Materiales fotovoltaicos y solares
Los materiales fotovoltaicos y solares absorben la luz solar y la convierten en energía eléctrica o química mediante la generación y separación de portadores de carga, el corazón de las células solares y los dispositivos de combustible solar.
Definition
Los materiales fotovoltaicos y solares son sólidos que absorben fotones solares para crear cargas separadas de electrones y huecos, que se recolectan para suministrar energía eléctrica o se utilizan para impulsar reacciones químicas que almacenan energía como combustible.
Scope
Este tema abarca la química de materiales de la conversión de energía solar: semiconductores que absorben luz y su adaptación de la banda prohibida al espectro solar; las familias de células de silicio cristalino, de película delgada, sensibilizadas por colorante y de perovskita; la generación, separación y recolección de carga; y materiales fotoelectroquímicos que utilizan la luz solar para impulsar reacciones de formación de combustible como la disociación del agua. Vincula la química del absorbedor y la ingeniería de interfaz con la eficiencia de conversión.
Core questions
- ¿Cómo absorbe un material la luz solar y genera portadores de carga?
- ¿Por qué la banda prohibida de un absorbedor solar debe coincidir con el espectro solar?
- ¿Cómo se separan y recolectan las cargas fotogeneradas?
- ¿Cómo convierten los materiales fotoelectroquímicos la luz en combustible?
Key concepts
- Adaptación de la banda prohibida al espectro solar
- Generación y separación de carga
- Células de silicio cristalino y de película delgada
- Células sensibilizadas por colorante y de perovskita
- Disociación fotoelectroquímica del agua
- Eficiencia de conversión
Key theories
- Absorción de luz y separación de carga
- Un absorbedor solar debe tener una banda prohibida adecuada al espectro solar para que los fotones generen pares electrón-hueco de manera eficiente; un campo interno o unión separa entonces los portadores y los dirige a contactos opuestos para suministrar corriente.
- Conversión fotoelectroquímica
- En una célula fotoelectroquímica, un electrodo que absorbe luz en contacto con un electrolito genera portadores que impulsan reacciones redox; los fotoelectrodos sensibilizados por colorante y semiconductores convierten la luz solar en electricidad o en combustibles químicos como el hidrógeno a partir del agua.
Mechanisms
Un fotón absorbido promueve un electrón a través de la banda prohibida, dejando un hueco; un campo incorporado en una unión o interfaz sensibilizada separa el par antes de que se recombine, y los portadores se recolectan en los contactos para producir corriente o para reducir y oxidar especies en un electrolito para producir combustible.
Clinical relevance
Los materiales fotovoltaicos y solares proporcionan electricidad renovable a escalas que van desde tejados hasta centrales eléctricas, y los materiales fotoelectroquímicos ofrecen rutas hacia los combustibles solares; su desarrollo es fundamental para descarbonizar la energía, siendo el costo, la eficiencia y la estabilidad del absorbedor los desafíos clave de los materiales.
History
Las células solares de silicio cristalino surgieron en la década de 1950, seguidas por los absorbedores de película delgada. La célula sensibilizada por colorante de Grätzel y O'Regan de 1991 introdujo un enfoque molecular y fotoelectroquímico, y el descubrimiento de absorbedores eficientes de haluro de perovskita alrededor de 2009 produjo un rápido aumento en la eficiencia de laboratorio, ampliando la química de los materiales solares.
Key figures
- Michael Grätzel
- Brian O'Regan
- Akihiro Kojima
Related topics
Seminal works
- gratzel2001
- chu2012
Frequently asked questions
- ¿Por qué el material de una célula solar tiene una banda prohibida óptima?
- Si la banda es demasiado grande, la luz solar de baja energía pasa sin ser absorbida; si es demasiado pequeña, los fotones de alta energía desperdician su exceso en forma de calor. Una banda intermedia adaptada al espectro solar captura la energía más utilizable, razón por la cual la química del absorbedor se elige para alcanzar ese rango.
- ¿Qué es un combustible solar?
- Un combustible solar es una sustancia química, como el hidrógeno, producida utilizando la luz solar para impulsar una reacción endergónica como la disociación del agua. Los materiales fotoelectroquímicos absorben la luz y utilizan las cargas resultantes para realizar la reacción, almacenando la energía solar en enlaces químicos para su uso posterior.