Достижения в области графеновой фотоэлектрики для интегрированных солнечных энергетических систем

Рост графена в интегрированной фотоэлектрической системе

Городские среды сталкиваются с двойной проблемой: увеличение спроса на энергию и необходимость сокращения выбросов углерода. Интегрированная в здания фотоэлектрическая энергия (BIPV) предлагает убедительное решение, превращая строительные оболочки - крыши, фасады и окна - в энергогенерирующие активы. Среди материалов, приводящих к этой трансформации, графен появился в качестве лидера. Один слой атомов углерода, расположенный в шестиугольной решетке, графен сочетает в себе необычайную электрическую проводимость (до 200 000 см2 / В·с), оптическую прозрачность (97,7% передачи видимого света) и механическую прочность (силовая прочность 130 ГПа). Эти свойства делают его уникальным для фотоэлектрических применений, где традиционные непрозрачные кремниевые панели не дотягивают. Последние достижения в синтезе графена, архитектуре устройства и гибридных системах материалов ускоряют интеграцию солнечных элементов в здания без ущерба для эстетики или структурной целостности.

Понимание графена: структура и свойства

Замечательные характеристики графена проистекают из его двумерной кристаллической структуры. Каждый атом углерода является sp2-гибридизованным, образуя сильные σ связи в плоскости и делокализованную π-электронную систему, которая обеспечивает высокую мобильность носителя. Эта электронная структура позволяет графену поглощать свет в широком спектре, оставаясь при этом почти прозрачным. Для приложений BIPV три свойства особенно важны:

• Высокая прозрачность и проводимость: Графен может служить прозрачным проводящим электродом, заменяя оксид индия-олова (ITO), который является хрупким, дорогим и требует вакуумного осаждения. Гибкость графена также позволяет использовать его на изогнутых или гибких подложках.
• Отличная экстракция заряда : его рабочая функция (≈4,5-4,8 эВ, изменяемая допингом) и высокая мобильность носителей позволяют эффективно собирать фотогенерированные заряды, уменьшая потери рекомбинации в солнечных элементах.
• Химическая и термическая стабильность : Графен устойчив к деградации при воздействии ультрафиолета и высоких температурах — это необходимо для многолетнего наружного развертывания на поверхностях зданий.

«Графен — это не просто другой материал; это платформа, которую можно настроить с помощью допинга, функционализации и наслоения для удовлетворения конкретных оптических, электрических и механических требований BIPV», — сказал Андреа Феррари, сотрудник по науке и технологиям Graphene Flagship.

Последние прорывы в графической фотоэлектрике

За последние пять лет исследования перешли от устройств, подтверждающих концепцию, к прототипам с конкурентоспособной эффективностью. Следующие достижения прокладывают путь для коммерческих продуктов BIPV.

Гибкие прозрачные электроды с использованием графена

Традиционные окна BIPV полагаются на стекло с ITO-покрытием, которое является жестким и подверженным растрескиванию. Исследователи из Кембриджского университета разработали метод переноса графена большой площади на гибкие полимерные подложки с использованием процесса рулон-к-ролл. Эти электроды достигают сопротивления листа ниже 100 Ом/кв с прозрачностью > 90% - сопоставимо с ITO, но с радиусами изгиба до 1 мм. При интеграции в органические фотоэлектрические элементы устройства сохранили 96% своей первоначальной эффективности после 1000 циклов изгиба, демонстрируя долговечность, необходимую для изогнутых фасадов и световых люков.

Дальнейшая работа над проектом Graphene Flagship показала, что графеновые электроды можно легировать азотной кислотой или металлическими хлоридами, чтобы уменьшить сопротивление листа до 30 Ом / кв.м., сохраняя при этом прозрачность на 90%, приближаясь к производительности нанопроводных сетей серебра, но с превосходной стабильностью окружающей среды.

Улучшенные методы синтеза для экономически эффективного производства

Стоимость графена исторически была барьером. Два метода теперь показывают перспективу масштабируемого, высококачественного производства:

• Химическое осаждение паров (CVD) : Однослойные графеновые пленки до 30 дюймов по диагонали выращивались на медных подложках и переносились на стекло или полимер. Недавние инновации включают процесс «быстрого CVD», который сокращает время роста от часов до минут, сокращая затраты на энергию на 60%. Такие компании, как Graphenea и Applied Graphene Materials, теперь предлагают графеновые пленки класса BIPV по ценам ниже 100 долларов США / м2, двигаясь к цели 10-20 долларов США / м2 для коммерческой жизнеспособности.
• Отслоение жидкостной фазы (LPE) : Для приложений, где однородность пленки менее критична, LPE производит графеновые нанопласты по низкой цене (~$1/кг) для чернильных составов. Эти чернила могут быть напечатаны на экране на стекле для полупрозрачных фотоэлектрических слоев. В исследовании 2024 года в Nature Energy сообщалось, что перовскитные солнечные элементы на основе LPE достигают 18% эффективности с 50% прозрачностью — рекорд для полупрозрачных устройств.

Гибридные материалы: комбинирование графена с перовскитами, квантовыми точками и кремнием

Графен редко работает в одиночку; он служит в качестве переносного слоя заряда, защитного покрытия или светопоглощающего усилителя в гетеропереходных клетках.

• Графенперовскитные тандемные ячейки: Укладывая широкополосную перовскитную ячейку (bandgap 1,7-1,9 эВ) поверх графен-кремниевой гетеропереходной ячейки, команды из Оксфордского фотоэлектрического университета и Манчестерского университета достигли более 30% эффективности в лабораторных устройствах. Графеновый интерлейер уменьшает рекомбинацию интерфейса и улучшает извлечение дырок.
• Графеновые квантовые точки: Нулевые графеновые фрагменты (2-20 нм) действуют как понижающие преобразователи, поглощая высокоэнергетические УФ-фотоны и повторно излучая видимый свет, который может быть захвачен кремниевыми клетками. Демонстрация 2023 года показала относительное увеличение эффективности на 12%, когда графеновый слой квантовой точки был применен к коммерческим модулям BIPV.
• Оксид графена (GO) в качестве переносного слоя электронов : Уменьшенный ГО, полученный путем обработки раствора, использовался в инвертированных полимерных солнечных элементах, достигая эффективности преобразования энергии, превышающей 11%, с отличной долгосрочной стабильностью — критическое требование для продуктов BIPV, ожидаемое для 25+ лет.

Исследователи из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) также продемонстрировали, что графеновые покрытия на кремниевых солнечных элементах снижают скорость рекомбинации поверхности в 100 раз, обеспечивая эффективность, которая приближается к пределу Шокли-Квейсера.

Преимущества для интегрированных систем зданий

BIPV требует больше, чем просто эффективности — для этого нужны материалы, которые можно легко интегрировать в архитектурные элементы. Фотоэлектрические элементы на основе графена превосходят в нескольких областях, которые традиционные солнечные материалы не могут соответствовать.

• Прозрачность и цветовая настройка: Контролируя количество слоев графена, толщину устройства и добавление диэлектрических покрытий, прозрачность и цвет солнечного окна можно настроить от нейтрально-серого до ярко-синего, зеленого или красного. Это позволяет архитекторам поддерживать намерение дизайна при генерации энергии. Прототип 2024 года от Onyx Solar и партнеры Graphene Flagship достигли 20% энергоэффективности с 40% видимой передачей света и однородным бронзовым оттенком.
• Теплопроводность : Теплопроводность графена (~5000 Вт/м·К) помогает рассеивать тепло от солнечного элемента, снижая рабочую температуру на 10-15 °C в условиях наружного воздуха. Поскольку эффективность кремниевых элементов снижается на 0,4-0,5% на повышение °C, это тепловое преимущество может дать на 5-8% больше годовой выходной энергии по сравнению со стандартными модулями.
• Структурная легкость: Электроды на основе графена и активные слои имеют микрометровую толщину, что приводит к общей массе устройства ниже 2 кг/м2, включая инкапсуляцию. Это снижает потребность в усиленной кровле и позволяет устанавливать на легкие конструкционные стеклянные или алюминиевые композиционные панели.
• Возможности самоочистки : При функционализации с гидрофобными группами поверхности графена демонстрируют угол контакта с водой, превышающий 150 °, что позволяет дождю уносить пыль и грязь. Этот «эффект лотоса» снижает затраты на техническое обслуживание и сохраняет прозрачность в течение всего срока службы — практическое преимущество в загрязненных городских условиях.
• Жесткость в суровых условиях: Ускоренные тесты на старение (относительная влажность 85 °C/85% в течение 2000 часов) показывают, что графен-инкапсулированные перовскитные клетки сохраняют 90% своей первоначальной эффективности, тогда как неинкапсулированные клетки полностью деградируют. Непроницаемость графена для газа и влаги обеспечивает почти идеальный барьер против экологических злоумышленников.

Технические вызовы и направления исследований

Несмотря на эти достижения, необходимо преодолеть несколько препятствий, прежде чем BIPV на основе графена станет основным.

Масштабируемость высококачественного производства графеновых пленок

В то время как производство CVD улучшилось, перенос крупнотоннажных пленок из медного катализатора в целевые субстраты (стекло, полимер) подвержен морщинам, трещинам и загрязнению. Эти дефекты создают маневровые пути, которые снижают эффективность. Текущие решения включают «прямой рост» на стекле с использованием CVD с увеличенной плазмой (PECVD), что устраняет этапы переноса, но качество по-прежнему уступает переданным пленкам. Дорожная карта Graphene Flagship 2023 года поставила цель достичь > 95% выхода для пленок 1 м2 с дефектами менее 5% к 2026 году.

Долгосрочная стабильность в реальных условиях

Большинство опубликованных данных о стабильности поступают из лабораторных тестов с использованием белого светодиодного освещения и постоянной температуры. Реальные установки BIPV сталкиваются с суточным тепловым циклом, УФ-излучением, ветровой нагрузкой и дождем. Инкапсулирующие материалы (например, этилен-винилацетат) должны быть оптимизированы для работы с графеновыми электродами, а интерфейс между графеновыми и металлическими контактами может корродировать с течением времени. Исследователи из Института Фраунгофера для систем солнечной энергии разрабатывают самозаживляющиеся электрические контакты на основе графена, которые восстанавливают проводимость после образования микротрещин.