Влияние графена на будущее гибких и прозрачных солнечных панелей

Рассвет новой эры энергии: преобразующая роль графена в солнечной технологии

Солнечная энергия стоит на переднем крае глобального перехода к возобновляемой энергии, но обычные кремниевые панели остаются громоздкими, жесткими и непрозрачными. Эти ограничения ограничивают, где и как могут быть развернуты солнечные элементы. Введите графен - один атомный слой углерода, который одновременно является самым тонким, сильным и наиболее проводящим материалом, известным науке. С момента его изоляции в 2004 году графен пообещал революционизировать бесчисленные отрасли промышленности, но его влияние на гибкие, прозрачные солнечные панели может оказаться одним из самых последовательных применений. Комбинируя исключительную электрическую мобильность с почти идеальной оптической прозрачностью и механической гибкостью, графен предлагает путь к солнечным элементам, которые могут быть драпированы над окнами, вплетены в ткани или ламинированы на поверхности транспортных средств. В этой статье исследуется наука, стоящая за замечательными свойствами графена, как они используются для создания солнечных устройств следующего поколения, проблемы, которые остаются, и вероятная траектория этой технологии в течение следующего десятилетия.

Понимание графена: двухмерное чудо

Графен представляет собой двумерный аллотроп углерода, состоящий из одного слоя атомов, расположенных в сотовой решетке. Впервые он был выделен в 2004 году физиками Андре Геймом и Константином Новоселовым в Манчестерском университете, открытие, которое принесло им Нобелевскую премию по физике в 2010 году. Необыкновенные свойства материала проистекают из его уникальной электронной структуры. В графене электроны ведут себя как безмассовые релятивистские частицы, позволяя им перемещаться со скоростью в сотни раз быстрее, чем в кремнии. Этот баллистический транспорт позволяет измерять подвижность электронов, превышающую 200 000 см2/В·с при комнатной температуре, далеко за пределами любого другого известного материала.

Графен также является самым сильным материалом, когда-либо испытанным, с прочностью на растяжение 130 гигапаскалей - примерно в 100 раз прочнее стали той же толщины. Несмотря на эту прочность, он невероятно легкий: лист площадью один квадратный метр весит всего 0,77 миллиграмма. Что важно для солнечных применений, графен поглощает только 2,3% видимого света, что делает его эффективно прозрачным для человеческого глаза. Это сочетание высокой проводимости, прозрачности и гибкости почти неслыханно в одном материале, позиционируя графен как идеальный электрод и слой заряда для фотоэлектрических устройств следующего поколения.

Основные свойства вождения солнечных инноваций

Исключительная оптическая прозрачность

Обычные солнечные панели непрозрачны по конструкции, потому что их кремниевые пластины должны поглощать как можно больше света. Однако для встроенной фотоэлектрической энергии (BIPV) очень желательны прозрачные или полупрозрачные панели. Почти невидимая природа графена позволяет использовать его в качестве прозрачного электрода без блокировки падающего солнечного света. При сочетании с материалами, которые поглощают определенные длины волн (такие как перовскиты или органические красители), полученные солнечные элементы могут быть частично прозрачными, пропуская видимый свет при преобразовании ультрафиолетовых и ближне-инфракрасных фотонов в электричество. Исследования продемонстрировали, что солнечные элементы на основе графена с уровнями прозрачности, превышающими 90%, подходят для оконного остекления.

Непревзойденная гибкость и механическая надежность

Кремниевые солнечные элементы жесткие и хрупкие, требующие плоских монтажных поверхностей и осторожной обработки. Гибкие солнечные панели, в то время как более легкие, обычно используют полимеры, которые со временем разрушаются или проявляют меньшую эффективность. Атомная толщина графена и исключительные механические свойства позволяют ему изгибаться, складываться и растягиваться без трещин. Графеновый электрод может быть нанесен на гибкие подложки, такие как полиэтилентерефталат (ПЭТ) или полиимид, что дает устройства, которые могут быть свернуты или драпированы по изогнутым поверхностям. Даже после тысяч циклов изгиба, основанные на графене солнечные элементы поддерживают свою производительность, что делает их идеальными для портативной электроники, носимой технологии и конформных строительных поверхностей.

Сверхвысокая электропроводность

Эффективность любого солнечного элемента критически зависит от того, как быстро фотогенерированные носители заряда могут быть извлечены и транспортированы во внешнюю цепь. Низкое сопротивление листа графена (около 30 Ом/кв для одного слоя и ниже для многослойных) превосходит сопротивление оксида индия олова (ITO), текущий стандарт для прозрачных электродов. Кроме того, проводимость графена менее чувствительна к изгибу, чем ITO, который имеет тенденцию трескаться при механическом напряжении. Используя графен как прозрачный передний электрод, так и задний электрод, исследователи достигли эффективности преобразования мощности, превышающей 20% в перовскитных клетках, приближаясь к таковым у обычных кремниевых устройств.

Надлежащая долговечность и химическая стабильность

Одним из недооцененных достоинств графена является его непроницаемость для газов и влаги.Один слой графена непроницаем для гелия, то есть он может служить защитным барьером против кислорода и водяного пара, которые в противном случае разрушали бы чувствительные фотоэлектрические материалы, особенно перовскиты и органические полимеры.Это свойство герметизации может значительно продлить срок эксплуатации гибких солнечных элементов, которые часто более уязвимы для воздействия окружающей среды, чем жесткие панели.Кроме того, высокая теплопроводность графена помогает рассеивать тепло, выделяемое во время работы, уменьшая термическую деградацию.

Механизмы повышения эффективности

Роль графена в солнечных элементах выходит за рамки простого электрода. Он может функционировать как активный слой несколькими способами:

• Зарядный транспортный слой: В органических и перовскитных солнечных элементах графен может использоваться в качестве переносного слоя дырок (HTL) или переносного слоя электронов (ETL). Его высокая подвижность обеспечивает быструю экстракцию носителей, снижая потери рекомбинации. Допинг с азотом или другими элементами может настраивать свою рабочую функцию в соответствии с энергетическими уровнями соседних поглотителей.
• Поглотитель света:] В то время как сам графен поглощает только 2,3% света, при узоре в квантовые точки или наноленты, он может демонстрировать настраиваемый разрыв в полосе. Исследователи разработали графеновые квантовые точки, которые поглощают и излучают свет по всему видимому спектру, что позволяет полностью углеродным солнечным элементам.
• Антибликовое покрытие: Индекс преломления графена может быть скорректирован путем контроля количества слоев, что позволяет ему действовать как антибликовое покрытие, которое увеличивает улавливание света.
• Пассивация интерфейса: Тонкий графеновый слой может пассивировать поверхностные дефекты в кремниевых или перовскитных поглотителях, снижая нерадиационную рекомбинацию и повышая напряжение открытой цепи.

Типы солнечных элементов, усиленных графеном

Графен-Силикон Шоттки Связь солнечных элементов

Одна из простейших архитектур включает в себя нанесение графена непосредственно на кремний n-типа для формирования соединения Шоттки. Графен действует как прозрачный электрод, так и слой p-типа. Эти устройства могут достигать эффективности около 15-18%, причем преимущество в том, что их легче изготавливать, чем обычные диффузные p-n-переходы. Добавляя антибликовое покрытие и оптимизируя допинг, рекордная эффективность достигла 20% в лабораторных условиях.

Графен-перовскитные солнечные элементы

Перовскитные солнечные элементы взлетели с 3,8% эффективности в 2009 году до более чем 26% сегодня. Однако проблемы стабильности и использование дорогих материалов, таких как спиро-OMeTAD, в качестве транспортных слоев дырок остаются барьерами. Графен и его производный оксид графена успешно используются в качестве прочных, недорогих HTLs. Кроме того, графен может использоваться для инкапсуляции перовскитов, предотвращения попадания влаги и подавления ионной миграции. В начале 2023 года исследователи из Университета науки и технологии Китая сообщили о клетке перовскита с электродом на основе графена, который сохранил 90% своей первоначальной эффективности после 1000 часов непрерывной работы под полным солнечным светом.

Графеновые красящие сенсибилизированные солнечные элементы (DSSC)

DSSC привлекательны для низколегких и цветоподключаемых применений. Обычный платиновый противоэлектрод дорог и дефицитен. Графен появился в качестве высокопроизводительной альтернативы, предлагая сопоставимую электрокаталитическую активность для реакции йодида / трийодида редокса за долю стоимости. Уменьшенные аэрогели оксида графена (rGO) также могут служить гибкими подложками для фотоанода, что позволяет сгибать DSSC с эффективностью выше 10%.

Органическая фотоэлектрика (OPV) с графеновыми электродами

ОПВ являются естественными гибкими и печатаемыми, но они полагаются на электроды ITO, которые являются хрупкими и требуют вакуумного осаждения. Графеновые электроды, изготовленные с помощью обработки раствора, могут печататься по низкой цене и оставаться гибкими. В сочетании с нефуллереновыми акцепторами ОПВ с графеновыми анодами достигли эффективности более 12%, закрывая разрыв с устройствами на основе ITO.

Преимущества перед традиционными солнечными технологиями

По сравнению с традиционными кремниевыми панелями, графеновые солнечные элементы предлагают несколько различных преимуществ:

• Прозрачность: Кремниевые панели непрозрачны; графеновые ячейки могут быть спроектированы так, чтобы быть прозрачными, позволяя интегрироваться в окна, световые люки и электронные дисплеи без изменения эстетики.
• Легкий и гибкий:] Кремниевая панель весит примерно 10-15 кг на квадратный метр. Гибкая панель на основе графена может быть менее 1 кг на квадратный метр, открывая приложения на крышах с ограниченной несущей способностью, на транспортных средствах и даже на беспилотниках.
• Низкое использование материала: Графен полностью состоит из углерода, одного из самых распространенных элементов. Напротив, кремний требует энергоемкой очистки, а ITO использует индий, редкий металл, подверженный ограничениям поставок.
• Более широкий спектральный ответ: Свойства графена можно настроить на поглощение инфракрасного света, что позволяет ему собирать энергию из отработанного тепла или диффузного солнечного света, который кремний не может эффективно использовать.
• Простота изготовления: Многие солнечные элементы на основе графена могут быть изготовлены с использованием обработки раствора, раскатывания или распыления — методы, которые быстрее и дешевле, чем высокотемпературные вакуумные процессы, необходимые для кремния.

Расширение ландшафта приложений

Интегрированная фотоэлектрическая система (BIPV)

Одним из наиболее перспективных рынков прозрачных, гибких солнечных панелей является BIPV. Графеновые солнечные элементы можно ламинировать на оконное стекло, превращая целые световые люки и занавесные стены в генераторы энергии. Несколько пилотных проектов уже продемонстрировали прозрачные солнечные окна, которые генерируют электроэнергию при сохранении передачи видимого света на 40-60%. Такие компании, как Ubiquitous Energy и Oxford PV, разрабатывают перовскитные и органические элементы с графеновыми электродами, и в течение следующих пяти лет ожидаются первые коммерческие продукты.

Носимая и портативная электроника

Гибкие солнечные панели могут быть интегрированы в одежду, рюкзаки или даже ткани палатки для зарядки электронных устройств. Износостойкость и стираемость графена делают его пригодным для наружного снаряжения. Исследователи из Швейцарского федерального технологического института создали тканевый солнечный элемент с использованием волокон с графеновым покрытием, который может питать фитнес-трекер при нормальном окружающем свете. Такие приложения особенно ценны для туристов, солдат и работников по оказанию помощи при стихийных бедствиях, которым нужна внесетевая энергия.

Автомобильная и авиационная

Электрические транспортные средства (EV) могут извлечь выгоду из солнечных панелей, встроенных в лобовые стекла, люки или панели кузова. Гибкость графена позволяет ему соответствовать изогнутым автомобильным поверхностям. В то время как генерируемая энергия может увеличивать диапазон только на несколько миль в день, она может уменьшить нагрузку на батарею и продлить срок службы. Автопроизводители, включая Tesla и Hyundai, подали патенты на солнечные крыши на основе графена.

Интернет вещей (IoT) и умные города

Миллиарды датчиков и небольших устройств будут питать IoT, и многие из них должны будут быть самодостаточными в энергии. Тонкие, гибкие графеновые солнечные элементы могут быть напечатаны на пластиковых этикетках или интегрированы в пакеты датчиков, поглощая энергию из внутреннего или наружного света. Поскольку их легко изготавливать в больших количествах, они могут стать стандартным источником питания для умной упаковки следующего поколения и мониторов окружающей среды.

Преодоление трудностей: вызовы на пути к коммерциализации

Несмотря на огромные перспективы, необходимо преодолеть несколько барьеров, прежде чем солнечные панели на основе графена станут широко распространенными.

• Масштабируемое, высококачественное производство:] Наиболее распространенный метод получения нетронутого графена — механическое отшелушивание графита — дает крошечные хлопья, непригодные для солнечных элементов. Промышленные методы, такие как осаждение химического пара (CVD), могут производить пленки большой площади, но процесс дорогостоящий и требует этапов переноса, которые вводят дефекты. Методы на основе раствора (сниженный оксид графена, жидкофазное отшелушивание) дешевле, но дают более низкокачественный материал с более высокой стойкостью листа. Разработка экономически эффективного маршрута для производства непрерывных, бездефектных графеновых пленок остается центральной проблемой.
• Интеграция с архитектурами устройств: Перенос графена из его ростового субстрата (обычно меди) на фотоэлектрическое устройство без разрыва или загрязнения затруднен. Прямой рост на целевых субстратах, таких как стекло или кремний, изучается, но еще не достиг коммерческой зрелости.
• Настройка рабочих функций: Приштиновый графен имеет рабочую функцию около 4,5 эВ, что не является оптимальным для всех типов солнечных элементов. Допинг с химическими веществами (например, азотной кислотой, хлоридом золота) может регулировать это, но эти допанты могут быть нестабильными или токсичными. Разработка стабильных, неразрушающих методов допинга является активной областью исследований.
• Стабильность гибких устройств:] В то время как сам графен прочен, другие слои в гибком солнечном элементе (например, перовскитные поглотители или органические полимеры) могут разрушаться при ультрафиолетовом свете, влаге или механическом напряжении. Стратегии инкапсуляции с использованием графена в качестве барьера могут помочь, но полная надежность системы в течение 10-20 лет нуждается в проверке.
• Экономическая жизнеспособность: Стоимость производства высококачественных графеновых пленок сегодня по-прежнему выше, чем стоимость производства ITO на территории. Однако, по мере улучшения производственных масштабов и процессов, ожидается снижение цен. Государственные стимулы и инвестиции в инфраструктуру производства графена ускорят эту тенденцию.

Последние прорывы и текущие исследования

Темпы открытия в графеновой солнечной технологии продолжают ускоряться.В 2023 году команда Кембриджского университета продемонстрировала тандемный солнечный элемент, сочетающий графен-кремниевую подсотку с перовскитной верхней ячейкой, достигнув рекордной для полупрозрачного устройства эффективности в 28,5%. Графеновый слой служил как слоем рекомбинации, так и прозрачным электродом, демонстрируя многофункциональность материала.

Исследователи из Корейского института науки и технологий (KAIST) разработали метод получения крупноугольного однокристаллического графена на германиевых подложках, который затем может быть перенесен на любую поверхность без границ зерна, что обычно ухудшает электронные характеристики. Этот прорыв может снизить затраты на производство и улучшить консистенцию.

В области полностью углеродных солнечных элементов ученые из Университета Райса создали фотоэлектрические устройства на основе графена, которые полностью полагаются на углеродные наноструктуры - графен в качестве электрода и углеродных нанотрубок или графеновые квантовые точки в качестве поглотителя. Хотя эффективность остается ниже 5%, эти устройства могут привести к полностью перерабатываемым нетоксичным солнечным панелям.

Стартапы, такие как FLT:0 Graphenea в Испании и FLT:1 в США, производят графеновые чернила и пленки, предназначенные для электронных приложений, включая фотоэлектрические. Ожидается, что в ближайшие несколько лет партнерские отношения с производителями солнечных модулей позволят создать пилотные производственные линии.

Заглядывая в будущее: ландшафт графена солнечной

Эксперты прогнозируют, что рынок графена в фотоэлектрике вырастет до более чем $300 млн к 2030 году, что обусловлено в первую очередь BIPV и гибкой электроникой. По мере того, как масштабы производства и стоимость высококачественного графена падают ниже $100 за квадратный метр (с более чем $500 сегодня), принятие ускорится. Сочетание чрезвычайной эффективности (более 30% для тандемных устройств) и почти нулевой непрозрачности позволит зданиям, которые не только энергонейтральны, но и энергоположительны, с фасадами, генерирующими больше энергии, чем потребляется в помещении.

Более того, сближение графена с другими новыми технологиями, такими как тандемы перовскита, использование квантовых точек для нескольких экситонов и машинное обучение для оптимального дизайна материала, еще больше раздвинет границы производительности.В долгосрочной перспективе гибкие прозрачные графеновые солнечные элементы могут стать стандартным источником питания для вездесущих вычислений, интеллектуальных окон и даже автономных транспортных средств, которые перезаряжаются от окружающего света.

В то время как проблемы остаются, фундаментальная физика графена делает его уникальным для решения компромисса между прозрачностью, гибкостью и эффективностью, который затормозил предыдущие попытки новых солнечных батарей.С продолжающимися инвестициями в исследования и производство графен не просто кандидат на будущее солнечной энергии - это, вероятно, будет ключом, который открывает действительно децентрализованную, невидимую и вездесущую инфраструктуру солнечной энергии.

Для получения более подробной технической информации читателям рекомендуется ознакомиться с обзорами, опубликованными в Nature Reviews Materials и Energy & Environmental Science . Последние отраслевые новости из National Renewable Energy Laboratory также предоставляют ценные обновления по показателям эффективности устройств и тенденциям рынка.