Фотоэлектрические и солнечные материалы

Фотоэлектрические и солнечные материалы поглощают солнечный свет и преобразуют его в электрическую или химическую энергию путем генерации и разделения носителей заряда, что является основой солнечных элементов и устройств для производства солнечного топлива.

Definition

Фотоэлектрические и солнечные материалы — это твердые тела, которые поглощают солнечные фотоны для создания разделенных зарядов электронов и дырок, которые собираются для выработки электрической энергии или используются для запуска химических реакций, запасающих энергию в виде топлива.

Scope

Эта тема охватывает химию материалов для преобразования солнечной энергии: светопоглощающие полупроводники и согласование их ширины запрещенной зоны с солнечным спектром; семейства кристаллических кремниевых, тонкопленочных, сенсибилизированных красителем и перовскитных элементов; генерацию, разделение и сбор заряда; а также фотоэлектрохимические материалы, которые используют солнечный свет для запуска реакций образования топлива, таких как расщепление воды. Она связывает химию поглотителя и инженерию интерфейсов с эффективностью преобразования.

Core questions

• Как материал поглощает солнечный свет и генерирует носители заряда?
• Почему ширина запрещенной зоны солнечного поглотителя должна соответствовать солнечному спектру?
• Как фотогенерированные заряды разделяются и собираются?
• Как фотоэлектрохимические материалы преобразуют свет в топливо?

Key concepts

• Согласование ширины запрещенной зоны с солнечным спектром
• Генерация и разделение заряда
• Кристаллические кремниевые и тонкопленочные элементы
• Сенсибилизированные красителем и перовскитные элементы
• Фотоэлектрохимическое расщепление воды
• Эффективность преобразования

Key theories

Поглощение света и разделение заряда

Солнечный поглотитель должен иметь ширину запрещенной зоны, подходящую для солнечного спектра, чтобы фотоны эффективно генерировали электронно-дырочные пары; затем внутреннее поле или p-n переход разделяет носители и направляет их к противоположным контактам для получения тока.

Фотоэлектрохимическое преобразование

В фотоэлектрохимическом элементе светопоглощающий электрод, контактирующий с электролитом, генерирует носители, которые запускают окислительно-восстановительные реакции; сенсибилизированные красителем и полупроводниковые фотоэлектроды преобразуют солнечный свет в электричество или в химическое топливо, такое как водород из воды.

Mechanisms

Поглощенный фотон переводит электрон через запрещенную зону, оставляя дырку; встроенное поле на p-n переходе или сенсибилизированной границе раздела разделяет пару до ее рекомбинации, и носители собираются на контактах для получения тока или для восстановления и окисления частиц в электролите для производства топлива.

Clinical relevance

Фотоэлектрические и солнечные материалы обеспечивают возобновляемую электроэнергию в масштабах от крыш до электростанций, а фотоэлектрохимические материалы предлагают пути к получению солнечного топлива; их разработка имеет центральное значение для декарбонизации энергетики, при этом стоимость поглотителя, эффективность и стабильность являются ключевыми материаловедческими проблемами.

History

Кристаллические кремниевые солнечные элементы появились в 1950-х годах, за ними последовали тонкопленочные поглотители. Сенсибилизированный красителем элемент Грецеля и О'Регана 1991 года представил молекулярный, фотоэлектрохимический подход, а открытие эффективных галогенидно-перовскитных поглотителей примерно с 2009 года привело к быстрому росту лабораторной эффективности, расширив химию солнечных материалов.

Key figures

• Michael Grätzel
• Brian O'Regan
• Akihiro Kojima

Seminal works

• gratzel2001
• chu2012

Frequently asked questions

Почему материал солнечного элемента имеет оптимальную ширину запрещенной зоны?

Если ширина запрещенной зоны слишком велика, низкоэнергетический солнечный свет проходит, не поглощаясь; если она слишком мала, высокоэнергетические фотоны теряют свою избыточную энергию в виде тепла. Промежуточная ширина запрещенной зоны, соответствующая солнечному спектру, улавливает наибольшее количество полезной энергии, поэтому химия поглотителя выбирается так, чтобы попасть в этот диапазон.

Что такое солнечное топливо?

Солнечное топливо — это химическое вещество, такое как водород, получаемое с использованием солнечного света для запуска эндотермической реакции, такой как расщепление воды. Фотоэлектрохимические материалы поглощают свет и используют образующиеся заряды для проведения реакции, запасая солнечную энергию в химических связях для последующего использования.