Bahan Fotovoltaik dan Surya

Bahan fotovoltaik dan surya menyerap sinar matahari dan mengubahnya menjadi energi listrik atau kimia dengan menghasilkan dan memisahkan pembawa muatan, inti dari sel surya dan perangkat bahan bakar surya.

Definition

Bahan fotovoltaik dan surya adalah padatan yang menyerap foton surya untuk menciptakan muatan elektron dan lubang yang terpisah, yang dikumpulkan untuk menghasilkan daya listrik atau digunakan untuk mendorong reaksi kimia yang menyimpan energi sebagai bahan bakar.

Scope

Topik ini mencakup kimia material konversi energi surya: semikonduktor penyerap cahaya dan penyesuaian celah pita energinya dengan spektrum surya; keluarga sel silikon kristalin, film tipis, tersensitisasi pewarna, dan perovskit; pembangkitan, pemisahan, dan pengumpulan muatan; serta material fotoelektrokimia yang menggunakan sinar matahari untuk mendorong reaksi pembentukan bahan bakar seperti pemisahan air. Ini menghubungkan kimia penyerap dan rekayasa antarmuka dengan efisiensi konversi.

Core questions

• Bagaimana suatu material menyerap sinar matahari dan menghasilkan pembawa muatan?
• Mengapa celah pita energi penyerap surya harus sesuai dengan spektrum surya?
• Bagaimana muatan yang dihasilkan oleh foton dipisahkan dan dikumpulkan?
• Bagaimana material fotoelektrokimia mengubah cahaya menjadi bahan bakar?

Key concepts

• Penyesuaian celah pita energi dengan spektrum surya
• Pembangkitan dan pemisahan muatan
• Sel silikon kristalin dan film tipis
• Sel tersensitisasi pewarna dan perovskit
• Pemisahan air fotoelektrokimia
• Efisiensi konversi

Key theories

Penyerapan cahaya dan pemisahan muatan

Penyerap surya harus memiliki celah pita energi yang sesuai dengan spektrum surya agar foton menghasilkan pasangan elektron-lubang secara efisien; medan internal atau sambungan kemudian memisahkan pembawa muatan dan mengarahkannya ke kontak yang berlawanan untuk menghasilkan arus.

Konversi fotoelektrokimia

Dalam sel fotoelektrokimia, elektroda penyerap cahaya yang bersentuhan dengan elektrolit menghasilkan pembawa muatan yang mendorong reaksi redoks; fotoelektroda tersensitisasi pewarna dan semikonduktor mengubah sinar matahari menjadi listrik atau menjadi bahan bakar kimia seperti hidrogen dari air.

Mechanisms

Foton yang diserap mendorong elektron melintasi celah pita energi, meninggalkan lubang; medan internal pada sambungan atau antarmuka yang tersensitisasi memisahkan pasangan tersebut sebelum bergabung kembali, dan pembawa muatan dikumpulkan pada kontak untuk menghasilkan arus atau untuk mereduksi dan mengoksidasi spesies dalam elektrolit untuk membuat bahan bakar.

Clinical relevance

Bahan fotovoltaik dan surya menyediakan listrik terbarukan dalam skala dari atap hingga pembangkit listrik, dan bahan fotoelektrokimia menawarkan jalur menuju bahan bakar surya; pengembangannya sangat penting untuk dekarbonisasi energi, dengan biaya penyerap, efisiensi, dan stabilitas menjadi tantangan material utama.

History

Sel surya silikon kristalin muncul pada tahun 1950-an, diikuti oleh penyerap film tipis. Sel tersensitisasi pewarna Grätzel dan O'Regan tahun 1991 memperkenalkan pendekatan molekuler, fotoelektrokimia, dan penemuan penyerap halida-perovskit yang efisien sekitar tahun 2009 menghasilkan peningkatan pesat dalam efisiensi laboratorium, memperluas kimia material surya.

Key figures

• Michael Grätzel
• Brian O'Regan
• Akihiro Kojima

Seminal works

• gratzel2001
• chu2012

Frequently asked questions

Mengapa material sel surya memiliki celah pita energi terbaik?

Jika celah terlalu besar, sinar matahari berenergi rendah akan lewat tanpa terserap; jika terlalu kecil, foton berenergi tinggi akan membuang kelebihan energinya sebagai panas. Celah menengah yang sesuai dengan spektrum surya menangkap energi yang paling dapat digunakan, itulah sebabnya kimia penyerap dipilih untuk mencapai rentang tersebut.

Apa itu bahan bakar surya?

Bahan bakar surya adalah bahan kimia, seperti hidrogen, yang dibuat dengan menggunakan sinar matahari untuk mendorong reaksi endotermik seperti pemisahan air. Material fotoelektrokimia menyerap cahaya dan menggunakan muatan yang dihasilkan untuk melakukan reaksi, menyimpan energi surya dalam ikatan kimia untuk penggunaan di kemudian hari.