Głównymi cechami grafenu, które przemawiają za wykorzystaniem go w produkcji paneli słonecznych, są niewątpliwie jego wytrzymałość, wysoka przewodność elektryczna oraz bardzo dobra przepuszczalność optyczna.

Teoretycznie o pochodzeniu grafenu wiemy już od lat 50. ubiegłego wieku. Jednak do 2004 roku środowisko naukowe podważało występowanie w przyrodzie dwuwymiarowego grafenu. W roku 2004 prosty eksperyment zmienił spojrzenie na ten wyjątkowy materiał. Andre Geim i Konstantin Novoselov udowodnili występowanie dwuwymiarowego grafenu dzięki doświadczeniu z taśmą.

Listek taśmy klejącej naukowcy przykładali do grafitu. Stopniowo odklejali od siebie kolejne warstwy, aby finalnie pozostała na listku taśmy jedynie warstwa o grubości jednego atomu. Z pozoru banalne doświadczenie pozwoliło uczonym w 2010 r. otrzymać nagrodę Nobla.

Warstwa węglowa

W grafenie możemy zaobserwować heksagonalne ułożenie atomów oraz płaską jednoatomową warstwę węglową. Zainteresowanie tym materiałem spowodowane jest jego nadprzeciętnymi właściwościami. Jego przewodność ciepła wynosi od 4800 do 5300 W/(m * K). Dla porównania przewodność ciepła dla srebra wynosi jedynie 429 W/(m * K).

W temperaturze pokojowej charakteryzuje się dużą ruchliwością elektronów μ ≈ 200 000 cm²/(V * s). Posiada o wiele większą wytrzymałość na rozciąganie w porównaniu do np. stali i wynosi ona 130 GPa. Z punktu widzenia fotowoltaiki bardzo istotną cechą materiału jest możliwość konwersji promieni słonecznych na energię. Naukowcy wykazali, że jeden foton może wybić więcej niż jeden elektron.

Cechy grafenu

Głównymi cechami grafenu, które przemawiają za wykorzystaniem go w produkcji paneli słonecznych, są niewątpliwie jego wytrzymałość, wysoka przewodność elektryczna oraz bardzo dobra przepuszczalność optyczna. Ogniwa na bazie grafenu byłyby w stanie pochłaniać światło z całego spektrum widma słonecznego. Rozważmy zmiany, jakie mogą nastąpić w przypadku zamiany krzemu występującego w panelach fotowoltaicznych na grafen.

Istota działania modułów fotowoltaicznych polega na produkcji prądu stałego, który jest zamieniany za pomocą inwertera na prąd zmienny, którym możemy zasilać standardowe urządzenia domowe. W panelach prąd powstaje na skutek pochłaniania fotonu przez płytkę krzemową i wybijania elektronu. Ruch ten to stały prąd elektryczny. Standardowa konstrukcja paneli pozwala na konwersję jednego fotonu na jeden elektron. Badania prowadzone przez instytut ICFO w Hiszpanii jednoznacznie mówi o ogromnym potencjale grafenu w fotowoltaice. Wskazania są na tyle optymistyczne, że możemy sądzić, iż maksymalna sprawność ogniwa może wynosić ok. 60%.

Obraz grafenu 3D o strukturze plastra miodu

Rys. 2. Obraz grafenu 3D o strukturze plastra miodu (www.sciencedaily.com).

Naukowcy Marc Gluba i Norbert Nickel przeprowadzili doświadczenie, w którym osadzili grafen na szklanej płytce, a następnie pokryli go krzemem w dwóch różnych wersjach. Pierwsza opcja zakładała pokrycie bezpostaciowym krzemem, a druga polikrystalicznym krzemem. Wyniki okazały się zaskakujące, ponieważ pomimo podgrzania warstwy krzemu okazało się, że pierwsza warstwa grafenu praktycznie zachowuje całe swoje właściwości, mimo że jest przykryta. Badania wykazały, że ruchliwość ładunków w warstwie grafenowej jest 30 razy większa niż w konwencjonalnej warstwie stworzonej z tlenku cynku.

Grafen w ogniwach III generacji

Ogniwami III generacji możemy nazwać te, które są pozbawione tradycyjnych złączy typu półprzewodnikowych. Do III generacji ogniw zaliczamy te oparte na polimerach oraz ogniwa typu DSSC (ang. Dye Sensitized Solar Cell). Ogniwa typu DSSC możemy w pewnym sensie porównać do roślin, ponieważ zawierają barwnik, który działa podobnie jak chlorofil. Różnica polega na produkcie – w roślinach otrzymujemy cukry, natomiast w ogniwach prąd elektryczny. Ogniwa III generacji zajmują obecnie niewielki % produkcyjny w rynku fotowoltaicznym.

DSSC, czyli ogniwa składające się z nanokomórek zawierających barwnik, potrafią pracować obustronnie przy świetle odbitym oraz rozproszonym. Ogniwa tego typu są bardzo elastyczne oraz cienkie. Cecha ta pozwala na ich montaż na płaskich powierzchniach szklanych, kolejną ich zaletą jest fakt, że sprawdzą się również w odróżnieniu od ogniw starszych generacji w miejscach częściowo zacienionych dzięki swojej budowie. Pomimo opisanych zalet trzecia generacja ma jedną podstawową wadę, a mianowicie –jednym z głównych składników tych ogniw jest platyna. Koszt platyny to około 1500$ za uncję.

Koszt produkcji paneli III generacji przy wykorzystaniu platyny jest bardzo wysoki, co powoduje niskie zainteresowanie pod względem ekonomicznym tą technologią. Alternatywą dla platyny, a co za tym idzie – dla ogniw III generacji, może stać się grafen. Naukowcy Yun Hang Hu i Caroll McArthur odkryli, że platynę można zastąpić grafenem bez straty wydajności przetwarzania energii elektrycznej. Jednak do tej zmiany potrzebny jest grafen w postaci 3D. Nie sprawdzi się w tym modelu solarnym znany grafen 2D.

W celu otrzymania struktury trójwymiarowej naukowcy przeprowadzili jego syntezę w innowacyjny sposób. W zrealizowanej przez nich reakcji doszło do złączenia tlenku węgla wraz z tlenkiem litu. Produktami tej przemiany był węglan litu oraz grafen. Węglan litu okazał się w dodatku produktem sprzyjającym procesowi uzyskiwania grafenu w strukturze 3D, ponieważ izolował od siebie arkusze grafenu, co w efekcie pozwoliło na losowe nieregularne połączenie się grafenu w wielu płaszczyznach.

Okazało się, że węglan litu usuwa się bez problemów za pomocą kwasu ze struktury trójwymiarowej grafenu. Badania nad sprawnością ogniwa grafenowego, które zastąpiły platynowe, wykazały, że nowy typ przekształcił 7,8% energii słonecznej w elektryczną. Dla porównania przy zastosowaniu platyny 8% energii słonecznej jest przekształcane, więc różnica nie jest duża.

Łukasz Hećman

Rys. 1. Szklana płytka pokryta grafenem i krzemem w doświadczeniu Glauby (www.helmholtz-berlin.de).

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij