Grafen güneş pili uygulaması ve sınıflandırması-bir
Yenilenebilir enerjiye olan bağımlılığımız daha belirgin hale geldikçe, yüksek verimli güneş pillerine olan ihtiyaç, özellikle güneş pilleri temiz enerji üretmenin en basit ve en ucuz yollarından biri olduğunda, giderek daha önemli hale geliyor.
Genel olarak konuşursak, güneş pillerinin verimliliği çok yüksek değildir. Ancak son yıllarda grafen güneş pillerinin geliştirilmesi güneş ışığının yansıtma özelliğini% 20 azaltmış ve potansiyel verimlilik% 20 artmıştır.
Birçok farklı tipte grafen güneş hücresi şu anda incelenmektedir. Bu makale, dünyanın dört bir yanındaki akademik ve kurumsal araştırmacıların araştırdığı farklı türlere kapsamlı bir genel bakış sağlar.
Grafen Güneş Pillerinin Prensipleri
Grafen güneş pillerinin temel prensibi temelde şu anda üretilen inorganik / silikon güneş pilleri ile aynıdır, ancak şu anda kullanılan bazı malzemelerin grafen türevleri ile değiştirilmesidir. Herhangi bir ekipman veya malzemede olduğu gibi, işletim verimliliğini artırmak için geliştirilebilecek bazı parametreler vardır.
Grafen, mükemmel ayarlama ve uyarlanabilirliğe sahiptir. Grafen bazlı güneş pilleri için, cihazın özelliklerini değiştirebilecek iki önemli parametre, cihazdaki grafen katmanlarının sayısı (veya cihazdaki tek bir bileşen) ve katkılı grafen bazlı malzemelerin etkisidir.
Grafen katmanlarının güneş pilleri üzerindeki etkisi
Grafen katmanlarının sayısı arttıkça, optik şeffaflık, elektrik direnci ve katman sayısı arasındaki ilişki, optik şeffaflıkta ve elektrik direncinde orantılı bir azalma ile karakterize edilebilir.
Tek katmanlı grafenin optik şeffaflığı% 97,7'dir.
Üç katmanlı grafenin optik şeffaflığı yaklaşık% 90,8'dir ve her katmanın eklenmesi, optik şeffaflıkta% 2,3'lük bir azalmaya eşdeğerdir.
Bir grafen tabakası,% 90 optik şeffaflığı korurken, 2,1 ksq-1 ve 350sq-1 tabaka dirençleri üretir. Daha yüksek delik kabul yoğunluğu nedeniyle, çok katmanlı grafenin söndürme etkisi, tek katmanlı grafenden% 11 daha fazla olabilir.
Katkılı grafenin güneş pilleri üzerindeki etkisi
Grafen levhalar üzerindeki heteroatomların katkılanması, levhaların kimyasal, fiziksel, elektronik ve fotonik özelliklerini önemli ölçüde değiştirebilir ve bu, birçok güneş hücresi için yaygın bir yöntemdir.
İki ana doping türü vardır: p-tipi ve n-tipi.
P-tipi katkılama, grafen levhadan bir elektron çıkarmak ve bir delik oluşturmak için bor gibi üç değerlikli atomları kullanır.Bu işleme delik katkılama denir ve delik, grafen levhanın değerlik bandında oluşturulur.
Bununla birlikte, n-tipi doping, fosfor gibi beş değerlikli atomları içerir ve beş değerlikli atomdan grafen tabakasına serbest bir elektronun girmesine izin veren elektron veren bir doping yöntemidir. Bu durumda, serbest elektronlar grafen tabakasının iletim bandında desteklenir.
Katı faz, sıvı faz ve gaz fazı kimyasal doping, bilyeli öğütme, termal tavlama, kimyasal buhar biriktirme (CVD) yerinde doping ve plazma işlemi dahil olmak üzere grafen levhaları doping için çeşitli yöntemler vardır.
Katkılama etkisi, kullanılan grafen türevi türüne ve katkı işlemine bağlıdır. Doping işleminde hangi parametre (veya her ikisi) kullanılırsa kullanılsın, genel sonuç güneş pilinin verimliliğini artırmaktır.
Grafen-Silikon güneş pili
Maliyetleri düşürmek için, güneş pillerine çeşitli karbon allotropları uygulanmış ve bu da onları daha yaygın bir şekilde kullanmıştır.
Diğer karbon allotropları, elektronik özelliklerin ve tabakanın kalınlığının ayarlanamaması nedeniyle başarılı olamadı. Güneş pillerinde kullanılan grafen esaslı filmler, önceden belirlenmiş bir kalınlıkta ve tam kaplamalı olarak üretilebilir. Performansın kullanılan doping karışımına göre ayarlanmasına da olanak tanır.
Grafen, p-tipi heterojonksiyon, n-tipi heterojonksiyon ve Schottky kavşağı dahil olmak üzere çeşitli grafen-silikon güneş pilleri bağlantı noktalarına uygulanmıştır. Grafit silikon güneş pilleri araştırma aşamasındadır, ancak saf silikon hücrelerin performansı hala üstündür. Grafenin ayarlanabilirliği, hibrit güneş pilleri için umut vericidir. Henüz aynı seviyeye ulaşmamış olmasına rağmen, ilerleme devam ediyor ve verimliliklerinin saf silikon hücrelerin verimini aşması sadece bir zaman meselesi.
Şimdiye kadar, n-tipi heterojonksiyon, elektronları ve delikleri ayırmaya yardımcı olmak için 0.55-0.57'lik bir dahili voltaj oluşturabilir. Schottky bağlantısının güç dönüştürme verimliliği (PCE) yalnızca% 1,5 iken, mevcut doldurma faktörü yalnızca% 56'dır ve bu teorik olarak verimliliği büyük ölçüde artırabilir. Altın parçacıklarının grafen tabakasına dahil edilmesi verimi% 40 artırabilir.
Grafen-Polimer güneş pili
Grafen birleşiminin araştırma noktalarından biri polimer güneş hücreleridir. Ayarlanabilirliği, düşük maliyeti ve basit üretim süreci nedeniyle, polimer malzemeler inorganik esaslı malzemelere göre birçok avantaja sahiptir.
Grafen, şeffaf elektrotlarda büyük bir potansiyel gösterir ve polimer güneş pillerinde indiyum kalay oksitin (ITO) yerini alabilir. Elektrottaki grafen, kaplama, katmanlama, indirgeme ve sıcaklık tavlamasından sonra organik-inorganik hibrit bir malzeme haline gelir. Hibrit malzeme daha iyi bir enerji ilişkisine sahiptir, çünkü grafenin Fermi seviyesi yarı iletken tabakaya daha yakındır, böylece etkili yük enjeksiyonu gerçekleştirir.
Grafen-polimer şeffaf elektrotlar da yüksek performans ve iletkenliğe sahiptir, ancak ışık geçirgenlikleri% 65 ile sınırlıdır. Grafeni hibritlere indirgemenin yanı sıra, cvd tarafından üretilen grafen şeffaf bir elektrot olarak da kullanılabilir.
Grafen, grafenin yüzeyinde karbonil ve hidroksil fonksiyonel grupları oluşturmak için ozon işlemine tabi tutulur. Oksijen fonksiyonel grupları açık devre voltajını arttırır, ancak sp2 hibrid kovalent ağı, fonksiyonelleştirilmiş karbon etrafındaki sp3 bağları tarafından yok edildiğinden iletkenlik azalır. Kovalent olmayan işlevselleştirilmiş grafenin iyi bir iletkenliği, 0,55 V'a kadar açık devre voltajı,% 55'lik bir doldurma faktörü ve% 1,71'lik bir PCE'si vardır. Grafenin esnekliği, güneş pillerini saf ITO elektrotlarından 78 derece daha yüksek yapar.
Elektron taşıyıcılarına ve alıcılarına dayanan grafen-polimer güneş pilleri, elektron deliği çiftlerini bağımsız yüklere ayırmak için yüksek elektron afinitesine güvenir. Diğer malzemelerden farklı olarak grafen, konjuge polimerlerle karıştırıldıktan sonra etkili bir şekilde ayrılabilir. Grafenin geniş yüzey alanı, etkili elektron transferi sağlamak için sürekli bir yol ve çok sayıda verici / alıcı bölgeye izin verir. Bu tip güneş pili, PCE'nin% 1,1'ini üretmiştir.
Çoğu güneş hücresi, akım sızıntısını önlemek ve yeniden birleşmeyi yeniden doldurmak için bir delik taşıma katmanına ihtiyaç duyar. Elektronların katottan anoda göç etmesini önleyen 3.6 V enerji bandı aralığına sahip bir malzeme yapmak için grafen polimer malzemelerle karıştırılabilir.
Hepimizin bildiği gibi, 2nm grafen filmin etkisi en iyisidir, çünkü kalın film elektron geçişini önleyebilir ve direnci artırabilir.
Elde edilen en yüksek PCE,% 9'dur ve bu, delik taşıma katmanı olarak kullanılan diğer malzemelerden daha yüksek olmasa bile karşılaştırılabilir.
Boyaya duyarlı güneş pili (DSSC)
Diğer güneş pili türleriyle karşılaştırıldığında, DSSC farklıdır. Yarı iletken bir malzeme (TiO2 gibi) içerirler, anot ışığa duyarlı bir boyadır ve katot saf bir metal (platin gibi) ve bir elektrolit çözeltisidir.
Grafen, boya moleküllerinin yükleme verimliliğini artırabilen, arayüz alanını artırabilen ve yük rekombinasyonunun etkilerine karşı koymak için elektronların iletkenliğini geliştirebilen birçok faydalı özelliğe sahiptir. TiO2 ve grafen oranını dengelemek, verimli bir sistem elde etmenin anahtarıdır.
Grafenin değerlik elektronları, elektronları ve delikleri etkin bir şekilde ayıran grafen-TiO2 arayüzü aracılığıyla TiO2 iletken bandına uyarılır.
Bu nedenle, bu ayrımı desteklemek için yeterli grafene (yaklaşık% 1) ihtiyaç vardır, ancak matrise daha yüksek bir grafen konsantrasyonu eklemek, geçirgenliğin azalmasına neden olacaktır. Grafen, fotoanodda ışığın saçılmasını iyileştirmek, boya moleküllerini etkili bir şekilde dağıtmak ve saf TiO2 elektrotlarından% 39 daha fazla bir verimlilik sağlamak için DSSC'ye eklenir.
Grafen / kuantum nokta (QD) güneş pili
Hem grafen hem de karbon nanotüpler, tamamen işlevsel güneş pilleri yapmak için kuantum noktalarla hibritlenir. Bu iki allotrop arasında grafen, kuantum noktalarını hibritlemek için en büyük potansiyele sahiptir. ITO üzerine elektroforez ve kimyasal banyo biriktirme yoluyla, katmanlı bir grafen tabakası yapısı ve CdS kuantum noktaları elde edilebilir. Optimum katmanlı yapı, 8 tekrarlanan grafen-cd çift katmanlı filmden oluşur. Bu grafen-cds yapısı,% 16'ya kadar verimlilik, karbon nanotüp-küplerin verimliliğinden% 7 daha yüksek ve diğer karbon allotroplarından% 11 daha yüksek verimlilik üretebilir.
Bunun nedeni grafenin daha iyi bir kuantum nokta iskelesi üretmesidir.Katmanlı yapı, kuantum noktalarından grafene hızlı elektron transferi sağlarken, yük rekombinasyonunu bastırır.
Grafen-Tandem güneş pili
Çok bağlantılı güneş pilleri olarak da bilinen seri güneş pilleri, seri veya paralel olarak istiflenmiş iki veya daha fazla alt hücreden oluşur. Bir güneş pilinin teorik olarak% 40'a kadar güneş enerjisi dönüşüm verimliliği üretebileceği tahmin edilmektedir, ancak tandem güneş pillerinin% 86 verimliliğe ulaşma potansiyeli vardır.
Bugüne kadar, birçok güneş hücresinin PCE'si bir seri düzenleme benimseyerek geliştirildi. Genellikle ITO ve diğer karbon türevlerini kullanan düşük bant polimer hibrit güneş pillerinin kullanımı iyi çalışılmıştır, ancak grafen tabanlı tandem güneş pilleri hala nispeten yeni bir alandır.
Bununla birlikte, grafen oksit kullanımında bazı umut verici gelişmeler olmuştur. Grafen tandem güneş pilleri henüz grafen olmayan güneş pillerinin yüksekliğine ulaşmamıştır, ancak nispeten yeni bir alan olarak potansiyeli çok büyüktür, özellikle grafen olmayan tandem güneş pillerinin sayısı nispeten yüksektir.
Bunlardan biri grafen oksit ve iki alt hücreden oluşan polimer tandem güneş pilidir. Pil, şarj rekombinasyon katmanı MoO3 ve alüminyum ile bağlanan iki CS nötrleştirilmiş grafen oksit ve saf grafen oksit katmanından oluşur.
Kullanılan polimer karışımına ve hücredeki farklı bileşenlerin kalınlığına bağlı olarak, bu hücre% 2.92 ila% 3.91 PCE üretebilir. Pilin açık devre voltajı 1,23 V ile 1,69 V arasında değişebilir, ancak grafen oksit levhaların kalınlığının bir fonksiyonu olan grafen oksit levhalar arasındaki ara bağlantı tabakasının direncine bağlıdır.
Grafen kullanan bir başka tandem pil de tek duvarlı karbon nanotüpler içerir. Bu malzemelerin kombinasyonu ayrıca ito tabanlı alt hücreler için bir delik taşıma ve ara bağlantı katmanı olarak kullanılır. Bu iki karbon allotropundan oluşan ince filmler sırasıyla sıradan güneş pillerinde ve ters çevrilmiş güneş pillerinde kullanılmış olup, ilgili güneş pillerinin oranı sırasıyla% 3.50 ve% 2.90 kadar yüksektir. Ortaya çıkan güneş pili, aynı alt hücreleri içeren ancak grafen bağlantı katmanlarından yoksun bir güneş pilinden daha yüksek bir PCE'ye sahiptir. Bu uygulamada doğrudan alt hücrelere dahil olmasalar da, grafenin varlığı cihazın genel verimliliğini artırır.
Devam eden makale: Grafen güneş pillerinin uygulanması ve sınıflandırılması-2
