Photovoltaische und solare Materialien

Photovoltaische und solare Materialien absorbieren Sonnenlicht und wandeln es in elektrische oder chemische Energie um, indem sie Ladungsträger erzeugen und trennen, was das Herzstück von Solarzellen und Solarbrennstoffzellen ist.

Definition

Photovoltaische und solare Materialien sind Feststoffe, die solare Photonen absorbieren, um getrennte Elektronen- und Lochladungen zu erzeugen, die gesammelt werden, um elektrische Energie zu liefern oder chemische Reaktionen anzutreiben, die Energie als Brennstoff speichern.

Scope

Dieses Thema behandelt die Materialchemie der Solarenergieumwandlung: lichtabsorbierende Halbleiter und ihre Bandlückenanpassung an das Sonnenspektrum; die Familien der kristallinen Silizium-, Dünnschicht-, Farbstoff-sensibilisierten und Perowskit-Zellen; Ladungserzeugung, -trennung und -sammlung; und photoelektrochemische Materialien, die Sonnenlicht nutzen, um brennstoffbildende Reaktionen wie die Wasserspaltung anzutreiben. Es verknüpft die Absorberchemie und die Grenzflächentechnik mit der Umwandlungseffizienz.

Core questions

• Wie absorbiert ein Material Sonnenlicht und erzeugt Ladungsträger?
• Warum muss die Bandlücke eines Solarabsorbers zum Sonnenspektrum passen?
• Wie werden photogenerierte Ladungen getrennt und gesammelt?
• Wie wandeln photoelektrochemische Materialien Licht in Brennstoff um?

Key concepts

• Bandlückenanpassung an das Sonnenspektrum
• Ladungserzeugung und -trennung
• Kristalline Silizium- und Dünnschichtzellen
• Farbstoff-sensibilisierte und Perowskit-Zellen
• Photoelektrochemische Wasserspaltung
• Umwandlungseffizienz

Key theories

Lichtabsorption und Ladungstrennung

Ein Solarabsorber muss eine für das Sonnenspektrum geeignete Bandlücke aufweisen, damit Photonen effizient Elektron-Loch-Paare erzeugen; ein internes Feld oder ein Übergang trennt dann die Ladungsträger und leitet sie zu entgegengesetzten Kontakten, um Strom zu liefern.

Photoelektrochemische Umwandlung

In einer photoelektrochemischen Zelle erzeugt eine lichtabsorbierende Elektrode in Kontakt mit einem Elektrolyten Ladungsträger, die Redoxreaktionen antreiben; Farbstoff-sensibilisierte und Halbleiter-Photoelektroden wandeln Sonnenlicht in Elektrizität oder in chemische Brennstoffe wie Wasserstoff aus Wasser um.

Mechanisms

Ein absorbiertes Photon fördert ein Elektron über die Bandlücke, wobei ein Loch zurückbleibt; ein eingebautes Feld an einem Übergang oder einer sensibilisierten Grenzfläche trennt das Paar, bevor es rekombiniert, und die Ladungsträger werden an Kontakten gesammelt, um Strom zu erzeugen oder Spezies in einem Elektrolyten zu reduzieren und zu oxidieren, um Brennstoff herzustellen.

Clinical relevance

Photovoltaische und solare Materialien liefern erneuerbaren Strom in Größenordnungen von Dächern bis zu Kraftwerken, und photoelektrochemische Materialien bieten Wege zu solaren Brennstoffen; ihre Entwicklung ist zentral für die Dekarbonisierung der Energie, wobei Absorberkosten, Effizienz und Stabilität die wichtigsten Materialherausforderungen darstellen.

History

Kristalline Silizium-Solarzellen kamen in den 1950er Jahren auf, gefolgt von Dünnschichtabsorbern. Die 1991 von Grätzel und O'Regan entwickelte Farbstoff-sensibilisierte Zelle führte einen molekularen, photoelektrochemischen Ansatz ein, und die Entdeckung effizienter Halogenid-Perowskit-Absorber ab etwa 2009 führte zu einem raschen Anstieg der Laboreffizienzen, wodurch die Chemie der Solarmaterialien erweitert wurde.

Key figures

• Michael Grätzel
• Brian O'Regan
• Akihiro Kojima

Seminal works

• gratzel2001
• chu2012

Frequently asked questions

Warum hat das Material einer Solarzelle eine optimale Bandlücke?

Ist die Bandlücke zu groß, wird Sonnenlicht niedriger Energie unabsorbiert durchgelassen; ist sie zu klein, verschwenden hochenergetische Photonen ihren Überschuss als Wärme. Eine mittlere, an das Sonnenspektrum angepasste Bandlücke fängt die nutzbarste Energie ein, weshalb die Absorberchemie so gewählt wird, dass sie diesen Bereich trifft.

Was ist ein solarer Brennstoff?

Ein solarer Brennstoff ist eine Chemikalie, wie z.B. Wasserstoff, die durch die Nutzung von Sonnenlicht zur Durchführung einer endergonischen Reaktion wie der Wasserspaltung hergestellt wird. Photoelektrochemische Materialien absorbieren Licht und nutzen die resultierenden Ladungen, um die Reaktion durchzuführen, wobei Solarenergie in chemischen Bindungen zur späteren Verwendung gespeichert wird.