XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

В данной статье рассматривается возможность применения графена в качестве материала для разработки универсальных солнечных панелей, выполняющих не только функцию аккумулирования световой энергии.

Графен представляет собой плоский лист углерода, в котором атомы расположены в узлах гексагональной решетки. Этот материал обладает множеством уникальных свойств, а впервые он был получен выходцами из бывшего СССР Константином Новоселовым и Андреем Геймом. За это в 2010 году они получили Нобелевскую премию.

Рис. 1 Представление графена

Будучи формой углерода, он способен передавать электричество и тепло лучше, чем все остальное. И он не только самый твердый (в  200 раз прочнее стали), но и лучше всего поддается обработке. Его толщина — один атом. Графен может изменить электронную промышленность, сделать возможным создание гибких цифровых устройств и квантовых компьютеров, электронной одежды и микрокомпьютеров, которые смогут целиком помещаться в одной клетке человеческого тела, а также, позволить создать универсальные солнечные панели, о которых далее пойдет повествование.

Солнечная энергия – это важный источник возобновляемой энергии, которую преобразовывают с помощью солнечных батарей в световую энергию, то есть в электричество, посредством фотовольтаического эффекта. Первое поколение кристаллических кремниевых солнечных панелей обладает высокой стабильностью эффективного преобразования энергии, но они непрозрачные и дорогостоящие. Второе поколение солнечных батарей, представляющие собой тонкопленочные солнечные элементы, имеют малый вес и могут быть гибкими. Однако они сделаны из редких материалов со сложной структурой и для нагрева нуждаются в высоких температурах. Идеальным кандидатом для изготовления прозрачных электродов с хорошей проводимостью и с потенциально низкой стоимостью для солнечных батарей с высокой прозрачностью является графен. Полупрозрачность – это особенность солнечных батарей третьего поколения, позволяющая поглощать свет, поступающий с обеих сторон, поэтому такую батарею можно использовать для окон, фасадов зданий, крыш домов и как жалюзи, тем самым существенно увеличивая площадь поверхности, сбирающей солнечную энергию для ее преобразования в электричество.

Давайте рассмотрим несколько примеров, как с помощью графена можно получить универсальные солнечные панели, выполняющие необычные способы преобразования энергии и при этом иметь в своем арсенале необычные функции.

К
примеру, в Италии придумали, как превратить целый дом в концентратор солнечной энергии. Новый люминесцентный материал разработан в Университете Милан-Бикокка совместно с Национальной лабораторией Лос-Аламос (США). Им можно покрыть не только крышу, на которую обычно помещают солнечные панели, но и всю поверхность здания, включая окна.

Рис.2 Поглощение света пластиной

Солнечный свет аккумулируется люминесцентными наночастицами, которые наносят на листы обычного плексигласа. Они поглощают солнечный свет и выделяют его внутрь пластины. Свет достигает краев пластины, оснащенных небольшими солнечными элементами, которые и преобразуют его в электрическую энергию (см.рис.2). Поскольку технология позволяет выбирать степень прозрачности, в фотоэлектрический элемент можно превратить и обычные окна. Изобретение итальянских ученых имеет большие перспективы в сфере экологичной архитектуры, тем более что устройства могут быть любой формы и цвета. Новые солнечные батареи могут состоять из пластиковых или стеклянных пластин с оптически активными веществами - так называемыми хромофорами.

Р
ис. 3 Иллюстрация распада молекул соли на ионы

Более интересные разработки представили Китайские инженеры из Ocean University и Yunnan Normal University. Они разработали инновационные солнечные панели, которые могут работать в любую погоду, генерируя электричество даже из капель дождя. Традиционные солнечные батареи способны функционировать только в ясную погоду и в этом их главный минус. Инженеры уверены, всепогодные элементы являются главным решением энергетического кризиса.

Специалисты из двух китайских университетов разработали всепогодные солнечные батареи, которые в состоянии генерировать электричество не только в ясную погоду, но и в пасмурные дни, сообщается в статье, опубликованной в научном издании Angewandte Chemie. Таким образом, исследователи решили проблему солнечных панелей, которые не могут быть применены в странах с низким уровнем солнечной активности.

В основе разработки китайских инженеров лежит особая конструкция поля, когда панель вырабатывает электроэнергию не только от падающих солнечных лучей, но и от капель дождя.

Стоит отметить, что традиционные солнечные панели состоят из фотоэлементов, изготовленных из кремния для поглощения солнечного света. Свет, попадая на фотоэлемент, теряет электроны, а панель аккумулирует их и передает в виде электричества, однако в пасмурную погоду данный принцип не действует, так как панели содержат в себе металл, а он, как вы знаете, имеет свойство окисляться, следовательно, и терять свои токопроводящие свойства. Китайские конструкторы нашли выход из ситуации, обработав панели сенсибилизированным красителем в сочетании с тонким слоем графена (он же монослой графита, является газо-водо-непроницаемым, а, следовательно, не подвержен коррозии, будучи погруженным в жидкость в отличие от других проводников).

Когда капли дождя попадают на графен, соль в воде распадается на ионы, тем самым создавая энергию. Впрочем, эффективность всепогодных панелей намного ниже солнечных батарей. Китайские пластины в пасмурную погоду работают с 6,5% эффективности в то время, как солнечные панели последней модели имеют КПД в 22,5%. Но у медали две стороны и поэтому преимущества не кончаются. Мы можем видоизменить кристаллическую решетку таким образом, чтобы молекулы соли и примеси блокировались решеткой, а молекулы воды проходили сквозь нее, тем самым получая очищенную воду. Достигается это путем увеличения пространства между ячейками, а точнее, «вырезая» часть ячейки. Молекулы воды меньше чем молекулы соли, следовательно, соль остается на поверхности, а вода может пронизывать решетку, уходя в резервуар.

Рис. 4 Красная штриховка указывает на «вырезанную» область

Но применение графена не ограничивается в сфере строительства домов, его можно использовать на любом транспорте, в быту, промышленности, впрочем, где угодно. Те же самолеты или же машины можно покрывать слоем графена, тем самым добиваясь: усиления жесткости конструкции, оставления первоначального внешнего вида в силу прозрачности материала, а также сбора энергии и не только.

Стоит полагать, что такие панели могут произвести революцию во многих сферах деятельности, примерно так же как переход на транзисторную технику.

Список литературы

Созданы солнечные батареи на основе графена с рекордными характеристиками.[Электронный ресурс].URL: https://3dnews.ru

10 способов применения графена, которые изменят нашу жизнь. [Электронный ресурс].URL: https://www.computerra.ru

Видеохостинг YouTube. 15 минут про графен. [Электронный ресурс].URL: https://www.youtube.com/watch?v=diMFwhJld7w&t=232s

Интернет ресурс: http://vnews.agency

Графен сделает солнечную энергию доступнее. [Электронный ресурс].URL: https://texnomaniya.ru

Алексеенко А.Г. Графен. 2014 г.