Matériaux photovoltaïques et solaires

Les matériaux photovoltaïques et solaires absorbent la lumière du soleil et la convertissent en énergie électrique ou chimique en générant et en séparant des porteurs de charge, constituant le cœur des cellules solaires et des dispositifs de production de carburants solaires.

Definition

Les matériaux photovoltaïques et solaires sont des solides qui absorbent les photons solaires pour créer des charges d'électrons et de trous séparées, lesquelles sont collectées pour fournir de l'énergie électrique ou utilisées pour catalyser des réactions chimiques qui stockent l'énergie sous forme de carburant.

Scope

Ce sujet couvre la chimie des matériaux pour la conversion de l'énergie solaire : les semi-conducteurs photoabsorbants et l'adaptation de leur bande interdite au spectre solaire ; les familles de cellules à silicium cristallin, à couches minces, à colorant et à pérovskite ; la génération, la séparation et la collecte des charges ; et les matériaux photoélectrochimiques qui utilisent la lumière du soleil pour catalyser des réactions de formation de carburant, telles que la dissociation de l'eau. Il établit un lien entre la chimie de l'absorbeur et l'ingénierie des interfaces pour l'efficacité de conversion.

Core questions

• Comment un matériau absorbe-t-il la lumière du soleil et génère-t-il des porteurs de charge ?
• Pourquoi la bande interdite d'un absorbeur solaire doit-elle correspondre au spectre solaire ?
• Comment les charges photogénérées sont-elles séparées et collectées ?
• Comment les matériaux photoélectrochimiques convertissent-ils la lumière en carburant ?

Key concepts

• Adaptation de la bande interdite au spectre solaire
• Génération et séparation des charges
• Cellules à silicium cristallin et à couches minces
• Cellules à colorant et à pérovskite
• Dissociation photoélectrochimique de l'eau
• Efficacité de conversion

Key theories

Absorption de la lumière et séparation des charges

Un absorbeur solaire doit posséder une bande interdite adaptée au spectre solaire afin que les photons génèrent efficacement des paires électron-trou ; un champ interne ou une jonction sépare ensuite les porteurs et les dirige vers des contacts opposés pour délivrer un courant.

Conversion photoélectrochimique

Dans une cellule photoélectrochimique, une électrode photoabsorbante en contact avec un électrolyte génère des porteurs qui catalysent des réactions redox ; les photoélectrodes à colorant et semi-conductrices convertissent la lumière du soleil en électricité ou en carburants chimiques tels que l'hydrogène à partir de l'eau.

Mechanisms

Un photon absorbé promeut un électron à travers la bande interdite, laissant un trou ; un champ interne à une jonction ou une interface sensibilisée sépare la paire avant sa recombinaison, et les porteurs sont collectés aux contacts pour produire un courant ou pour réduire et oxyder des espèces dans un électrolyte afin de produire du carburant.

Clinical relevance

Les matériaux photovoltaïques et solaires fournissent de l'électricité renouvelable à des échelles allant des toits aux centrales électriques, et les matériaux photoélectrochimiques offrent des voies vers les carburants solaires ; leur développement est essentiel à la décarbonation de l'énergie, le coût de l'absorbeur, son efficacité et sa stabilité étant les principaux défis matériels.

History

Les cellules solaires à silicium cristallin sont apparues dans les années 1950, suivies par les absorbeurs à couches minces. La cellule à colorant de Grätzel et O'Regan de 1991 a introduit une approche moléculaire et photoélectrochimique, et la découverte d'absorbeurs efficaces à base d'halogénures de pérovskite à partir d'environ 2009 a entraîné une augmentation rapide des rendements en laboratoire, élargissant ainsi la chimie des matériaux solaires.

Key figures

• Michael Grätzel
• Brian O'Regan
• Akihiro Kojima

Seminal works

• gratzel2001
• chu2012

Frequently asked questions

Pourquoi le matériau d'une cellule solaire possède-t-il une bande interdite optimale ?

Si la bande interdite est trop large, la lumière solaire de faible énergie la traverse sans être absorbée ; si elle est trop petite, les photons de haute énergie dissipent leur excès sous forme de chaleur. Une bande interdite intermédiaire, adaptée au spectre solaire, capte le plus d'énergie utilisable, c'est pourquoi la chimie de l'absorbeur est choisie pour atteindre cette plage.

Qu'est-ce qu'un carburant solaire ?

Un carburant solaire est une substance chimique, telle que l'hydrogène, produite en utilisant la lumière du soleil pour catalyser une réaction endergonique comme la dissociation de l'eau. Les matériaux photoélectrochimiques absorbent la lumière et utilisent les charges résultantes pour réaliser la réaction, stockant ainsi l'énergie solaire dans des liaisons chimiques pour une utilisation ultérieure.