Materiais Fotovoltaicos e Solares

Materiais fotovoltaicos e solares absorvem a luz solar e a convertem em energia elétrica ou química, gerando e separando portadores de carga, o cerne das células solares e dos dispositivos de combustível solar.

Definition

Materiais fotovoltaicos e solares são sólidos que absorvem fótons solares para criar cargas separadas de elétrons e buracos, que são coletadas para fornecer energia elétrica ou usadas para impulsionar reações químicas que armazenam energia como combustível.

Scope

Este tópico abrange a química de materiais da conversão de energia solar: semicondutores absorvedores de luz e seu ajuste de banda proibida (band-gap) ao espectro solar; as famílias de células de silício cristalino, de filme fino, sensibilizadas por corante e de perovskita; geração, separação e coleta de carga; e materiais fotoeletroquímicos que utilizam a luz solar para impulsionar reações de formação de combustível, como a eletrólise da água. Ele conecta a química do absorvedor e a engenharia de interface à eficiência de conversão.

Core questions

• Como um material absorve a luz solar e gera portadores de carga?
• Por que a banda proibida (band gap) de um absorvedor solar deve corresponder ao espectro solar?
• Como as cargas fotogeradas são separadas e coletadas?
• Como os materiais fotoeletroquímicos convertem luz em combustível?

Key concepts

• Ajuste da banda proibida (band gap) ao espectro solar
• Geração e separação de carga
• Células de silício cristalino e de filme fino
• Células sensibilizadas por corante e de perovskita
• Eletrólise da água fotoeletroquímica
• Eficiência de conversão

Key theories

Absorção de luz e separação de carga

Um absorvedor solar deve ter uma banda proibida (band gap) adequada ao espectro solar para que os fótons gerem pares elétron-buraco de forma eficiente; um campo interno ou junção então separa os portadores e os direciona para contatos opostos para fornecer corrente.

Conversão fotoeletroquímica

Em uma célula fotoeletroquímica, um eletrodo absorvedor de luz em contato com um eletrólito gera portadores que impulsionam reações redox; fotoeletrodos sensibilizados por corante e semicondutores convertem a luz solar em eletricidade ou em combustíveis químicos, como hidrogênio a partir da água.

Mechanisms

Um fóton absorvido promove um elétron através da banda proibida (band gap), deixando um buraco; um campo embutido em uma junção ou interface sensibilizada separa o par antes que ele se recombine, e os portadores são coletados em contatos para produzir corrente ou para reduzir e oxidar espécies em um eletrólito para produzir combustível.

Clinical relevance

Materiais fotovoltaicos e solares fornecem eletricidade renovável em escalas que vão de telhados a usinas de energia, e materiais fotoeletroquímicos oferecem rotas para combustíveis solares; seu desenvolvimento é central para a descarbonização da energia, sendo o custo do absorvedor, a eficiência e a estabilidade os principais desafios dos materiais.

History

As células solares de silício cristalino surgiram na década de 1950, seguidas pelos absorvedores de filme fino. A célula sensibilizada por corante de Grätzel e O'Regan, de 1991, introduziu uma abordagem molecular e fotoeletroquímica, e a descoberta de absorvedores eficientes de haleto de perovskita por volta de 2009 produziu um rápido aumento nas eficiências de laboratório, ampliando a química dos materiais solares.

Key figures

• Michael Grätzel
• Brian O'Regan
• Akihiro Kojima

Seminal works

• gratzel2001
• chu2012

Frequently asked questions

Por que o material de uma célula solar tem uma banda proibida (band gap) ideal?

Se a banda proibida for muito grande, a luz solar de baixa energia passa sem ser absorvida; se for muito pequena, os fótons de alta energia desperdiçam seu excesso como calor. Uma banda proibida intermediária, ajustada ao espectro solar, captura a energia mais utilizável, razão pela qual a química do absorvedor é escolhida para atingir essa faixa.

O que é um combustível solar?

Um combustível solar é uma substância química, como o hidrogênio, produzida usando a luz solar para impulsionar uma reação endergônica, como a eletrólise da água. Materiais fotoeletroquímicos absorvem a luz e usam as cargas resultantes para realizar a reação, armazenando energia solar em ligações químicas para uso posterior.