1
О Развитии Зелёной Энергетики. Графен В Качестве
Преобразователя Солнечной Энергии
Турдимухаммад Рахмонов
1
, Шерзод Камилов
2
1
Ташкентский университет прикладных наук, ул.Гавхар 1, Ташкент 100149, Узбекистан
t.rakhmonov@mail.ru
2
Национальный университет Узбекистана, ул.Университетская, Ташкент
https://doi.org/10.5281/zenodo.10470843
Ключевие слова: Солнечная энергия, энергия, зеленая энергия, графен, преобразователь, эффективность,
возобновляемая энергия, углекислый газ, акуммулятор энергии.
Аннотация:
В данной обзорной статье приведены литературные данные о современном состоянии зеленой
энергетики. Анализированы данные по использованию графена как преобразователя солнечной энергии
в электрическую энергию.
1.
ВВЕДЕНИЕ
Энергопереход – это рассчитанная на десятилетия
стратегия изменения структуры производства и
потребления энергии человечеством. У него есть
как преданные сторонники, так и противники, но
что же он собой представляет? Глобальную
трансформацию
мировой
энергосистемы,
включающую в себя четыре направления:
энергоэффективность,
декарбонизацию,
децентрализацию, цифровизацию.
Эта трансформация на данный момент является
официально принятой стратегией глобального
человечества, что закреплено в
которое подписано
180 странами в 2015 году.
Решение о переходе на «зеленую энергетику»
принято на основании гипотезы, что ведущаяся
сейчас энергетическая деятельность человека
приводит к изменению климата, так называемому
«глобальному потеплению». Не все ученые
согласны с этой теорией, однако на сегодня
именно она определяет мировой тренд. В ее
рамках считается, что потепление вызвано
повышением выработки СО
2
.
Само повышение никто не отрицает
–
больше 60
лет наблюдений человечество фиксирует растущее
среднегодовое содержание углекислого газа. Для
этого, например, с 1958 ведутся непрерывные
измерения в обсерватории на вулкане Мауна-Лоа
(Гавайи). Однако не все согласны с его
антропогенным характером – ряд ученых
указывают, что человечество в ходе своей
хозяйственной деятельности выбрасывает до 50
млрд тонн углекислого газа. Это лишь 10%
в производстве
всего
планетарного
СO
2
,
малозаметные на фоне выделяющего каждый год
450–550 млрд тонн Мирового океана. Кроме того,
сам СО
2
составляет по разным оценкам лишь от
5% до 26% в парниковом эффекте (более 70%
парникового эффекта дает водяной пар).
Тем не менее Парижское соглашение принято и
начало действовать. В его рамках участники
договорились о сокращении выбросов углерода до
«чистого ноля» к 2050 году.
2.
ПЕРЕСПЕКТИВЫ И ИСТОРИЯ
ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ
ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ
Зеленая энергетика - это энергия, которая
производится из природных источников. При этом
она пополняется с большей скоростью, чем
добывается.
Углекислый
газ
человечество
генерирует с момента первого добытого ударами
кремня огня. Производство тепла за счет сжигания
углеродного топлива (от сухого дерева до СПГ) –
основной способ получения энергии. При
окислении углерода образуется его оксид - СО
2
, и
с этим ничего нельзя поделать. Поэтому «зеленая
энергетика» в первую очередь предполагает отказ
от фоссильного топлива (угля, нефти и природного
газа).
Если мы не будем жечь углерод, то откуда
возьмется
энергия?
За
счет
расширения
использования
«зеленых»
(возобновляемых)
источников (ВИЭ). Зеленая энергетика в мире
обязана
своим
названием
альтернативным
источникам
энергии
(ее
еще
называют
возобновляемой или регенеративной). Это значит,
что энергетическими ресурсами становятся
постоянно происходящие в окружающей среде
процессы. Возобновляемую энергию получают из
таких источников, как гидроэнергия, энергия
ветра, солнечная энергия, геотермальная энергия,
биомасса и энергия приливов и отливов.
2
Считается, что они, в отличие от ископаемого
топлива, не истощаются.
Сторонники ВИЭ логично утверждают, что мы
буквально окружены невообразимым количеством
энергии. Одно только Солнце выливает на планету
около 173 ПВт (или 173 млн ГВт) энергии
ежегодно
-
это более чем на четыре порядка
превышает общемировые потребности.
Источники зеленой энергетики базируются на
природных
явлениях.
Объемы
генерации
возобновляемых источников энергии постоянно
растут. Например, по данным МЭА, в 2000 году
ВИЭ предоставлял 2,8 ТВт·ч электроэнергии.
Через восемь лет уже было 3,8 ТВт·ч, а в 2018 году
- уже 6,7 ТВт·ч.
1.
Солнечная энергия в развитии зеленой
энергетики занимает лидирующее положение, и в
2019, а потом в 2021 году она побила очередной
рекорд:
суммарная
мощность
солнечных
установок во всем мире достигла 760 ГВт. Это
вдвое
больше,
чем
производят
атомные
электростанции. Существует два вида добычи
солнечной энергии. Первый генерирует энергию за
счет внутреннего фотоэффекта с помощью
фотоэлектрических элементов, представляющих
собой
ряд
солнечных
панелей.
Второй
предполагает использование энергии солнца для
превращения воды в пар и преобразования
кинетической энергии в электрическую. Кстати,
обе
разновидности
солнечной
энергетики
признаны самыми доступными и экологически
безопасными.
2.
Ветроэнергетика
-
преобразование
энергии ветра в электрическую с помощью
ветрогенератора. Ветрогенераторы (мельницы)
бывают наземными (
onshore
) и установленными в
море в прибрежных зонах (
offshore
). В Дании
ветрогенерация удовлетворяет 47% спроса на
электроэнергию, в Ирландии - более 30%, а в
Португалии
и
Испании
-
более
20%.
Международное энергетическое агентство (МЭА)
считает, что потенциал ветрогенерации в
40
раз
превышает текущий спрос на электроэнергию. Но
только при условии, что все необходимые
технологические барьеры преодолены, до чего
пока далеко. Но ветряные турбины вполне могут
удовлетворить потребности человечества в
электроэнергии;
3.
Гидроэнергетика построена на основе
возобновляемых источников, в данном случае
воды, то есть используется потенциальная энергия
водного потока. ГЭС строятся давно, это самая
освоенная технология ВИЭ, и Россия здесь один из
мировых лидеров. К сожалению, при всех
достоинствах гидроэлектростанций, построить их
можно далеко не везде;
4.
Биоэнергетика – производство энергии из
биотоплива, которое получают в результате
переработки биологических отходов. Звучит
внушительно, но «топить печку дровами» – это
тоже один из видов биоэнергетики. Дрова –
возобновляемое топливо, но все же не самое
экологичное;
5.
Геотермальная энергетика – используется
тепловая энергия недр земли. Потенциально это
море энергии буквально под ногами. Практически
- не так много мест, где это тепло достаточно
близко к поверхности планеты, и эти места обычно
весьма удаленные;
6.
Приливная энергетика – использование
энергии
приливов,
то
есть
фактически,
притяжения Луны. Очень экологично, от Луны не
убудет, но требует сложных и дорогостоящих
сооружений.
По данным МЭА, инвестиции в зеленую
энергетику заметно растут. Так, на 2020 год объем
вложенных в возобновляемые источники энергии
составил 281 млн долларов. Многие города,
страны
и компании
и сегодня
продолжают
активно инвестировать в зеленую энергетику.
—
Facebook (в России признана экстремистской)
и компания
General Motors
будут вместе получать
энергию от солнечной электростанции в штате
Кентукки.
—
IKEA
инвестировала около $2,8 млрд
в различные проекты ВИЭ и стала владельцем 1,7
ГВт мощностей.
— Концерн
BASF
б удет постепенно переходить на
возобновляемые источники энергии.
—
Intel
инвестировал $185 млн в 2 000 проектов по
энергосбережению, а 100% электроэнергии,
потребляемой корпорацией в США и ЕС,
поступает из ВИЭ.
— Офисы и центры обработки данных
Apple
работают на 100% возобновляемой энергии.
—
Microsoft
использует более 1,3 млрд кВт/ч
«зеленой» энергии в год.
Мировые инвестиции в чистую энергию выросли с
$33 млрд до более чем $300 млрд за 20 лет.
Очевидно, что человечество всерьез настроено как
минимум
попробовать
обойтись
без
углеводородов. Основным способом заработка на
ВИЭ на данный момент является инвестирование.
Здесь есть несколько стратегий. Тем, кто привык
работать на перспективу, стоит присмотреться
к компаниям,
занимающимся
технологиями
будущего - например, генерацией солнечной
энергии.
3.
ПРЕИМУЩЕСТВО
И
ПРОБЛЕМЫ
ЗЕЛЕНОЙ
ЭНЕРГЕТИКИ
Возобновляемая зеленая энергия имеет массу
недостатков. Почему же при таких перспективах,
усилиях и инвестициях мы постоянно слышим не
столько о победах, сколько о проблемах
энергоперехода? Европейский энергетический
кризис, калифорнийские и техасские локдауны,
австралийский энергоколлапс, замерзающие дома
в Англии, веерные отключения в Китае,
фантастический рост цен на энергию и топливо –
где же в этот момент высокотехнологичная ВИЭ?
3
Переход на зеленую энергетику слишком
форсировали, и технологии отстали от планов
Увы, всякая новая технология масштабируется не
сразу. То, что работает в небольших объемах, не
всегда
можно
легко
увеличить
простым
сложением средств и ресурсов, потому что
проявляются эффекты, не наблюдавшиеся в малом
масштабе.
В чем сейчас нерешенные проблемы зеленой
энергетики?
1.
«Пила
производства–потребления
энергии». Производство «зеленой» энергии и ее
потребление не совпадают в течение суток. Утром
и вечером, когда потребление максимальное,
солнце либо еще не светит, либо уже не светит, да
и ветер усиливается после того, как солнце
прогреет
землю.
Еще
больше
разрыв
увеличивается при неблагоприятных погодных
условиях. Это требует замещения генерирующих
мощностей, создания глобальных перетоков
(импорта)
энергии
или
ее
аккумуляции.
Замещающие мощности – это та же традиционная
энергетика, от которой так хочется отказаться,
перетоки требуют колоссальной инфраструктуры
(попробуйте перекачать через полконтинента
достаточно электричества, чтобы покрыть нужды
целой страны), а аккумулирующие технологии
ждут изобретения чего-нибудь более емкого и
дешевого, чем нынешние батареи.
2.
Далеко не все места на планете хорошо
освещены солнцем, имеют стабильные ветра или
геотермальные источники. Это приводит к той же
проблеме глобальных перетоков – можно
застелить солнечными батареями всю Сахару, но
там никому не нужно столько электричества. А
там, где требуется, например, выплавлять
алюминий и отапливать дома, солнце не светит и
трех месяцев в году.
3.
Зеленые источники энергии требуют
множества высокотехнологичных материалов и
редких ископаемых, добыча и производство
которых сами по себе требуют очень много
энергии. Из-за дефицита энергии в Китае в этом
году многие предприятия вставали на паузу, в том
числе поставщики компонентов для ВИЭ. По
подсчетам аналитической компании
Russell Group
в целом ограничения энергопотребления в Китае
нарушили глобальные товарные потоки на сумму
$120 млн - и это связано с резким сокращением
сектора традиционной энергетики.
Затраты при транспортировке и передаче зеленой
энергии в разы выше по сравнению с другими
видами электроэнергии. Например, стоимость
передачи «ветряной» энергии в три раза больше,
чем транспортировка тока, вырабатываемого от
угля. Как правило, это еще и связано с тем, что
производство зеленой электроэнергии происходит
в местах весьма отдаленных от территорий, где ее
потребляют. Поэтому при транспортировке
зеленой энергии из-за больших расстояний в разы
увеличивается нагрузка и эксплуатационные
расходы на линии электропередач.
Кроме того, виды зеленой энергии требуют
существенных вложений в инфраструктуру.
Например,
повсеместное
строительство
и
обустройство
зарядных
станций.
Зеленая
энергетика, солнечная энергия также требуют
умного распределения: это ценообразования по
часам, отключение электроэнергии некоторым
компаниям в зависимости от количества
потребляемой ими энергии.
Существуют ещё проблемы. Например, сильные
штормы могут нарушать равномерный процесс
подачи энергии в странах, расположенных на
побережьях. Соотвественно, требуется источники
резервной
электроэнергии
-
например,
аккумуляторы с запасом тока минимум на три дня.
Это сезонные проблемы, решения которых
достаточно затратные и могут подорвать
экономику.
Доля использования зеленой энергии, несмотря на
все проблемы, растет и имеет большие
перспективы. Несмотря на все трудности, мир
будет двигаться в сторону ВИЭ. Неважно,
антропогенный или не антропогенный фактор
виновен в глобальном потеплении, реагировать на
него все равно придется людям. В ближайшее
время нас ждут трудности переходного периода,
но масштабирование технологий дает не только
проблемы, но и решения. В больших масштабах
становятся выгодны технологии, слишком дорогие
в малых. Так, например, стоимость водородного
топливного элемента еще недавно была $1700 за
киловатт мощности, а при массовом производстве
упала до $300 за киловатт, и недалек тот день,
когда водородный автобус экономически выиграет
у дизельного.
Безуглеродная энергетика не так далека и
невозможна, как кажется. Скажем, в России,
стране с не самыми лучшими природными
условиями для ВИЭ и при этом богатой
углеводородами, на сегодняшний день 40%
генерации дают атомные, ветряные, солнечные и
гидроэлектростанции. Развиваются и новые
технологии – по данным Минпромторга в 18
регионах страны запущены 33 водородных
проекта. Уже работают водородный кластер на
Сахалине и производство водорода на Кольской
АЭС.
По
прогнозам
экспертов,
себестоимость
возобновляемых источников энергии и в первую
очередь электроэнергии от солнца и ветра к 2040
году существенно упадет: в большинстве районов
ее производство начнет дешеветь по сравнению с
добычей газа к 2030 году. Это произойдет за счет
форсированного
развития
технологий
и,
соответственно, снижения стоимости чистой
энергии.
Что,
безусловно,
сделает
ВИЭ
перспективными с точки зрения коммерческого
использования.
Скорее всего, трудности бурного роста ВИЭ
преодолимы. Возможно, скептики правы, и даже
если человечеству удастся резко уменьшить
объемы
выбросов
парниковых
газов,
4
концентрация СО
2
в атмосфере не уменьшится
еще столетия. Но тот технологический скачок,
который мы получим в результате массовых
инвестиций в зеленую энергетику, сам по себе
имеет значительную ценность.
4.
ГРАФЕН
КАК
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
СОЛНЕЧНОЙ
ЭНЕРГИИ
В
ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ
Департамент прикладной физики Гонконгского
политехнического университета (Hong Kong
Polytechnic University) успешно разработал
эффективные и недорогие полупрозрачные
перовскитные солнечные батареи с графеновыми
электродами. Эффективность преобразования
энергии (PCES) их нового изобретения составляет
около 12 %, тогда как эффективность обычных
полупрозрачных солнечных батарей составляет 7
%. Потенциально более низкая стоимость этих
солнечных батарей, более чем на 50 % ниже по
сравнению со стоимостью существующих сегодня
кремниевых солнечных элементов, позволит в
будущем более широко использовать такие
батареи.
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. Основной
целью научно-исследовательских работ была
разработка
солнечных
панелей
высокой
эффективности, простых в изготовлении с низкой
себестоимостью, поэтому в последние годы
гонконгские
ученые
вплотную
занялись
разработкой солнечных элементов третьего
поколения. В последнее время внимание многих
ученых привлекали перовскитные солнечные
элементы, так как их можно использовать в
солнечных
батареях
третьего
поколения,
поскольку такие батареи обладают высокой
эффективностью преобразования энергии, удобны
в изготовлении и у них потенциально низкая
стоимость.
Для улучшения эффективности и снижения
расходов на изготовление полупрозрачных
солнечных
панелей
исследователи
из
Гонконгского политехнического университета
разработали первые в мире полупрозрачные
перовскитовые солнечные элементы с графеном в
качестве электрода. Графен – идеальный кандидат
для изготовления прозрачных электродов с
хорошей проводимостью и с потенциально низкой
стоимостью для солнечных батарей с высокой
прозрачностью.
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.
Хотя графен был изобретен более десяти лет назад,
но
только
недавно
гонконгские
ученые
разработали инновационные простые методы
обработки, повышающие проводимость графена.
Это
позволило
удовлетворить
требования,
которые дают возможность применять этот
материал при изготовлении солнечных батарей.
Во-первых,
проводимость
графена
была
значительно улучшена путем нанесения тонкого
слоя
проводящего
полимера
поли-(3,4-
этилендиокситиофена): поли(стиролсульфонат),
который
также
используется
в
качестве
адгезионного слоя в процессе ламинирования на
перовскитном
активном
слое.
Во-вторых,
изготавливая солнечные батареи с многослойным
химическим осаждением графена в качестве
верхнего прозрачного электрода для дальнейшего
повышения
эффективности
преобразования
энергии, исследователи обнаружили, что таким
образом
сопротивление
электрода
можно
дополнительно уменьшить при сохранении
высокой прозрачности электродов. И, наконец,
можно оптимизировать производительность этого
нового изобретения за счет улучшения контакта
между верхними графеновыми электродами и
переносом слоя с отверстиями (спиро-OMeTAD)
на перовскитные пленки.
Из-за превосходной механической гибкости
графена и удобной подготовки устройства,
изобретение
гонконгских
ученых
можно
использовать
для
массового
производства
полупрозрачных
перовскитных
солнечных
батарей. Полупрозрачные солнечные батареи
смогут заполнить пробел на рынке, который
недостижим для существующих солнечных
батарей, доминирующих на рынке.
Интересно,
что
углерод,
как
основной
строительный элемент органических молекул,
играющих основную роль для жизни на Земле, и
давно известный человечеству в виде алмаза,
графита, угля, 10-20 лет назад стал известен в
новой форме в виде фуллеренов (квазинульмерные
OD-структуры) и нанотрубок (квазиодномерные
ID-структуры)
и,
наконец,
совершенно
неожиданно проявил себя за последние годы в
виде устойчивой двумерной 2D-аллотропной
модификации
-
моноатомной
плоскости,
отделённой от объёмного 3Б-кристалла графита.
5
Свойства графена, образованного одним слоем
атомов углерода, находящихся в эр
2
-гибридизации
и соединённых посредством о- и п-связей в
гексагональную двумерную кристаллическую
решётку (рис. 1), поистине удивительны [2]. На
сегодняшний день графен - самый тонкий
материал, известный человечеству.
Бурный интерес к графену объясняется рядом
факторов: открытием простого метода получения
графена
в
свободном
состоянии,
новой
фундаментальной
физикой,
наличием
современных методов исследования (атомно-
силовая микроскопия, Раман-спектроскопия и др.),
появлением
других
технологий
получения
графена, а также уникальными прикладными
возможностями.
Прежде всего, был найден простой и эффективный
способ изготовления относительно больших слоёв
графена. Он получил «путёвку в жизнь» в 2004
году, когда А. Гейм и К. Новосёлов сумели его
изготовить, используя обычную клейкую ленту
(«скотч») для последовательного отделения слоёв
от обычного кристаллического графита, знакомого
всем в виде карандашного стержня.
Рис. 1. Кристаллическая структура графена (слева) и
три sp
2
–гибридизированные орбитали атома углерода,
формирующие направленные под углом 120
о
ковалентные связи с соседними атомами, и
перпендикулярная им 2p
2
- орбиталь (справа).
Стало возможным рассматривать графен как
основу получения других графитообразных
материалов (рис. 1.) фуллерена, нанотрубки,
графита [3]. Кстати и фуллерены, и нанотрубки
оказались
интересными
объектами
для
применения в солнечной энергетике [4], а графит,
как хорошо известно, широко используется в
электротехническом оборудовании в качестве
контактного материала.
Вскоре после появления нового физического
объекта, были открыты и новые физические
эффекты - графен фантастически интересен
экспериментаторам, как уникальный прикладной
материал, так и теоретикам, как материал,
свойства которого необходимо описывать с
помощью квантово-полевых уравнений.
Перечислим основные свойства графена [5]:
ультратонкий, механически очень прочный,
гибкий
и
электропроводящий
материал
(полуметалл), практически прозрачный и потому
не имеет цвета. Доля поглощённого света в
широком интервале не зависит от длины волны.
Плотность — 0,77 мг/м
2
. Гамак из графена
площадью 1 м
2
весил бы 77 мг. Обладает
прочностью на разрыв 42 Н/м, в 100 раз прочнее
стали такой же толщины. Упомянутый гамак
выдержал бы 4 кг и был бы при этом невидимым.
Весил бы гамак как один ус кошки. Сопротивление
гамака составило бы 31 Ом. Проводимость
графена
выше
проводимости
меди.
Теплопроводность графена в 10 раз выше, чем у
меди. И это только простое перечисление для
первого знакомства!
Для солнечной энергетики особенно важными
свойствами
графена
являются
высокие
прозрачность,
электропроводность,
теплопроводность,
гибкость,
инертность
к
окружающей среде, возможности управления
концентрацией и типом носителей заряда.
Поражают фундаментальные аспекты, графена,
который стал первым материалом, для объяснения
свойств
которого
физике
твёрдого
тела,
базирующейся на нерелятивистской квантовой
механике (уравнение Шрёдингера), необходимо
привлекать
квантовую
электродинамику
(уравнение Дирака). В графене квантовая
электродинамика становится прикладной наукой.
Открытие графена быстро сделало его одной из
самых актуальных тем современной физики. И
самым удивительным оказалось даже не то, что
графен является двумерным кристаллом, которые
ранее были не известны, и считалось, что они не
могут существовать в свободном состоянии
(Ландау и Пайерлс) [2]. Электроны в графене
подчиняются
законам
квантовой
электродинамики, имеют нулевую массу покоя и
подобны релятивистским частицам. В частности,
для них справедливо известное выражение
E = mc
2
(роль скорости света в графене играет скорость
Ферми электронов, которая в 300 раз меньше
скорости света). В работах по графену фигурирует
и уравнение Вейля - уравнение движения для
безмассовой двухкомпонентной (описываемой
двухкомпонентным спинором) частицы со спином
1/2 (то есть можно говорить и об аналогии
электронов в графене с нейтрино, не забывая, что
нейтрино не имеют заряда и, кроме того,
электроны в графене являются строго двумерной
системой).
Впервые
физики
получили
возможность изучать в твердотельной системе
явления, которые рассматриваются в физике
высоких энергий. Это позволило физикам
теоретикам назвать графен «ЦЕРНом на рабочем
столе» [6, 7].
Энергетическая зонная структура графена и закон
дисперсии показаны на рис. 2. [2, 8]. Носители
заряда в графене ведут себя в соответствии с
линейным законом дисперсии как безмассовые
фермионы Дирака с эффективной скоростью света
(но циклотронная масса отлична от нуля).
Релятивистское
поведение
происходит
от
взаимодействия с потенциалом решётки графена, а
не из-за носителей, движущихся со скоростью
близкой к скорости света. Такое поведение
6
присутствует только в монослойном графене; и
оно исчезает при наличии двух или более слоёв.
Рис. 2. Зонная структура графена и закон дисперсии.
Для солнечной энергетики особенно важными
свойствами
графена
являются
высокие
прозрачность,
электропроводность,
теплопроводность,
гибкость,
инертность
к
окружающей среде, возможности управления
концентрацией и типом носителей заряда.
Подобная
электронная
структура
является
следствием гексагональной симметрии решётки
графена (не относящейся к решёткам Браве): она
содержит два не эквивалентных атома, показанных
разным цветом, в каждой элементарной ячейке и
может
рассматриваться
как
две
взаимопроникающие треугольные решётки (рис.
3).
Орбитали
p
z
атомов углерода гибридизируются,
формируя зоны п и п*, пересечение которых в
шести точках формируют бесщелевой спектр с
линейной
дисперсией
(в
обычных
полупроводниках закон дисперсии квадратичен).
Фундаментальный
интерес
представляет
оптическая проницаемость графена, которая равна
𝑻опт = (𝟏 +
𝝅𝜶
𝟐
)
𝟐
≈ 𝟏 − 𝝅𝜶 ≈ 𝟎, 𝟗𝟕𝟕
где
α =
𝑒2/(ℎ𝑐)
- постоянная тонкой структуры,
безразмерная
величина,
образованная
комбинацией фундаментальных констант и
известная в квантовой электродинамике с высокой
степенью точности [9, 10].
Это
потрясающе
интересный
результат,
подтверждённый экспериментально, ещё и
потому, что пропускание не зависит от
характеристик
материала,
а
только
от
фундаментальных
постоянных
и
то,
что
человеческий глаз видит слой толщиной в один
атом! Образно можно сказать, что человек
«увидел» постоянную тонкой структуры.
Следует упомянуть и о других интересных
квантовых эффектах наблюдаемых и исследуемых
в графене: хиральность и парадокс Клейна,
полуцелый или «релятивистский» эффект Холла,
баллистический пролёт носителей при комнатной
температуре, эффект квантования холловского
сопротивления
и
многие
другие
[11].
Экспериментально показано, что в графене, в
достаточно сильных магнитных полях (более 20
Т), наблюдается квантовый эффект Холла даже
при комнатной температуре (300 К), что может
иметь важное значение для создания и
использования метрологического стандарта на
основе кванта сопротивления.
Методы
получения
графена
заслуживают
специального рассмотрения. Именно благодаря
относительно простому методу липкой ленты,
позволившему получить качественные образцы
графена
для
первых
экспериментальных
исследований, стало актуальным и возможным
разрабатывать другие способы и технологии
получения графена. Хороший русскоязычный
обзор [12] описывает целый ряд методов
получения и синтеза графена: микромеханическое
расслоение графита, жидкофазное расслоение
графита,
разделение
графитовых
слоёв
различными процессами окисления, синтез
графена методами химического осаждения паров
(CVD), получение графена в электрической дуге,
термическое разложение карбида кремния,
эпитаксиальное
выращивание
графена
на
металлической поверхности.
Следует упомянуть и о других 2D-материалах,
развитие которых стимулировало получение
графена и его необычные свойства [16].
Ещё дно из направлений исследования с графеном
- получение новых веществ на его основе. Учёным
уже удалось получить три соединения - оксид
графена,
гидрид
графена,
получивший
самостоятельное название - графан, а также
флюорографен - продукт реакции графена с
фтором [17].
Графен сильно взаимодействует со светом от
микроволнового до ультрафиолетового диапазона,
охватывая его по длинам волн, по крайней мере, на
пять порядков. Такое сильное взаимодействие,
вместе
со
своими
исключительными
электронными и механическими свойствами,
делает графен перспективным кандидатом для
различных фотонных приложений.
Для
солнечной
энергетики
важнейшим
использованием графена становится создание
прозрачных
проводящих
контактов
в
фотоэлектрических технологиях. Графен привлёк
наибольшее внимание в качестве прозрачного
проводящего контакта в солнечных элементах.
Для такого применения графен должен иметь
хорошее
пропускание
и
низкое
слоевое
сопротивление. Относительно других широко
используемых контактными материалов графен
имеет превосходные данные характеристики.
Рис.3. Изображение гексагональной решётки графена
(слева) и её обратной решётки (разными цветами
показаны углы различных подрешёток кристалла,
7
жирный чёрный шестиугольник справа – первая зона
Бриллюена, показаны точки на краях зоны Брюллиена,
где закон дисперсии носителей линеен. К и К’
обозначает две долины в k-пространстве с
неэквивалентными волновыми векторами).
Можно отметить, что коэффициент пропускания и
поверхностное сопротивление является функцией
синтеза графена, графен показал лучшие свойства,
что практически совпадает с теоретическими
предсказаниями.
С
этими
превосходными
свойствами, графен принимает на себя ведущую
роль в научно-исследовательской деятельности в
развитии новых электродных материалов для
солнечных батарей.
Кроме того, можно отметить, что коэффициент
пропускания и поверхностное сопротивление
является функцией синтеза графена (CVD), графен
показал лучшие свойства, что практически
совпадает с теоретическими предсказаниями. С
этими
превосходными
свойствами,
графен
принимает на себя ведущую роль в научно-
исследовательской деятельности в развитии новых
электродных материалов для солнечных батарей
[14].
И наконец, ещё одна тема, важная для солнечной
энергетики - возможность использования графена
в качестве сверхтонкой мембраны в топливных
элементах и в накопителях на основе графеновых
суперконденсаторов нового типа [15]. Таким
образом, можно говорить о появлении нового
поколения накопителей электроэнергии.
5.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В статье приведены сведения о зеленой
энергетике, также отмечены преимущество и
недостатки зеленой энергетики. Анализированы
имеющиеся в литературе сведения о возможностях
графена в использовании как преобразователя
солнечной энергии в электрическую.
ЛИТЕРАТУРА
[1].
Lee K - J, Chandrakasan A, Kong J (2011) IEEE
Electron Device Lett 32:557.
[2].
2D Materials for Gas Sensing Applications: A Review
on Graphene Oxide, MoS2 WS2, M. Donarelli,
L. Ottaviano,
Sensors
2018,
18
(11),
3638.
https://doi.org/10.3390/s18113638.
[3].
F. Schedin, et al., Detection of individual gas
molecules adsorbed on Graphene, Nat. Mater. 6 (2007) 652
– 655. 4. Zhou, Y.; Liu, G.; Zhu, X.; Guo, Y. Ultrasensitive
NO2 gas sensing based on rGO/MoS2 nanocomposite film
at low temperature. Sens. Actuators B- Chem. 2017, 251,
280 - 290.
[4].
Y. Song, et al., Recent advances in electrochemical
biosensors
based
on
Graphene
two-dimensional
nanomaterials, Biosens. Bioelectron. 76 (2016) 195-212.
[5].
J. Yukird, et al., Label-free immunosensor based on
Graphene/polyaniline
nano-composite
for
neutrophil
gelatinase-associated
lipocalin
detection.
Biosens.
Bioelectron. 87 (2017) 249 - 255.
[6].
J. Ma, W. Jin, H. L. Ho, J. Y. Dai, High-sensitivity
fiber-tip pressure sensor with Graphene diaphragm, Opt.
Lett. 37 (2012) 2493 – 2495.
[7].
Y. Tan, et al., Optical fiber photoacoustic gas sensor
with Graphene nanome-chanical resonator as the acoustic
detector, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron, (2016).
[8].
S.C. Yan, B. C. Zheng, J. H. Chen, F. Xu, Y. Q. Lu,
Optical electrical current sensor utilizing a Graphene-
microfiber-integrated coil resonator, Appl. Phys. Lett. 107
(2015) 053502 – 053504.
[9].
Bae S, Kim Y, Lee Y, Xu X, Park J-S, Zheng Y,
Balakrishnan J, Lei T, Kim H, Song Y, Kim Y-LJ, Kim K,
Ozyllmaz B, Ahn J-H, Hong B, Iijima S (2010) Nat
Nanotechnol 5:574 Bai J, Zong X, Jiang S, Huang Y, Duan
X (2010) Nat Nanotechnol 5:190
[10].
On the mechanism of hydrophilicity of graphene Guo
Hong, Yang Han, Thomas M. Schutzius, Yuming Wang,
Ying Pan, Ming Hu, Jiansheng Ji, Chander S. Sharma, Ulrich
Müller,
Dimos
Poulikakos.
https://arxiv.org/pdf/1608.06628.pdf
[11].
Experimental Convection Heat Transfer Analysis of a
NanoEnhanced Industrial Coolant E. Álvarez-Regueiro,
J. Vallejo, J. Fernández Seara, J. Fernández, L. Lugo,
Nanomaterials 2019, 9, 267.
[12].
P. Dong, et al., Graphene on metal grids as the
transparent conductive material for dye sensitized solar cell,
J. Phys. Chem. C 118 (2014) 25863-25868.
[13].
M.D. Bhatt, C. O'Dwyer, Recent progress in
theoretical and computational in- vestigations of Li-ion
battery materials and electrolytes, Phys. Chem. Chem. Phys.
17 (2015) 4799-4844.
[14].
J. Liu, et al., Three-dimensional Graphene-based
nanocomposites for high energy density Li-ion batteries,
J. Mater. (2017).
[15].
G. Wu, et al., High-performance supercapacitors based
on
electrochemical-induced
vertical-aligned
carbon
nanotubes and polyaniline nanocomposite electrodes, Sci.
Rep. 7 (2017) 43676.
[16].
Aqueous Activated Graphene Dispersions for
Deposition of HighSurface Area Supercapacitor Electrodes
Vasyl
Skrypnychuk,
Nicolas
Boulanger,
Andreas
Nordenström, and Alexandr Talyzin* J. Phys. Chem. Lett.
2020, 11, 3032-3038.
