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石墨烯太阳能电池能否实现商业化

2022-06-22 11:58:00

石墨烯已被吹捧用于多种高科技应用，但迄今为止仅在几个不同领域取得了商业进展。这些领域之一是太阳能电池。

石墨烯在太阳能电池中有很大的潜力，它是一个可以利用其许多特性来产生良好效果的领域。在过去的几年里，有几种商业产品进入市场，今年最新的一个针对海洋领域。

石墨烯太阳能电池的商业吸引力

石墨烯具有一系列有益的特性，包括高度的柔韧性和拉伸强度、高导电性和电荷载流子迁移率、高热稳定性、几乎 100% 的光学透明度和掺杂能力。

尽管石墨烯通常是零带隙材料（即完全导电），但仍有一些衍生物在本质上是半导体的纯石墨烯片也可以掺杂一系列原子以使其成为半导体材料——这使得它们成为半导体材料适用于光伏结。

然而，石墨烯的使用不仅仅集中在结上。石墨烯最广泛使用的领域之一，也是最具商业潜力的领域之一，是利用其导电特性替代太阳能电池中使用的透明电极中的氧化铟锡。除此之外，石墨烯还有可能用作非反射涂层，以改善其他类型太阳能电池的光吸收。

除了石墨烯表现出的电学特性外，从商业角度来看，结构特性也同样有趣，因此有太阳能电池进入市场。包含石墨烯的太阳能电池在生产过程中往往会承受较小的热应力，与正常情况相比，电池中形成的微裂纹更少。

一旦投入使用，与更传统的材料相比，石墨烯的机械性能和稳定性意味着太阳能电池的降解可能更少，使用寿命更长，从长远来看具有更好的成本效益。

石墨烯的调整和定制能力，连同它的各种其他特性，使一系列太阳能电池能够在学术和工业层面上被创造出来，以适应许多应用。石墨烯固有的薄度和柔韧性也为更柔韧、可印刷和透明的太阳能电池打开了大门。

虽然这些更具“异国情调”的太阳能电池在学术层面上仍然更多见，但还有其他石墨烯增强型太阳能电池已经上市，其他一些目前正在进行广泛的试验。

石墨烯太阳能电池的商业应用

尽管有很多希望，但石墨烯太阳能电池的商业开发仍仅限于学术实验室或尚未完全准备好进行试验。然而，在过去几年中出现了一些显着的商业发展，这导致石墨烯太阳能电池被用于实际应用。

第一个显着的商业发展来自于 2018 年历史悠久的中国公司 ZNShine，当时他们直接与印度最大的发电设备制造商 Bharat Heavy Electricals Limited 合作，解决印度太阳能电池农场积尘的问题。

就 ZNShine 的太阳能电池而言，石墨烯被用于太阳面板顶部的涂层中，以提供更好的光性能，并使表面自清洁，因此在多尘的环境中不需要定期和广泛的维护。ZNShine 此后继续向市场提供许多不同的太阳能电池设备，所有这些设备都使用石墨烯涂层来提高其太阳能电池技术的功率转换效率。

过去几年的第二大发展是 Freevolt 将石墨烯太阳能电池推向住宅市场。太阳能电池技术权利也被 S2A Modular 买断，用于自给自足的家庭。

这些太阳能电池利用石墨烯作为电池顶部的透明电极，从而使电池不仅可以利用石墨烯所具有的优异导电性能（提高效率），还可以利用其结构性能。由于它是在表面附近集成的，它最大限度地减少了太阳能电池的表面退化，减少了热和其他外部环境因素对电池的影响，提高了电池的使用寿命。

海洋应用的新方法

展望最近的商业化努力，得益于总部位于英国的 Grafmarine 公司，石墨烯太阳能电池在 2022 年一直瞄准海洋领域。这些被称为“NanoDeck”的新型石墨烯太阳能电池板将用于为船舶提供动力，并被设计为适用于海洋环境，那里的条件通常与住宅环境不同（而且通常更恶劣）。

太阳能电池旨在解决全球航运业产生的高碳排放问题。Grafmarine 开发的 NanoDeck 是模块化的，因此它们可以安装在任何船舶的表面。NanoDeck 使用复合材料形式的石墨烯以及结构和导电能力，因为石墨烯复合材料不仅构成光伏技术的一部分，而且结构特性有助于太阳能电池承受海上恶劣环境。

在这个阶段，目前只有原型可用，但最近宣布下一阶段的试验将在威尔士海岸开始，以测试石墨烯增强型 NanoDeck 的真正商业潜力和效率，以及模块化系统如何相互配合。这些试验目前正在与海洋能源工程卓越中心联合进行，以提高太阳能电池板的技术准备水平。

尽管 Grafmarine 的解决方案仍处于原型阶段，但在帮助减少长途船舶排放的排放方面仍有很大潜力。如果测试成功，还有人说这些模块化系统适用于风力涡轮机、船坞和为酒店供电。

与之前出现的其他石墨烯太阳能电池技术（例如专注于太阳能农场或住宅市场的技术）相比，这些商业市场非常多样化，显示出对石墨烯在不同高科技市场的兴趣正在增长。

我们已经在相对较短的时间内看到了石墨烯太阳能电池商业化的合理改进。随着对石墨烯产品和合作项目的更多投资和合作，这些产品可能不会在几年内成为市场上唯一的商业产品，我们甚至可能会看到更多市场开放。