太陽光発電材料と太陽エネルギー材料

太陽光発電材料と太陽エネルギー材料は、太陽光を吸収し、電荷キャリアを生成・分離することで電気エネルギーまたは化学エネルギーに変換します。これらは太陽電池や太陽燃料デバイスの核となるものです。

Definition

太陽光発電材料と太陽エネルギー材料は、太陽光子を吸収して分離された電子と正孔の電荷を生成する固体であり、これらの電荷は収集されて電力を供給したり、エネルギーを燃料として貯蔵する化学反応を促進するために使用されます。

Scope

このトピックでは、太陽エネルギー変換の材料化学について扱います。具体的には、光吸収半導体とその太陽スペクトルへのバンドギャップ適合、結晶シリコン、薄膜、色素増感、ペロブスカイト電池の各ファミリー、電荷の生成、分離、収集、そして太陽光を利用して水分解などの燃料生成反応を促進する光電気化学材料が含まれます。吸収体化学と界面工学を変換効率に結びつけます。

Core questions

• 材料はどのように太陽光を吸収し、電荷キャリアを生成するのか？
• 太陽光吸収体のバンドギャップはなぜ太陽スペクトルに適合しなければならないのか？
• 光生成された電荷はどのように分離され、収集されるのか？
• 光電気化学材料はどのように光を燃料に変換するのか？

Key concepts

• 太陽スペクトルへのバンドギャップ適合
• 電荷の生成と分離
• 結晶シリコンおよび薄膜電池
• 色素増感およびペロブスカイト電池
• 光電気化学的水分解
• 変換効率

Key theories

光吸収と電荷分離

太陽光吸収体は、光子が効率的に電子-正孔ペアを生成できるように、太陽スペクトルに適したバンドギャップを持つ必要があります。その後、内部電場または接合部がキャリアを分離し、反対側の電極に誘導して電流を供給します。

光電気化学変換

光電気化学セルでは、電解質と接触する光吸収電極がキャリアを生成し、それがレドックス反応を促進します。色素増感電極や半導体光電極は、太陽光を電気に、または水からの水素などの化学燃料に変換します。

Mechanisms

吸収された光子は電子をバンドギャップを越えて励起させ、正孔を残します。接合部または増感界面に形成された内部電場が、再結合する前にペアを分離し、キャリアは電極で収集されて電流を生成したり、電解質中の種を還元・酸化して燃料を生成したりします。

Clinical relevance

太陽光発電材料と太陽エネルギー材料は、屋上から発電所規模まで再生可能電力を提供し、光電気化学材料は太陽燃料への道を開きます。これらの開発はエネルギーの脱炭素化の中心であり、吸収体のコスト、効率、安定性が主要な材料課題となっています。

History

結晶シリコン太陽電池は1950年代に出現し、その後薄膜吸収体が続きました。GrätzelとO'Reganによる1991年の色素増感電池は、分子的な光電気化学的アプローチを導入し、2009年頃からの効率的なハロゲン化ペロブスカイト吸収体の発見は、研究室での効率を急速に向上させ、太陽エネルギー材料の化学を広げました。

Key figures

• Michael Grätzel
• Brian O'Regan
• Akihiro Kojima

Seminal works

• gratzel2001
• chu2012

Frequently asked questions

太陽電池の材料に最適なバンドギャップがあるのはなぜですか？

バンドギャップが大きすぎると、低エネルギーの太陽光は吸収されずに透過してしまいます。小さすぎると、高エネルギーの光子は余分なエネルギーを熱として浪費してしまいます。太陽スペクトルに適合した中間的なバンドギャップが最も利用可能なエネルギーを捕らえるため、吸収体化学はその範囲に適合するように選択されます。

太陽燃料とは何ですか？

太陽燃料とは、太陽光を利用して水を分解するなどの吸熱反応を促進することで生成される、水素のような化学物質です。光電気化学材料は光を吸収し、その結果生じる電荷を利用して反応を実行し、太陽エネルギーを化学結合として貯蔵して後で利用します。