עלייתו של Graphene ב- Building-Integrated Photovoltaics

סביבות עירוניות ניצבות בפני אתגר כפול: הגדלת הביקוש לאנרגיה והצורך להפחית פליטות פחמן.בניין-מאגד פוטו-וולטאיקים (BIPV) מציעים פתרון משכנע על ידי הפיכת המעטפות בנייה – כולל חזיתות, חזיתות וחלונות – בנכסים שיוצרים כוח.בין החומרים המניעים את הטרנספורמציה הזו, גרפן התפתח כשכבה אחורית של פחמן מסודרים ב- 130-CMI) ו-2,000 תכונות אופטיות אופטיות (מתאים ל- ⁇ ות) אופטיות (מתאים באופן טבעי) (מחדשניים) (מחדשניים) (משלבים) סיליקון) סיליקון) סיליקון) סיליקון) סיליקון) ו- סיליקון (מחדשניים במיוחד ל- סיליקון) (מחדשניים במיוחד ל-אונקמיים (מחדשניים (מחדשניים (מחדשניים) סגסוגת אופטיים) סיליקון) סיליקון) סיליקון) סיליקון) גולגולתיות אופטית) גולגולתיות אופטית) סיליקון) סיליקון) גולגולתאינטאריכות אופטית (מחדשניים (מחדשניים (מחדשניים (מחדשניים במיוחד ל-אונקולריבות אופטית) גולגולתאינטאריבית ייחודית,

הבנה: מבנה ונכסים

המאפיינים יוצאי הדופן של Graphene נובעים מהמבנה הקריסטלי הדו-ממדי שלו.כל אטום פחמן הוא sp2-hybridized, יצירת אג"ח חזק בתוך המטוס ומערכת מבוזרת-אלקטרונית המאפשרת ניידות גבוהה של נושא.מבנה אלקטרוני זה מאפשר גרפן לספוג אור על פני ספקטרום רחב תוך שמירה כמעט שקוף.

  • (FLT:0) שקיפות גבוהה ו מוליכות (FLT:1): Graphene יכול לשמש אלקטרודה התנהגות שקוף, החלפת תחמוצת טין אינפום (ITO) אשר הוא מטושטש, יקר, ודורש תנודה של ואקום.הגמישות של Graphene גם מאפשר להשתמש בו על תת-קרקעית מעוקלת או גמישה.
  • (FLT:0) מיצוי מטען חובה (Excellent Deposit Extracttured):1: הפונקציה העבודה שלה ( ⁇ 4.5-4.8 eV, Modifiable על ידי doping) וניידות גבוהה מאפשרת איסוף יעיל של האשמות פוטו-גנטיות, צמצום אובדן השיקום בתאי השמש.
  • (FLT:0Chemical and תרמי יציבות FLT:1: Graphene עמיד להשפלה תחת חשיפה UV וטמפרטורות גבוהות - חיוני עבור פריסה חיצונית לאורך עשרות שנים על פני השטח הבנייה.
"Graphene הוא לא רק חומר אחר; זה פלטפורמה שניתן להתאים אישית באמצעות doping, פונקציונליזציה, ושכבות כדי לעמוד בדרישות אופטיות, חשמליות ומכניות ספציפיות של BIPV." - ד"ר אנדריאה פרארי, Graphene Flagship Science ו- Technology Officer

תוצאות חיפוש ב Graphene- Based Photovoltaics

בחמש השנים האחרונות, המחקר עבר ממכשירי הוכחת-of-view לאבטיפוס עם יעילות תחרותית.ההתקדמות הבאה היא סלילת הדרך למוצרי BIPV מסחריים.

אלקטרודות טרנסנדנדות גמישות באמצעות Graphene

חלונות BIPV מסורתיים מסתמכים על זכוכית מוצפת ITO, אשר נוקשה ו נוטה לפצח. חוקרים מאוניברסיטת קיימברידג 'פיתחו שיטה להעביר גרפן באיכות גבוהה על תת-שכבות פולימרים גמישות באמצעות תהליך רול-to-roll. אלה אלקטרודות להשיג עמידות של גיליון מתחת 100 ⁇ /sq עם > 90% שקיפות - ניתן ל- ITO עם Bending עם 1 מ"מ משולבת ל - 000 תאים אורגניים.

עבודה נוספת בפרויקט Graphene Flagship הראה כי אלקטרודות גרפן ניתן לעשות עם חומצה חנקית או מתכת chlorides כדי להפחית את ההתנגדות גיליון ל 30 ⁇ /sq תוך שמירה על 90% שקיפות, מתקרב הביצועים של רשתות ננו-חוט כסף אבל עם יציבות סביבתית מעולה.

טכניקות Synthesis משופרות לייצור Cost-Effective

עלות גרפן הייתה היסטורית מחסום.שתי שיטות מציגות הבטחה לייצור איכותי ואיכותי:

  • (FLT:0Chemical vapor Deposition (CVDig)FLT:1: סרטים חד-שכבת גרפן עד 30 אינץ 'גדלו על תת-שכבות נחושת והועברו לזכוכית או פולימרנים.חידושים אחרונים כוללים תהליך "ארו-CVD" המקטין את זמן הצמיחה משעות עד דקות, חיתוך עלויות אנרגיה על ידי 60% חברות כמו Graeaphen ו- Applied Materials / גרף 100 / גרף עכשיו חומרים מתקדמים ל-PV2 / גרף 100 $ / גרף / גרף 100 $ / גרף / גרף / גרף / גרף / גרף / גרף / גרף $ 10 $ / גרף / גרף במהירות של 10 $ / גרף / גרף / גרף / גרף / גרף / גרף במהירות גבוהה יותר מ 10 $ / גרף / גרף / 2 / גרף / גרף / גרף / גרף במהירות גבוהה יותר מ 10 $ / גרף / גרף / גרף במהירות גבוהה יותר מ 10 $ / גרף / גרף / גרף / גרף במהירות של 10 $ / גרף במהירות גבוהה עבור 10 $ / גרף במהירות גבוהה עבור 10 $ 10 $ 10 $ / גרף /
  • (FLT:0) ליקוויד-phase exfoliation (LPE)FLT:1: עבור יישומים שבהם אחידות הסרט פחות קריטית, LPE מייצרת ננופליות בעלות נמוכה ( ⁇ $ 1/kg) עבור פורמולות דיו.הסימנים האלה ניתן להדפיס על זכוכית עבור שכבות פוטו-וולטאיות למחצה.

חומרים היברידיים: שילוב Graphene עם Perovskites, דוטס קוונטי, וסיליקון

Graphene עובד רק לעתים רחוקות; הוא משמש כשכבת תחבורה אחראית, ציפוי מגן, או משפר אור-אבינג בתאי הירוטיון.

  • (FLT:0Graphene-perovskite tandemeur תאים FLT:1: על ידי ערימה של תא perovskite פס רחב (bandgap 1.7-1.9 eV) על גבי תא heterojunction גרפן-סילייקון, צוותים באוקספורד PV ואוניברסיטת מנצ'סטר השיגו יותר מ -30% יעילות בתקני מעבדה בקנה מידה.
  • (FLT:0Graphene קוונטי dotssveFLT:1 ; חלקיקים גרף תלת מימדיים (2–20 nm) פועלים כמרכיבים מטה, סופגים פוטונים של UV באנרגיה גבוהה ו-remitting אור גלוי שניתן לתפוס על ידי תאים סיליקון. A 2023 מפגינים הראה עלייה יחסית של 12% ביעילות כאשר שכבת גרף קוונטית dot הוחלה על ידי מודולים מסחריים של ה-BI.
  • (FLT:0)Graphene oxide (GO) כשכבה של תעבורה אלקטרונים 1: מופחת GO, המיוצר באמצעות עיבוד פתרון, נעשה שימוש בתאי סולאריים פולימרים ללא פגע, השגת יעילות של המרה כוח העולה על 11% עם יציבות ארוכת טווח - דרישה קריטית למוצרי BIPV הצפויים להימשך 25 שנים.

חוקרים במעבדת האנרגיה הלאומית (NRELVER)FLT:1 הוכיחו גם כי ציפוי גרפן על תאי השמש הסיליקון להפחית את מהירות השיקום על פני השטח על ידי גורם של 100, המאפשר יעילות הגישות למגבלה ה Shockley-Queisser.

יתרונות לבניית מערכות משולבות

BIPV דורש יותר מאשר רק יעילות - הוא דורש חומרים שניתן לשלבם בצורה חלקה באלמנטים אדריכליים. photovoltaics מבוסס Graphene להצטיין במספר תחומים כי חומרים סולאריים מסורתיים אינם יכולים להתאים.

  • (ב) (ב) ⁇ :0) שקיפות וצבע טונינג'ה 1:1: על ידי שליטה במספר שכבות גרפן, עובי המכשיר, תוספת של ציפויים דיאלקטריים, השקיפות והצבע של החלון הסולארי ניתן לכוונון מכחול נייטרלי לכחול תוסס, ירוק או אדום, זה מאפשר לאדריכלים לשמור על הכוונה תוך יצירת כוח.
  • (FLT:0) ניהול ההרחבה של Graphene: מוליכות תרמית ( ⁇ 5000 W/mK) מסייעת לפירוק חום מהתא הסולארי, צמצום הטמפרטורה התפעולית ב-10-15 מעלות צלזיוס בתנאים חיצוניים. כי יעילות תאי הסיליקון יורדת ב-0.4–0.5% ל-C עלייה, יתרון תרמי זה יכול להניב 5–8% גבוה יותר אנרגיה בהשוואה למודולים סטנדרטיים.
  • (FLT:0) אורות אור-האורות של אור-החלל:1: אלקטרודות מבוססות Graphene ושכבות פעיל הן מיקרומטר-תין, המוביל למשקל הכולל מתחת 2 ק"ג / m2, כולל encapsulation. זה מקטין את הצורך בגגות מחזק ומאפשר התקנת לוחות מבניים קלים או אלומיניום מורכבים.
  • (FLT:0)Self-Clean Capabilitiesph:1; כאשר פונקציונלי עם קבוצות הידרופוביות, משטח גרפן מציג זווית מגע מים מעל 150 מעלות, המאפשרת גשם לשאת אבק ולכלוך. "אפקט טווס" זה מקטין את עלויות תחזוקה ושומר שקיפות לאורך החיים - יתרון מעשי בסביבות עירוניות מזוהות.
  • (FLT:0) רובוט מתחת ל-Harsh ConditionsFIRLT:1; בדיקות ההזדקנות המדוימות (85 מעלות צלזיוס/85% לחות יחסית במשך 2,000 שעות) מראות כי תאי perovskite המוקצים לשמור על 90% מהיעילות הראשונית שלהם, בעוד תאים לא מחוסנים לחלוטין.

אתגרים טכניים וקרנות מחקר

למרות ההתקדמות, יש להתגבר על כמה מכשולים לפני ה-BIPV מבוסס גרפן הופך למיינסטרים.

סקאביה של ייצור הסרטים של High-Quality Graphene

בעוד שייצור CVD השתפר, העברת סרטים גדולים מזרז נחושת למקד substrates (משקפיים, פולימרים) נוטה לקמטים, סדקים, וזיהום. פגמים אלה יוצרים נתיבים מרתיעים אשר להפחית את היעילות. פתרונות הנוכחיים כוללים "צמיחה ישירה" על זכוכית באמצעות פלסמה-enhanced CVD (PECVD), אשר מעבירה צעדים,26, אבל האיכות עדיין מועברת ל-1.52 מ-1.52 של סרטי F.

יציבות לטווח ארוך בתנאים ריאליים

רוב הנתונים של יציבות שפורסמו באים מבדיקות מעבדה באמצעות תאורה LED לבנה וטמפרטורה קבועה. Real BIPV ההתקנה להתמודד עם רכיבה תרמית מלאה, קרינת UV, עומס רוח, וגשם. חומרי קיבולת (למשל, ethyleneleneyl acetate) חייב להיות מותאם לעבודה עם אלקטרודות גרפין, ואת הממשק בין מגעים גרפין מתכת יכול להיות מלוכד לאורך זמן על חוקרים: FheFramalated עבור מערכת ההפעלה עצמית של 1Ren-R.

עלויות מחיר עם חומרים BIPV מסורתיים

מודולים מבוססי גרפן מבוססי BIPV עולים בערך 300-500 € למטר רבוע, בהשוואה ל- 100-200 € עבור זכוכית צבעונית קונבנציונלית או סיליקון סיליקון BIPV. העלות מונעת על ידי גרף גרף דגנים גבוהה ומכשירים נמוכים של קידוד באמצעות חישובים. Solutions כוללים עיבוד מהיר לגלגל עבור סרטי גרפן ו הדפסה של גרפן-ovskperite במודלים כלכליים.

שילוב עם קודי בנייה וסטנדרטים

בנייה משולבת של מוצרי שמש חייב לעמוד בבטיחות אש קפדנית (למשל, ASTM E119), בטיחות חשמלית (IEC 61730), וטעינה מבנית (Eurocode) התקנים המבוססים על Graphene לעתים קרובות להשתמש בחומרים חדשים (למשל, perovskites) כי אין נתונים הסמכה לטווח ארוך.com , כגון ה-TAtechnical Commission (IEC) הם כעת להרכיב קבוצות לפיתוח פרוטוקולים ספציפיים ל-BI-RTene עבור גרף הראשון עבור גרף הגרף ה- FL.

פרויקטים של אירועים וטייסים

כמה מתקנים בעולם האמיתי מפגינים את הפוטנציאל של BIPV מבוסס גרפן.

  • (FLT:0Graphene flagship Pilotship חלון, ברצלונה: חלון חכם 10 מ'2 על חזית המכון למדעי פוטוניקה (ICFO) משתמש אלקטרודות גרפן ותאים סולקויים ללא מנועים perovskite.החלון מייצר 180 Wp / m2 תוך שמירה על 40% גלויה שידור אור מאז 2023, הוא הראה ירידה של רק 2% בשנה - עם מגבלות בנייה מקובלות.
  • בניין סנטצ'י, גואנגשי, ChinacioFLT:1: בשנת 2024, מגדל משרדים בן 12 קומות היה נסוג עם לוחות BIPV , בחזית הדרומית-הצפופה שלה.הפאנלים, המיוצרים על ידי סטארט-אפ סיני Grabat, לשלב גרפן קוונטין גרפין במערכת סיליקון-מטרקס.
  • (FLT:0) Heliotrope, Freiburg, גרמניה ראט'ר 1: וילה זו של אפס אפס אנרגיה כוללת גג מעוקל מכוסה עם גרף גמיש מבוסס CIGS (כולל מחסנית אלומיניום lenide) מודולים.הגמישות של Graphene אפשרה למודולים כדי להתאים את צורתו החופשית של הגג ללא לוחות חיתוך, השגת 95% של המערכת יש כוח שיא של 15 קילוואט 18.5% יעילות.

עתיד Outlook ופוטנציאל השוק

שוק ה-BIPV העולמי מוערך ב-12.6 מיליארד דולר ב-2024 והוא צפוי לגדול בקצב שנתי מורכב של 19.3% להגיע ל-35.9 מיליארד דולר עד 2030, על פי FLT:0 View ResearchFLT:1 (טכנולוגיות מבוססות Graphene צפויות ללכוד נתח גדל, במיוחד בפערים מקודדות החלון, שם חומרים מסורתיים.

נהגים מרכזיים כוללים קודים אנרגיה קפדניים יותר בבניית אירופה ואסיה (למשל, ביצועי האנרגיה של האיחוד האירופי של האיחוד האירופי של הנחיות בנייה, מטרות בניין Net Zero אנרגיה), ירידה בעלויות הייצור של גרפן, וביקוש אדריכלי גדל לפתרונות אנרגיה נייטרליים מבחינה אסתטית. Graphene-BIPV מבוסס גם מיישר עם מגמות בערים חכמות שבהן בנייה הופכת לחלק פעיל של המיקרוגרידי, תקשורת עם מערכות ניהול אנרגיה.

עם זאת, המעבר ידרוש שיתוף פעולה בין מדענים חומריים, אדריכלים וגופים רגולטוריים.כפי שייצור בוגר, אנו יכולים לצפות כי טנדיס טנדסט-פרטוביט כדי לגשת ל 30% יעילות במודולים המסחריים של ה-BIPV עד 2030, עם רמות שקיפות מעל 50% - להפוך את החלונות לפרודוקטיביות כמו לוחות גג מסורתיים.

"ה-BIPV מבוסס Graphene אינו רק על יעילות – אלא על פתיחת אפשרויות אדריכליות.כאשר בניין יכול לייצר אנרגיה משלו ללא הקרבה של עיצוב, הגענו לקיימות אמיתית." ~ פרופ' שילה קנדי, מרכז גלובוס מתקדם ל-MIT עבור אורברומיאליזם מתקדם

מסקנה

photovoltaics מבוסס Graphene מייצג שינוי פרדיגמה עבור כוח סולארי מבוסס בנייה. על ידי שילוב של חשמל יוצא דופן, אופטי ומכני תכונות עם טכניקות סינתזה דרוגיות בקנה מידה ומערכות חומר היברידית, חוקרים ותעשייה הם מעלים את ההפקעות המסורתיות בין יעילות, שקיפות, ועמידות קיימא.ה התקדמות באלקטרודות שקוף, ייצור גרפן יעיל, אדריכלות היברידית כבר מונעים מן האינטגרציה המודרנית של המולקולות לא רק כדי למנוע את האינטגרציה יעילה, אלא אתגרים חזקים של פיתחו, אבל גרפים חזקים של גרפים, אבל גרפים יציבים, אבל גרפים חזקים, אבל גרפים, אבל גרפים יציבים של גרפים, לא יציבים של גרפים, אבל פיתחו פיתחו, לא יציבים של סוללות גרפים חזקים, אבל גרפים חזקים, אבל גרפים חזקים של גרפים יציבים של פיתחו, אבל פיתחו, אבל גרפים חזקים של פיתחו פיתחו פיתחו פיתחו גרפים חזקים של גרפים חזקים יותר, אבל גרפים מתקדמים של גרפים חזקים יותר, אבל פיתחו, אבל קוסמטיקה, אבל קוסמטיקה, אבל גרפים חזקים של גרפים חזקים של גרפים יציבים של גרפים יציבים, אבל גרפים יציבים של סוללות