eng pl

Grafen nadzieją dla fotowoltaiki?

Polska rozpoczęła produkcję grafenu na skalę przemysłową. Technologię pozwalającą na wyprodukowanie taniego grafenu i otrzymywanie materiału o najwyższej jakości opracował i opatentował Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych (ITME). Jakie może być zastosowanie grafenu w fotowoltaice?

Grafen został wynaleziony w 2004. Jest to pojedyncza warstwa atomów węgla o niespotykanych właściwościach fizycznych i mechanicznych.  Atomy węgla tworzą w nim dwuwymiarową strukturę budową przypominającą plaster miodu. Materiał ten jest 100 razy twardszy od stali, charakteryzuje się niskim ciężarem właściwym, dużą elastycznością i wytrzymałością, wysokim przewodnictwem elektrycznym i cieplnym. Od krzemu wykorzystywanego w panelach fotowoltaicznych przewodzi prąd 50 razy lepiej. Dzięki wysokiej aktywności katalitycznej grafen można ponadto wykorzystać w systemach konwersji oraz magazynowania energii.

Jakie będzie jego zastosowanie i co to ma wspólnego z fotowoltaiką? Do tej pory mówiło się głównie o zastąpieniu grafenem krzemu m.in. do produkcji mikroprocesorów, co mogłoby przyśpieszyć pracę komputera o około 500 razy. Zastosowań grafenu jest jednak o wiele więcej – w tym w energetyce słonecznej.

Przejrzystość i znakomite przewodnictwo sprawiają, że grafen nadaje się znakomicie do wykorzystania go w systemach produkujących energię słoneczną i magazynowania jej w wysokowydajnych akumulatorach czy superkondensatorach.

Doskonałe właściwości przewodzenia prądu sprawiły, że badania nad jego zastosowaniem w fotowoltaice uruchomiło wiele renomowanych instytucji badawczych z Europy czy USA. Badania nad wykorzystaniem grafenu w fotowoltaice prowadzi m.in. niemiecki instytut HZB. Jego dotychczasowe analizy wskazują na duże możliwości wykorzystania go w połączeniu z technologią cienkowarstwową. Nad wykorzystaniem grafenu w technologiach fotowoltaicznych pracują także naukowcy mi.n. z amerykańskich Michigan Technology University i Massachusetts Institute of Technology (MIT).

– Grafen może pracować przy każdym spektrum światła, nie ma na świecie żadnego innego materiału, który posiadałby taką właściwość. Jest w dodatku elastyczny, wytrzymały, stosunkowo tani i można go łatwo połączyć z innymi materiałami – komentuje na łamach MIT Technology Review Andrea Ferrari z Cambridge University.

– Konwencjonalne materiały, które zamieniają światło w energię, takie jak krzem, wytwarzają pojedynczy elektron na każdy zaabsorbowany foton. Foton posiada jednak więcej energii niż może przenieść pojedynczy elektron, wobec czego tracimy wiele energii zamienianej w energię cieplną. Grafen absorbujący światło może tymczasem wygenerować więcej elektronów zdolnych do przeniesienia energii elektrycznej – czytamy w MIT Review.

Jak czytamy w MIT Technology Review, maksymalna sprawność konwersji światła słonecznego w energię w przypadku tradycyjnego ogniwa fotowoltaicznego może wynieść ok. 30%, natomiast w przypadku ogniwa, w którym zastosujemy grafen, maksymalna osiągalna sprawność może teoretycznie wzrosnąć dwukrotnie. Potwierdzają to badania przeprowadzone przez hiszpański instytut ICFO we współpracy z naukowcami z MIT i wskazujące na duże możliwości wykorzystania grafenu w ogniwach fotowoltaicznych trzeciej generacji. Jak jednak podkreślają zgodnie naukowcy, do komercyjnego wykorzystania grafenu w fotowoltaice jest jeszcze daleka droga.

Ogniwa trzeciej generacji, czyli tzw. ogniwa barwnikowe do produkcji energii wykorzystują proces fotosyntezy. Ogniwa te składają się z nanokomórek zwierających syntetyczny barwnik – odpowiednik chlorofilu. Jednym słowem działają analogicznie jak komórki na liściach roślin. Pracują zarówno przy świetle rozproszonym jak i rozbitym, a ich przeźroczysta konstrukcja pozwala na montaż np. na szklanych powierzchniach budynków.

Dotychczas opracowane ogniwa trzeciej generacji są cienkie, elastyczne i łatwe w wykonaniu. Posiadają niestety jedną dość istotną wadę, a mianowicie ich głównym składnikiem jest platyna, czyli jeden z najdroższych metali na świecie, co jednocześnie powoduje brak możliwości powszechnego zastosowania tego rodzaju ogniw.

Odpowiednikiem dla drogiej platyny może być właśnie grafen, ale nie w znanej dotąd strukturze 2D, a w nowo syntetyzowanej 3D. Jak twierdzą naukowcy, nowa metoda syntezy grafenu nie jest ani skomplikowana ani trudna, a wytwarzanie z niego przeciwelektrod, do czego dotychczas wykorzystywano platynę, nie jest problematyczne. Przeprowadzone badania pokazują, że ogniwo wyposażone w grafenową przeciwelektrodę potrafi przekształcić około 7,8% energii słonecznej na elektryczną, podczas gdy sprawność ogniw zawierających platynę wynosi ok. 8%.

Źródło: Portal gramwzielone.pl