المواد الكهروضوئية والشمسية
تمتص المواد الكهروضوئية والشمسية ضوء الشمس وتحوله إلى طاقة كهربائية أو كيميائية عن طريق توليد وفصل حاملات الشحنة، وهي جوهر الخلايا الشمسية وأجهزة الوقود الشمسي.
Definition
المواد الكهروضوئية والشمسية هي مواد صلبة تمتص فوتونات الشمس لتوليد شحنات إلكترونية وثقبية منفصلة، والتي يتم تجميعها لتوفير الطاقة الكهربائية أو استخدامها لدفع التفاعلات الكيميائية التي تخزن الطاقة كوقود.
Scope
يغطي هذا الموضوع كيمياء المواد لتحويل الطاقة الشمسية: أشباه الموصلات الماصة للضوء ومطابقة فجوة النطاق الخاصة بها للطيف الشمسي؛ عائلات الخلايا المصنوعة من السيليكون البلوري، والأغشية الرقيقة، والخلايا الحساسة للصبغة، وخلايا البيروفسكايت؛ توليد الشحنة وفصلها وتجميعها؛ والمواد الكهروكيميائية الضوئية التي تستخدم ضوء الشمس لدفع تفاعلات تكوين الوقود مثل تقسيم الماء. ويربط كيمياء الممتصات وهندسة الواجهات بكفاءة التحويل.
Core questions
- كيف تمتص المادة ضوء الشمس وتولد حاملات الشحنة؟
- لماذا يجب أن تتطابق فجوة النطاق لممتص شمسي مع الطيف الشمسي؟
- كيف يتم فصل وتجميع الشحنات المتولدة ضوئيًا؟
- كيف تحول المواد الكهروكيميائية الضوئية الضوء إلى وقود؟
Key concepts
- مطابقة فجوة النطاق للطيف الشمسي
- توليد الشحنة وفصلها
- خلايا السيليكون البلوري والأغشية الرقيقة
- الخلايا الحساسة للصبغة والبيروفسكايت
- تقسيم الماء الكهروكيميائي الضوئي
- كفاءة التحويل
Key theories
- امتصاص الضوء وفصل الشحنة
- يجب أن يكون للممتص الشمسي فجوة نطاق مناسبة للطيف الشمسي بحيث تولد الفوتونات أزواج إلكترون-ثقب بكفاءة؛ ثم يقوم مجال داخلي أو وصلة بفصل حاملات الشحنة وتوجيهها إلى نقاط تلامس متقابلة لتوصيل التيار.
- التحويل الكهروكيميائي الضوئي
- في الخلية الكهروكيميائية الضوئية، يولد القطب الممتص للضوء الملامس للإلكتروليت حاملات شحنة تدفع تفاعلات الأكسدة والاختزال؛ وتحول الأقطاب الضوئية الحساسة للصبغة وأشباه الموصلات ضوء الشمس إلى كهرباء أو إلى وقود كيميائي مثل الهيدروجين من الماء.
Mechanisms
يعمل الفوتون الممتص على رفع إلكترون عبر فجوة النطاق، تاركًا ثقبًا؛ يقوم مجال داخلي عند وصلة أو واجهة حساسة بفصل الزوج قبل أن يعاد اتحاده، ويتم تجميع حاملات الشحنة عند نقاط التلامس لإنتاج تيار أو لاختزال وأكسدة الأنواع في إلكتروليت لإنتاج الوقود.
Clinical relevance
توفر المواد الكهروضوئية والشمسية كهرباء متجددة على نطاقات تتراوح من أسطح المنازل إلى محطات الطاقة، وتوفر المواد الكهروكيميائية الضوئية طرقًا لإنتاج الوقود الشمسي؛ ويعد تطويرها أمرًا محوريًا لإزالة الكربون من الطاقة، مع كون تكلفة الممتصات وكفاءتها واستقرارها هي التحديات الرئيسية للمواد.
History
ظهرت الخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون البلوري في الخمسينيات، وتبعتها ممتصات الأغشية الرقيقة. قدمت خلية غراتزل وأوريغان الحساسة للصبغة عام 1991 نهجًا جزيئيًا كهروكيميائيًا ضوئيًا، وأدى اكتشاف ممتصات هاليد البيروفسكايت الفعالة منذ حوالي عام 2009 إلى ارتفاع سريع في كفاءات المختبر، مما وسع كيمياء المواد الشمسية.
Key figures
- Michael Grätzel
- Brian O'Regan
- Akihiro Kojima
Related topics
Seminal works
- gratzel2001
- chu2012
Frequently asked questions
- لماذا تمتلك مادة الخلية الشمسية فجوة نطاق مثالية؟
- إذا كانت الفجوة كبيرة جدًا، فإن ضوء الشمس منخفض الطاقة يمر دون امتصاص؛ وإذا كانت صغيرة جدًا، فإن الفوتونات عالية الطاقة تهدر طاقتها الزائدة كحرارة. تلتقط الفجوة المتوسطة المطابقة للطيف الشمسي أكبر قدر من الطاقة القابلة للاستخدام، وهذا هو السبب في اختيار كيمياء الممتصات لتحقيق هذا النطاق.
- ما هو الوقود الشمسي؟
- الوقود الشمسي هو مادة كيميائية، مثل الهيدروجين، يتم إنتاجها باستخدام ضوء الشمس لدفع تفاعل صاعد مثل تقسيم الماء. تمتص المواد الكهروكيميائية الضوئية الضوء وتستخدم الشحنات الناتجة لإجراء التفاعل، وتخزن الطاقة الشمسية في الروابط الكيميائية لاستخدامها لاحقًا.