוניקה אלקטרוניקה , אפילו על פני השטח שלהם, או גרורתיים אידיאליים אלקטרוניקה גרור אותם, אפילו על פני השטח גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף אלקטרוניקה אלקטרוניקה גרף גרף גרף גרף אלקטרודה יכול להיות מוטבעומים, גם גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף אלקטרוניקה גרף גרף גרף אלקטרוניקה גרף גרף יכול להיות מוטבעו יכול להיות מוטבעו, או גרף אלקטרודה יכול להיות מוטבעומים יכול להיות מודבקו יכול להיות מודבקים, גם גרף אלקטרוניקה אלקטרוניקה אלקטרוניקה גרף גרף גרף אלקטרוניקה

יעילות חשמלית גבוהה

היעילות של כל תא סולארי תלויה באופן ביקורתי על כמה מהר נושאי המטען photogenerated ניתן לחלץ ולהישלח אל המעגל החיצוני.התנגדות גיליון נמוך של Graphene (כ 30 ⁇ /sq עבור שכבה אחת, ונמוך עבור רב שכבתיים) עולה כי של תחמוצת הרכש tin (ITO), תקן הנוכחי עבור אלקטרודות שקוף יותר, מוליכות של גרפן הוא פחות רגיש ל- 20% לחץ על ידי סיליקון, 000 סיליקון, 000 סיליקון, 000 סיליקון מוקדם יותר מאשר תאים מכניים.

יכולת גבוהה ויציבות כימית

אחת מסגולותיה המכוסות של גרפן היא חוסר יכולתה של גזים ולחות. שכבה אחת של גרפן היא בלתי מזיקה ל-helium, כלומר היא יכולה לשמש מחסום מגן נגד חמצן וחוסמת מים אשר באופן אחר יהרוס חומרים פוטו-וולטאיים רגישים, במיוחד perovskites ופולימרים אורגניים. זה נכס אטומים hermetic יכול להאריך באופן דרמטי את חיי התפעוליים של תאים גמישים, אשר לעתים קרובות יותר מאשר גרף נוקשה יותר, מאשר גרף חום, אשר נוצר יותר, כמו גם פגום, כמו גם גרף חום.

מכניזם של שיפור ביצועים

תפקידו של גראפן בתאי השמש מתרחב מעבר להיות אלקטרודה פשוטה.הוא יכול לתפקד כשכבה פעילה בכמה דרכים:

• (FLT:0) שכבת תחבורה:FLT:1 בתאים סולאריים אורגניים perovskite, גרפן יכול לשמש שכבת הובלה חור (HTL) או שכבת הובלה אלקטרונים (ETL) הניידות הגבוהה שלה מבטיחה החילוץ מהיר של ספקים, צמצום אובדן ריבאונדציה. Doping עם חנקן או אלמנטים אחרים יכולים לכוון את תפקוד העבודה שלה כדי להתאים את רמות האנרגיה של סופגנים סמוכים.
• (FLT:0) Light סופג:FLT:1 בעוד גרפן עצמו סופג רק 2.3% אור, כאשר הוא מתדפס לתוך דוטים קוונטיים או ננוברים, הוא יכול להציג להקות טונה.חוקרים פיתחו דואטים קוונטיים גרפין סופגים פולטים ופלט אור על פני הספקטרום הנראה לעין, המאפשרים לכל תאי השמש.
• (FLT:0) ציפוי אנטי-פרילקטי: 1FLT:1 Graphene של אינדקס השבירה יכול להיות מותאם על ידי שליטה על מספר השכבות, ומאפשר לו לפעול כציפוי הצצה אנטי-rence אשר מגביר את המלכודת האור.
• (FLT:0) העברת פניות: 1FLT:1 שכבת גרפן דק יכול לעבור פגמים פני השטח בסיליקון או קולטנים perovskite, צמצום של recombination non-radiative ולהגדיל את המתח פתוח-circuit.

סוגים של תאים סולאריים של Graphene-Enhanced

Graphene-Silicon Schotky Junction סולרי תאים

אחת האדריכלות הפשוטות ביותר כוללת להפקיד גרפן ישירות על סיליקון מסוג n כדי ליצור צומת שאטקי. הגרפן פועל הן אלקטרודה שקוף והן שכבת p-type. מכשירים אלה יכולים להשיג יעילות סביב 15-18%, עם היתרון של להיות קל יותר כדי לייצר מאשר צומת p קונבנציונאלי. על ידי הוספת ציפוי אנטי-מסוג ו dopinging, יש יעילות 20% בהגדרות מעבדה.

גרפן-Perovskite Solar Cells

תאי השמש Perovskite כבר הטילו על 3.8% יעילות בשנת 2009 ליותר מ 26% היום, בעיות יציבות והשימוש בחומרים יקרים כמו spiro-OMeTAD כמו שכבות תחבורה החור נשאר מחסומים. Graphene ו תחמוצת הגרפן הנגזרה שלה הועסקו בהצלחה כמבצע חזק, נמוך עלות HTLs. יתר על כן, גרפן יכול לשמש כדי לנפץ perovskites, מניעת לחות ב תוקפנות ומדכאמור על ידי חוקרים ראשוניים של 2023 שעות של סרטן, לאחר מכן, על ידי מחקר מדעי הרוחבוקסום.

Graphene-based Dye-Sensitated סוללים (DSSCs)

DSSCs אטרקטיבי עבור יישומים קלים וצבע-לא ניתן לזיהוי. אלקטרודה נוגד הפלטינה הקונבנציונלית היא יקר ובקושי. Graphene התפתחה כחלופה ביצועים גבוהים, המציעה פעילות אלקטרו-קטליטית דומה עבור התגובה נוגדת iodide /triiodide Redox התגובה בשבריר של העלות. הקטנת ⁇ גרף (r) aerogels יכול לשמש גם כ גמיש עבור תת-סטריטים עבור photostring, המאפשרת תמונות, 000.

Photovoltaics (OPVs) עם Graphene אלקטרודות

OPVs הם גמישים וניתן להדפיס, אבל הם מסתמכים על אלקטרודות ITO כי הם מתפתלים ודורשים תנוחה של ואקום. Graphene אלקטרודות שבוצעו באמצעות עיבוד פתרון ניתן להדפיס בעלות נמוכה להישאר גמיש. כאשר בשילוב עם מקבלים שאינם נדרניים, OPVs עם גרפים גרפן anodes השיגו יעילות מעל 12%, סגרו את הפער עם מכשירים מבוססי ITO.

יתרונות על פני השמש

בהשוואה לפאנלים סיליקון מסורתיים, תאים סולאריים גרף מציעים כמה יתרונות נפרדים:

• (FLT:0) Transparency: FLT:1 לוחות הסיליקון הם ⁇ ; תאים מבוססי גרפן ניתן לתכנן כדי להיות לראות דרך, המאפשר שילוב לתוך חלונות, אורכי שמים, תצוגות אלקטרוניות מבלי לשנות אסתטיקה.
• (FLT:0 אור משקל וגמיש: FLT:1 A סיליקון פאנל שוקל בערך 10-15 ק"ג למטר רבוע. פאנל גמיש מבוסס גרפן יכול להיות פחות מ 1 ק"ג למ"ר, פתיחת יישומים על גגות עם יכולת עומס מוגבלת, על כלי רכב, ואפילו על מזל"טים.
• (FLT:0) השימוש בחומרי גלם: FLT:1 Graphene מורכב לחלוטין פחמן, אחד המרכיבים הרבים ביותר. לעומת זאת, סיליקון דורש טיהור אנרגיה-רגיש, ITO משתמש באינדיקצייום, נושא מתכת נדיר לאספקת מגבלות.
• (FLT:0) תגובה ספקטרלית של מנהיג: FLT:1 תכונותיו של גראפן ניתן לכוונון כדי לספוג אור אינפרא אדום, המאפשר לו לקצור אנרגיה מחום פסולת או שמש מטבולית שסיליקון לא יכול להשתמש ביעילות.
• (FLT:0)Ease of fabrication:FLT:1eur רבים צמחי השמש מבוססי גרפן יכולים להיות מיוצרים באמצעות עיבוד פתרון, הדפסה רול-to-roll, או ריסוס-קוטינג - שיטות מהירות וזולות יותר מאשר הטמפרטורות הגבוהות, תהליכים המבוססים על ואקום הדרושים לסיליקון.

הרחבת הנוף של היישום

תצלומים משולבים (BIPV)

אחד השווקים המבטיחים ביותר עבור לוחות סולאריים שקופה וגמישים הוא ה-BIPV. Graphene מבוססי תאים סולאריים ניתן להשחית על זכוכית החלון, להפוך אורכי מים שלמים וקירות וילונות לתוך גנרטורים כוח. פרויקטים של טייסים אחדים כבר הוכיחו חלונות סולאריים שקופה שיוצרים חשמל תוך שמירה על שידור אור גלוי של 40-60%.

אלקטרוניקה ואלקטרוניקה

לוחות סולאריים גמישים יכולים להשתלב בבגדים, תרמילים, או אפילו בדים אוהלים כדי לטעון מכשירים אלקטרוניים.העמידות של גראפן ושטיפתיות להפוך אותו מתאים להילוך חיצוני. חוקרים במכון הפדרלי השוויצרי לטכנולוגיה יצרו תא סולארי מבוסס בד באמצעות סיבים מבוססי גרפן שיכולה לנטרן כושר תחת אור מתואם.

רכב ותעופה

כלי רכב חשמליים (EVs) יכולים להפיק תועלת מפאנלים סולאריים המוטבעים ברוחות, סניורפים, או לוחות גוף. גמישותו של Graphene מאפשרת לו להתאים משטחי רכב מעוקלים. בעוד שהאנרגיה שנוצרת עשויה רק להתרחב בטווח של כמה קילומטרים ביום, זה יכול להפחית את העומס על הסוללה ולהרחיב את תוחלת החיים.

אינטרנט של דברים (IoT) וערים חכמות

מיליארדי חיישנים ומכשירים קטנים יאלצו את ה-IoT, ורבים יצטרכו להיות מסוגלים בעצמם באנרגיה.ד., תאים סולאריים גמישים של גרפן יכולים להיות מודפסים על תוויות פלסטיק או משולבים בחבילות חיישן, אנרגיה מתפתלת מהאור הפנימי או בחוץ. כי הם קלים למרקם בכמויות גדולות, הם יכולים להפוך למקור הכוח הסטנדרטי של הדור הבא של אריזות חכמות וצנטרים סביבתיים.

הרדלים הבאים: אתגרים בדרך לשיווק

למרות ההבטחה העצומה שלה, יש לטפל בכמה מחסומים לפני שפאנלים סולאריים מבוססי גרפן הופכים נפוצים.

• (FLT:0) ייצור באיכות גבוהה: ההרחבה: ההרחבה הראשונה של prise:0 (Scalable הפקה:0) ייצור גרגר prise:0.Scalation of Graite - מניבה פיתיקים זעירים שאינם מתאימים לתאי השמש.שיטות תעשייתיות כמו קידוד כימי (CVD) יכולות לייצר סרטים גדולים, אך התהליך הוא יקר וחייב שלבים המציגים פגמים המבוססים על ידי קוד זדוני (Frelimate Defposition) עם גרף חומרים גרורתיים יותר, אך ורק יותר, אך ורק יותר, אך הוא יעיל יותר, אך הוא יעיל יותר, אך הוא יעיל יותר, אך הוא יעיל יותר, אך הוא יעיל יותר, אך הוא יעיל יותר, אך הוא יעיל יותר, אך הוא יעיל יותר, אך הוא יעיל יותר, עם גרף, אך יעיל יותר, עם גרף, אך יעיל יותר, אך יעיל יותר, עם גרף, עם גרף, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, עם גרף, עם גרף, עם עלייה של סרט גרף, עם גרף, יעיל יותר, אך יעיל יותר, אך הוא עשוי לייצר סרטי גרף, אך הוא יעיל יותר, אך יעיל יותר, אך הוא עשוי לייצר סרטים, אך יעיל יותר, אך יעיל יותר,
• (FLT:0) אינטגרציה עם ארכיטקטורות מכשירים: קיד 1 (FLT:1) העברת גרפן מן המצע הגדל שלה (בדרך כלל נחושת) על מכשיר פוטו-וולטאי ללא קרע או זיהום קשה.
• (FLT:0) הפונקציה tuning:FLT:1 פריסטין גרפן יש פונקציה עבודה סביב 4.5 eV, אשר אינו אופטימלי עבור כל סוגי התאים הסולאריים. doping עם כימיקלים (למשל, חומצה חנקית, שמן זהב chloride) יכול להתאים את זה, אבל אלה dopants עשוי להיות לא יציב או רעיל.
• (FLT:0) יכולת של מכשירים גמישים:FLT:1hil בעוד גרפן עצמו עמיד, השכבות האחרות בתא סולארי גמיש (כגון סופגנים perovskite או פולימרים אורגניים) עלולות להתפוגג תחת אור UV, לחות, או מתח מכני. Encapsulation אסטרטגיות באמצעות גרפן כמכשול יכול לעזור, אבל אמינות מערכת מלאה מעל 10-20 שנים צריך אימות.
• (FLT:0)כדאיות ארגונומית: FLT:1 העלות של הפקת סרטי גרפן איכותיים היום היא עדיין גבוהה יותר מאשר של ITO על בסיס חד-שטח.עם זאת, כמו בקנה מידה ייצור ותהליכים לשפר, המחירים צפויים לרדת.

תוצאות חיפוש ו- Onמתמשכים Research

קצב הגילוי בטכנולוגיית השמש גרפן ממשיך להאיץ.ב-2023, צוות באוניברסיטת קיימברידג' הדגים תא סולארי טנדם המשלב תת-מין גרפין-סילייקון עם תא עליון perovskite, השגת יעילות של 28.5% למכשיר סמי-סמית'. שכבת הגרפן שימשה גם כשכבה ריבונית וכאלקטרודה שקוף, המדגימה את הפונקציונליות של החומרית.

חוקרים במכון המתקדם של קוריאה למדע וטכנולוגיה (KAIST) פיתחו שיטה לייצור גרפן חד-גזעי יחיד על תת-קרקעית גרמניה, אשר ניתן להעביר לאחר מכן לכל משטח ללא גבולות דגנים שבדרך כלל מקטין ביצועים אלקטרוניים.

בתחום של כל תאי השמש פחמן, מדענים באוניברסיטת רייס יצרו מכשירים פוטו-וולטאיים מבוססי גרפן, אשר מסתמכים לחלוטין על ננו-מבני פחמן - גרפן כמו אלקטרודה וננו-פחמי פחמן או דואטים קוונטיים גרפין כמו הספג. בעוד יעילות נשארת מתחת ל-5%, מכשירים אלה יכולים להוביל לפאנלים סולאריים ללא תשלום לחלוטין.

מאמצים בתעשייה גם הם עולים.סטארטאפים כמו FLT:0GrapheneaFelo 1 בספרד ו-FLT:2XG מדעי ההרחבה 3 בארה"ב מייצרים אסימונים גרפיים וסרטים המותאמים ליישומים אלקטרוניים, כולל פוטו-וולטאיקים.

מבט לאחור: הנוף העתידי של Graphene Solar

מומחים מעריכים כי השוק עבור גרפן בפוטוטאיקים יגדל ליותר מ-300 מיליון דולר עד 2030, מונע בעיקר על ידי BIPV ואלקטרוניקה גמישה.כפי שקשקשים הייצור ועלות גרפן באיכות גבוהה נופל מתחת ל-100 דולר למ"ר (מיותר מ-500 דולר היום), אימוץ יאץ.שילוב של יעילות קיצונית (מעל 30% עבור מכשירים טעונים) ו- אפסיתות קרובה יאפשרו מבנים שאינם רק אנרגיה גרעינית, אלא עם חזיתות פנימית.

יתר על כן, ההתכנסות של גרפן עם טכנולוגיות מתפתחות אחרות כגון perovskite tandems, קוונטי dot רותם של קטעים מרובים, ולמידה מכונה עבור עיצוב חומרי אופטימלי ידחוף את גבולות הביצועים יותר לטווח הארוך, תאים סולאריים גמישים, שקוף יכול להפוך למקור הכוח הסטנדרטי עבור מחשוב ubitous, חלונות חכמים ואפילו כלי רכב אוטונומיים כי לטעון מחדש מן האור.

בעוד אתגרים נשארים, הפיזיקה הבסיסית של גרפן עושה את זה מתאים ייחודי לפתרון הסחר בין שקיפות, גמישות ויעילות כי יש פיגור ניסיונות קודמים של תאים סולאריים חדשים.עם המשך השקעה במחקר וייצור, גרפן אינו רק מועמד לעתיד של אנרגיה סולארית - זה כנראה המפתח כי פותח באמת מבוזר, בלתי נראה, תשתיות כוח סולארית בכל מקום.

(ב) למידע טכני מפורט יותר, קוראים מעודדים להתייעץ עם ביקורות שפורסמו ב-FLT:0) חומרים ביקורות טבע חומרים (FLT:1 ו-FLT:2Energy & Environmental ScienceBuildFLT 3: The האחרון בתעשייה חדשות מן ה-FLT:4 National Renewable Energy LaboratoryFLT:5 גם מספק עדכונים חשובים על רשומות יעילות מכשירים ומגמות בשוק.