مواد فتوولتائیک و خورشیدی

مواد فتوولتائیک و خورشیدی نور خورشید را جذب کرده و با تولید و جداسازی حامل‌های بار، آن را به انرژی الکتریکی یا شیمیایی تبدیل می‌کنند که اساس سلول‌های خورشیدی و دستگاه‌های سوخت خورشیدی است.

Definition

مواد فتوولتائیک و خورشیدی جامداتی هستند که فوتون‌های خورشیدی را جذب می‌کنند تا بارهای الکترون و حفره جدا شده را ایجاد کنند، که این بارها برای تأمین توان الکتریکی یا برای پیشبرد واکنش‌های شیمیایی که انرژی را به صورت سوخت ذخیره می‌کنند، جمع‌آوری می‌شوند.

Scope

این موضوع به شیمی مواد تبدیل انرژی خورشیدی می‌پردازد: نیمه‌رساناهای جاذب نور و تطابق گاف نواری آن‌ها با طیف خورشیدی؛ خانواده‌های سلول‌های سیلیکون کریستالی، لایه نازک، حساس به رنگ و پروسکایت؛ تولید، جداسازی و جمع‌آوری بار؛ و مواد فوتوالکتروشیمیایی که از نور خورشید برای پیشبرد واکنش‌های تولید سوخت مانند شکافت آب استفاده می‌کنند. این مبحث، شیمی جاذب و مهندسی رابط را به بازده تبدیل مرتبط می‌سازد.

Core questions

• یک ماده چگونه نور خورشید را جذب کرده و حامل‌های بار را تولید می‌کند؟
• چرا گاف نواری یک جاذب خورشیدی باید با طیف خورشیدی مطابقت داشته باشد؟
• بارهای تولید شده توسط نور چگونه جدا و جمع‌آوری می‌شوند؟
• مواد فوتوالکتروشیمیایی چگونه نور را به سوخت تبدیل می‌کنند؟

Key concepts

• تطابق گاف نواری با طیف خورشیدی
• تولید و جداسازی بار
• سلول‌های سیلیکون کریستالی و لایه نازک
• سلول‌های حساس به رنگ و پروسکایت
• شکافت آب فوتوالکتروشیمیایی
• بازده تبدیل

Key theories

جذب نور و جداسازی بار

یک جاذب خورشیدی باید گاف نواری مناسبی برای طیف خورشیدی داشته باشد تا فوتون‌ها به طور کارآمد جفت‌های الکترون-حفره تولید کنند؛ سپس یک میدان داخلی یا پیوندگاه، حامل‌ها را جدا کرده و آن‌ها را به سمت تماس‌های مخالف هدایت می‌کند تا جریان را تأمین کنند.

تبدیل فوتوالکتروشیمیایی

در یک سلول فوتوالکتروشیمیایی، یک الکترود جاذب نور در تماس با یک الکترولیت، حامل‌هایی تولید می‌کند که واکنش‌های ردوکس را پیش می‌برند؛ فوتوالکترودهای حساس به رنگ و نیمه‌رسانا، نور خورشید را به برق یا به سوخت‌های شیمیایی مانند هیدروژن از آب تبدیل می‌کنند.

Mechanisms

یک فوتون جذب شده، الکترونی را از گاف نواری عبور می‌دهد و یک حفره باقی می‌گذارد؛ یک میدان داخلی در یک پیوندگاه یا رابط حساس شده، این جفت را قبل از بازترکیب جدا می‌کند و حامل‌ها در تماس‌ها جمع‌آوری می‌شوند تا جریان تولید کنند یا گونه‌ها را در یک الکترولیت کاهش و اکسید کنند تا سوخت بسازند.

Clinical relevance

مواد فتوولتائیک و خورشیدی برق تجدیدپذیر را در مقیاس‌های مختلف از پشت‌بام‌ها تا نیروگاه‌ها فراهم می‌کنند و مواد فوتوالکتروشیمیایی مسیرهایی را برای سوخت‌های خورشیدی ارائه می‌دهند؛ توسعه آن‌ها برای کربن‌زدایی انرژی حیاتی است، با چالش‌های کلیدی مواد شامل هزینه جاذب، کارایی و پایداری.

History

سلول‌های خورشیدی سیلیکون کریستالی در دهه ۱۹۵۰ ظهور کردند و پس از آن جاذب‌های لایه نازک آمدند. سلول حساس به رنگ گراتزل و اوریگان در سال ۱۹۹۱ رویکرد مولکولی و فوتوالکتروشیمیایی را معرفی کرد و کشف جاذب‌های پروسکایت هالید کارآمد از حدود سال ۲۰۰۹ منجر به افزایش سریع کارایی آزمایشگاهی شد و شیمی مواد خورشیدی را گسترش داد.

Key figures

• Michael Grätzel
• Brian O'Regan
• Akihiro Kojima

Seminal works

• gratzel2001
• chu2012

Frequently asked questions

چرا ماده یک سلول خورشیدی دارای بهترین گاف نواری است؟

اگر گاف بیش از حد بزرگ باشد، نور خورشید با انرژی کم جذب نمی‌شود؛ اگر بیش از حد کوچک باشد، فوتون‌های پرانرژی انرژی اضافی خود را به صورت گرما هدر می‌دهند. یک گاف میانی که با طیف خورشیدی مطابقت دارد، بیشترین انرژی قابل استفاده را جذب می‌کند، به همین دلیل شیمی جاذب برای رسیدن به این محدوده انتخاب می‌شود.

سوخت خورشیدی چیست؟

سوخت خورشیدی یک ماده شیمیایی، مانند هیدروژن، است که با استفاده از نور خورشید برای پیشبرد یک واکنش بالارونده مانند شکافت آب ساخته می‌شود. مواد فوتوالکتروشیمیایی نور را جذب کرده و از بارهای حاصل برای انجام واکنش استفاده می‌کنند و انرژی خورشیدی را در پیوندهای شیمیایی برای استفاده بعدی ذخیره می‌کنند.