Grafeen en andere tweedimensionale (2D) materialen hebben een enorm potentieel voor het benutten van de energie van de zon. Hun uitzonderlijke eigenschappen, zoals een groot oppervlak, uitstekende mobiliteit van ladingsdragers en instelbare bandafstanden, maken ze veelbelovende kandidaten voor verschillende fotovoltaïsche toepassingen. Hier zijn een paar manieren waarop grafeen en zijn 2D-tegenhangers kunnen worden gebruikt bij de conversie van zonne-energie:

1. Fotovoltaïsche cellen:

De hoge transparantie en uitstekende mobiliteit van de ladingsdragers maken grafeen tot een ideaal materiaal voor transparante elektroden in zonnecellen. In combinatie met halfgeleidende materialen kan grafeen heterojuncties vormen, waardoor de efficiëntie van lichtabsorptie en ladingsscheiding wordt verbeterd. Op grafeen gebaseerde transparante elektroden hebben een verbeterde lichtopbrengst en verminderde reflectieverliezen aangetoond, wat heeft geleid tot een hogere energieconversie-efficiëntie in zonnecellen.

2. Perovskiet-zonnecellen:

2D-materialen, zoals grafeen en overgangsmetaaldichalcogeniden (TMDC's), zijn in perovskietzonnecellen verwerkt om hun stabiliteit en prestaties te verbeteren. Grafeen kan fungeren als een ladingstransportlaag, waardoor fotogegenereerde dragers efficiënt worden geëxtraheerd en getransporteerd. TMDC's, zoals molybdeendisulfide (MoS2), kunnen heterojuncties vormen met perovskieten, waardoor de lichtabsorptie wordt verbeterd en recombinatieverliezen worden verminderd. Deze 2D-materialen verbeteren de algehele efficiëntie van de energieomzetting en de stabiliteit op lange termijn van perovskietzonnecellen.

3. Quantum Dot-zonnecellen:

Grafeen en andere 2D-materialen kunnen worden geïntegreerd met kwantumdots om kwantumdot-zonnecellen te creëren. De combinatie van de uitstekende ladingstransporteigenschappen van grafeen en de afstembare bandafstanden van quantum dots zorgen voor een efficiënte lichtoogst over een breed spectrum van het zonnespectrum. Grafeen-quantum dot hybride zonnecellen hebben een verbeterde lichtabsorptie, verbeterde scheiding van ladingsdragers en een grotere energieconversie-efficiëntie laten zien in vergelijking met conventionele quantum dot-zonnecellen.

4. Tandem-zonnecellen:

2D-materialen kunnen worden gebruikt in tandem-zonnecellen om een ​​hogere conversie-efficiëntie te bereiken door meerdere fotovoltaïsche lagen met verschillende bandafstanden te stapelen. Grafeen kan dienen als een transparante verbindingslaag tussen de subcellen, waardoor efficiënt ladingstransport mogelijk wordt gemaakt en optische verliezen worden verminderd. Door grafeen te combineren met verschillende halfgeleidende materialen kunnen tandemzonnecellen een hogere energieomzettingsefficiëntie bereiken, waardoor ze efficiënter worden in het omzetten van zonlicht in elektrische energie.

5. Lichtmanagement:

De unieke optische eigenschappen van grafeen kunnen worden benut voor lichtbeheer in zonnecellen. Door grafeen in specifieke structuren te vormen, zoals periodieke arrays of nanostructuren, is het mogelijk de reflectie, absorptie en verstrooiing van zonlicht te manipuleren. Dit maakt een betere lichtvangst en -gebruik binnen de zonnecel mogelijk, waardoor de algehele efficiëntie van de lichtconversie wordt verbeterd.

6. Watersplitsing op zonne-energie:

Grafeen en 2D-materialen zijn veelbelovend gebleken voor de door zonne-energie aangedreven watersplitsing, een proces waarbij water met behulp van zonlicht in waterstof en zuurstof wordt gesplitst. Grafeen kan fungeren als katalysatorondersteuning, waardoor de activiteit en stabiliteit van watersplitsende katalysatoren wordt verbeterd. TMDC's, zoals MoS2 en wolfraamdisulfide (WS2), beschikken over geschikte bandafstanden en uitstekende ladingsscheidingseigenschappen, waardoor ze veelbelovende fotokatalysatoren zijn voor watersplitsing. Door grafeen en deze 2D-materialen te combineren kunnen efficiënte en stabiele, door zonne-energie aangedreven watersplitsingssystemen worden ontwikkeld voor de productie van waterstof.

Samenvattend bieden grafeen en andere 2D-materialen een breed scala aan mogelijkheden voor het benutten van zonne-energie. Hun unieke eigenschappen maken vooruitgang mogelijk op het gebied van fotovoltaïsche celtechnologie, perovskietzonnecellen, quantum dot-zonnecellen, tandemzonnecellen, lichtbeheer en door zonne-energie aangedreven watersplitsing. Deze 2D-materialen hebben het potentieel om de conversie van zonne-energie radicaal te veranderen en bij te dragen aan de ontwikkeling van efficiëntere en duurzamere zonnetechnologieën.