Графеновые солнечные панели структура

Солнечные батареи из графена: что это такое, плюсы и минусы

Дата публикации: 19 января 2020

Альтернативная энергия интересует всё больше учёных и простых пользователей. И это замечательно — чем больше интереса к отрасли, тем более доступной и развитой она становится. Возможно, в ближайшем будущем нас ждёт прорыв — появление графеновых солнечных панелей.

Что такое графен

Графен — это относительно новый материал. Впервые учёные смогли получить его в 2004 году, хотя теоретически возможность его существования была доказана еще в 1947 году. Особенность этого материала — двумерность. Графен — это гексагональная кристаллическая решётка толщиной в один атом. Что это даёт нам в практическом плане?

Графен обладает рекордной теплопроводностью и высокой механической жёсткостью. Он гибок и тонок (толщина слоя графена — всего один атом), но очень прочен. Его изготовление относительно дёшево: предсказывают, что он заменит другие материалы благодаря своей низкой себестоимости. Например, предполагается, что графен вскоре будет применяться вместо кремния в интегральных микросхемах.

Но ведь солнечные панели тоже делают из кремния! Производители солярных панелей уже обратили внимание на этот материал. Как оказалось, он вполне пригоден для создания солнечных батарей, и в некоторых аспектах даже превосходит привычный кремний. Первые разработки солнечных панелей из графена начались ещё в 2013 году. На массовом рынке их пока нет — изучение материала всё ещё активно продолжается.

За открытие графена двое американских учёных российского происхождения, Андрей Гейм и Константин Новосёлов, были удостоены Нобелевской премии.

Графеновые солнечные батареи

Панели из графена пока не вышли на массовый рынок. Их разработкой и исследованием занимаются, в частности, учёные Калифорнийского университета. В прессе регулярно мелькают новости об открытии новых свойств графена, которые позволят сделать солярную систему из них ещё эффективнее. Но уже сейчас можно сделать некоторые выводы об их преимуществах и недостатках.

Плюсы

Графен — очень дешёвый материал по сравнению с кремнием. Его получают, расщепляя графит. Есть несколько методов получения графена, и все они дёшевы. Поэтому такие солнечные панели должны окупаться значительно быстрее, чем традиционные кремниевые батареи.

Важный плюс графена — его гибкость. Льюис де Арко, занимающийся исследованием его свойств и возможных применений, предположил, что в ближайшем будущем из графена будут делать умные шторы и одежду. Для солнечных панелей гибкость — большой плюс. Такую панель можно складывать, сворачивать, даже комкать — она не потеряет своих свойств. Представьте тонкий прозрачный материал, который генерирует электроэнергию из солнечных лучей — именно так и будут выглядеть графеновые панели в массовом производстве (по словам учёных Калифорнийского университета).

Кстати, о прозрачности. Графен, будучи решёткой толщиной в один атом, — полупрозрачный материал. Это значит, что его можно устанавливать, например, на окна, на декоративные элементы дома (помним о гибкости), на черепицу. Прозрачная графеновая плёнка будет выглядеть эстетичнее, чем привычные кремниевые блоки.

Ещё одна интересная особенность графена — поглощение света любой частоты, в том числе вне видимого спектра. Кьонг Ма, одна из учёных-физиков Массачусетского технологического института, сообщает, что её команда продолжает изучать широту воспринимаемого диапазона. Возможно, новый материал сможет преобразовывать в электроэнергию не только световые, но и другие волны.

Минусы

Главный минус графеновых батарей — малая изученность материала. На начало 2020 года применение графена ещё находится на начальной стадии научно-исследовательских разработок, и это касается не только солнечных панелей. Когда первые батареи появятся в массовой продаже, их стоимость будет завышена из-за новизны технологии. Но, когда производство наладится, цены снизятся.

По эффективности кремниевые панели пока тоже превосходят солнечные батареи из графена. 1000 Вт света Солнца традиционные кремниевые батареи могут преобразовать в 14 Вт электроэнергии, а графеновые прототипы — лишь 1,3 Вт. Но считается, что за счёт дешевизны, широкого воспринимаемого диапазона и гибкости графеновые батареи догонят кремниевые по соотношению «цена — производительность».

• Солнечная энергетика захватывает новые стихии
• Красота в деталях: солнечные батареи для клавиатуры и ноутбуков
• Раз, два, три….расчет произвели…
• 5 солнечных автомобилей

Вам нужно войти, чтобы оставить комментарий.

Источник

ТЕХНОЛОГИИ, ИНЖИНИРИНГ, ИННОВАЦИИ

Измеритель диаметра, измеритель эксцентриситета, автоматизация, ГИС, моделирование, разработка программного обеспечения и электроники, БИМ

Солнечные панели с графеном производят энергию в дождливую погоду

Солнечная энергия обладает потенциалом для покрытия около 40 процентов энергопотребности Америки, но эта технология до сих пор имеет свои ограничения. Одним из них является погода. Облака и дождь уменьшают эффективность солнечных панелей, что является серьёзной проблемой для использования их в тех местах, где большую часть стоит пасмурная погода. Но новое исследование может изменить эту ситуацию. Команда из четырех китайских ученых Пекинского педагогического университета и Океанского университета Китая недавно обнаружили, что применение графена в солнечных панелях может конвертировать дождь в чистую энергию.

Что если солнечные панели смогут получать энергию с помощью дождя, также как это происходит при помощи солнца? Эту задачу попытались решить китайские ученые.

Процесс извлечения этого слоя углерода, толщиной в один атом, из графита обнаружен лишь немногим более, чем десять лет назад исследователями из Университета Манчестера, которые за это открытие получили Нобелевскую премию по физике. Этот тонкий материал изменяет наш образ жизни – он используется практически во всем: от очистки воды до носимых технологий. Это также «самый проводящий материал в мире», что делает его идеальным для солнечных панелей.

Китайские ученые поместили графен на поверхность солнечных панелей, что, в случае дождливой погоды значительно изменяет ситуацию. Положительно заряженные ионы различных солей, присутствующих в дожде, таких как аммоний, кальций, а также взаимодействие натрия с графеновыми электронами для производства электроэнергии, позволяют солнечным панелям работать даже в самые темные дни.

Это удивительное открытие, но не окончательное решение. Графеновое покрытие для солнечных панелей пока не очень эффективно; они способны трансформировать в электричество только 6,5 процента от полученной энергии. Большинство солнечных панелей способно конвертировать около 22 процентов, поэтому в этой области необходимы дальнейшие исследования. Тем не менее, мы только начинаем задействовать потенциал графена, и дальнейшее развитие может иметь далеко идущие последствия для будущего солнечной энергии.

По материалам: engadget

Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!

Источник

Графеновые солнечные панели структура

Исследователи отделения Graphene Flagship при Римском университете Тор Вергата и совместно с коллегами из ENEA (глобальной информационно-технологической компанией) успешно применили графен при создании тандемных перовскит-кремниевых фотоэлементов, что позволило повысить их эффективность до 26,3%.

Кроме того, универсальность графена позволила ученым разработать новую технологию, обеспечивающую значительное снижение производственных затрат, а также возможность выпуска солнечных панелей большой площади.

Тандемные солнечные элементы на основе графена почти вдвое увеличивают эффективность устройств в сравнении с чистым кремнием. Универсальность этого материала позволяет снизить затраты на производство и выпускать солнечные панели гораздо больших площадей.

Согласно физическим законам максимальная эффективность кремниевых солнечных панелей ограничивается показателем 32%. Ученые всего мира десятилетиями пытались придумать альтернативы этому хорошо изученному материалу. Одним из самых удачных решений стали полупроводники группы III-V и минерал перовскит (титанат кальция).

Однако использование перовскита сопряжено рядом производственных трудностей. Создание «тандемных» панелей, которые объединяют преимущества кремния и перовскита, решает часть проблем, но о стабильности, высокой эффективности и крупномасштабном производстве говорить еще рано.

Поворотным моментом в разработках ученых стала идея использования графена. В статье научного журнала Joule показывается, что графен и связанные с ним слоистые структуры позволяют производить дешевые солнечные панели с высоким КПД И гораздо большей площадью.

«Новый метод создания тандемных солнечных панелей с использованием графена чрезвычайно перспективен. С помощью него можно улучшить эффективность всех существующих решений на базе перовскитов. Что более важно, графен может послужить основополагающим фактором к внедрению наших технологий в сфере промышленности и выпуске панелей большей площади», — объясняет Альдо ди Карло, глава Graphene Flagship.

Как заявляют ученые, им удалось наглядно продемонстрировать, что графен и связанные с ним материалы повышают производительность, стабильность и масштабируемость солнечных устройств. Это большой шаг на пути к разработке высокоэффективных тандемных солнечных элементов с КПД, превышающим предел однопереходных кремниевых элементов.

Полученные результаты в работе над перовскит-кремниевыми системами на основе графена станут основой нового проекта Graphene Flagship под названием «GRAPES». Ученые планируют запустить пилотную линию производства тандемных солнечных элементов и проложить таким образом путь к преодолению 32-процентного барьера эффективности, а также заметному снижению уровня затрат на электроэнергию. Новые «графеновые» солнечные панели планируют выпустить в ближайшие три года.

А вы что думаете по этому поводу? Дайте нам знать – напишите в комментариях!

Понравилась статья? Поделитесь ею и будет вам счастье!

Источник

Графен сделает солнечную энергию доступней

Благодаря уникальным свойствам графен может быть использован в будущем как новый эффективный материал для солнечных батарей.

Что общего между физиками и юристами- И те, и другие в своей работе полагаются на законы. Вот только если нарушение законов государства может иметь не самые радостные последствия, то для физиков поиск объектов, которые ведут себя не самым «законным» образом, может обернуться, как минимум, новым открытием. Или даже Нобелевской премией.

Одним из главных нарушителей спокойствия научного сообщества за последнее время стал графен — слой атомов углерода толщиной всего в один атом. Повышенный интерес к этому материалу, который можно получить из графита, кроется в его уникальных свойствах. За изучение графена два наших соотечественника, Андрей Гейм и Константин Новосёлов в 2010 году были удостоены Нобелевской премии по физике. Какие же нормы физического мира нарушил графен на этот раз-

Исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны впервые смогли зафиксировать тот факт, что графен преобразует один фотон в несколько электронов. Это открытие может серьезно улучшить производительность солнечных батарей. Почему так важно количество электронов, приходящееся на один фотон- В обычных кремниевых солнечных батареях падающий свет преобразуется в электричество. Происходит это за счет того, что фотоны света, попадая в кремниевую пластину, способны выбивать из атомов кремния свободные электроны, которые потом преобразуются в электрический ток. Однако на этот процесс наложен ряд ограничений.

Во-первых, падающие фотоны должны обладать достаточной энергией, чтобы оторвать от атомов электроны. Если энергии будет слишком мало, то электрон так и останется связанный с атомом. С другой стороны, плохо, если фотоны будут обладать слишком большой энергией. Тогда весь излишек, оставшийся после отрыва электрона от атома, будет превращаться в тепло — солнечная батарея просто нагреется. И еще одно правило — один фотон может выбить не больше одного электрона. Все это делает КПД солнечных батарей весьма низким — не больше 30%, то есть в лучшем случае батарея может преобразовать в электричество только треть солнечной энергии. На экваторе, где солнце светит круглый год, такое можно себе позволить, но в средней полосе, где из двенадцати месяцев от силы лишь пара солнечных, ни о какой эффективности солнечной энергетики говорить не приходится. Если материал солнечной батареи сможет преобразовывать падающий свет в большее число электронов, а графену это, судя по всему, под силу, тогда и экологичная солнечная энергия будет доступна не только в южных, но и в средних широтах.

Отдельного рассказа стоит то, каким образом физики из Лозанны смогли посчитать, сколько же электронов выбивает фотон из графена. Такие процессы протекают за очень короткое время, и зафиксировать их — сложнейшая задача. Исследователи разработали новый метод, который назвали «фотоэмиссионная спектроскопия углового и временного разрешения».

Как проходил эксперимент- Образец графена поместили в камеру, из которой был откачан весь воздух до состояния ультраглубокого вакуума. Затем графен освещали лазерной вспышкой длительностью всего несколько фемтосекунд. Она переводит электроны в возбужденные состояния, а потом графен подсвечивают вторым лазером, который фиксирует энергии возбужденных электронов. Варьируя задержку второй лазерной вспышки, можно получать снимки электронной динамики после поглощения света практически в реальном времени. Они-то и показали, что один фотон выбивает сразу несколько электронов.

Для того, чтобы усилить обнаруженный эффект, исследователи ввели в двумерную структуру графена примесные атомы — такой процесс называется допированием. Как оказалось, допирование существенно изменяет свойства графена, и можно подобрать такой состав и количество примесей, чтобы число сгенерированных электронов был максимальным. Если открытый эффект получится довести до практического применения, то станет возможным производство крайне эффективных солнечных батарей на основе графена.

Источник