วัสดุเซลล์แสงอาทิตย์และพลังงานแสงอาทิตย์

วัสดุเซลล์แสงอาทิตย์และพลังงานแสงอาทิตย์ดูดซับแสงอาทิตย์และเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้าหรือพลังงานเคมีโดยการสร้างและแยกพาหะประจุ ซึ่งเป็นหัวใจสำคัญของเซลล์แสงอาทิตย์และอุปกรณ์เชื้อเพลิงแสงอาทิตย์

Definition

วัสดุเซลล์แสงอาทิตย์และพลังงานแสงอาทิตย์คือของแข็งที่ดูดซับโฟตอนแสงอาทิตย์เพื่อสร้างอิเล็กตรอนและโฮลที่แยกจากกัน ซึ่งจะถูกรวบรวมเพื่อส่งพลังงานไฟฟ้า หรือใช้เพื่อขับเคลื่อนปฏิกิริยาเคมีที่เก็บพลังงานในรูปของเชื้อเพลิง

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมเคมีของวัสดุในการเปลี่ยนรูปพลังงานแสงอาทิตย์: สารกึ่งตัวนำที่ดูดซับแสงและการจับคู่ช่องว่างแถบพลังงาน (band-gap) กับสเปกตรัมแสงอาทิตย์; ตระกูลเซลล์ซิลิคอนผลึกบาง, ฟิล์มบาง, เซลล์ย้อมสีไวแสง (dye-sensitised) และเซลล์เพอรอฟสไกต์ (perovskite); การสร้าง, การแยก และการเก็บรวบรวมประจุ; และวัสดุโฟโตอิเล็กโทรเคมี (photoelectrochemical materials) ที่ใช้แสงอาทิตย์ในการขับเคลื่อนปฏิกิริยาการสร้างเชื้อเพลิง เช่น การแยกน้ำ หัวข้อนี้เชื่อมโยงเคมีของสารดูดซับและการออกแบบส่วนต่อประสาน (interface engineering) เข้ากับประสิทธิภาพการแปลงพลังงาน

Core questions

• วัสดุดูดซับแสงอาทิตย์และสร้างพาหะประจุได้อย่างไร?
• เหตุใดช่องว่างแถบพลังงานของสารดูดซับแสงอาทิตย์จึงต้องตรงกับสเปกตรัมแสงอาทิตย์?
• ประจุที่เกิดจากแสงถูกแยกและรวบรวมได้อย่างไร?
• วัสดุโฟโตอิเล็กโทรเคมีเปลี่ยนแสงเป็นเชื้อเพลิงได้อย่างไร?

Key concepts

• การจับคู่ช่องว่างแถบพลังงานกับสเปกตรัมแสงอาทิตย์
• การสร้างและการแยกประจุ
• เซลล์ซิลิคอนผลึกและฟิล์มบาง
• เซลล์ย้อมสีไวแสงและเซลล์เพอรอฟสไกต์
• การแยกน้ำด้วยโฟโตอิเล็กโทรเคมี
• ประสิทธิภาพการแปลงพลังงาน

Key theories

การดูดซับแสงและการแยกประจุ

สารดูดซับแสงอาทิตย์ต้องมีช่องว่างแถบพลังงานที่เหมาะสมกับสเปกตรัมแสงอาทิตย์ เพื่อให้โฟตอนสร้างคู่อิเล็กตรอน-โฮลได้อย่างมีประสิทธิภาพ; จากนั้นสนามไฟฟ้าภายในหรือรอยต่อจะแยกพาหะประจุและนำพาไปยังหน้าสัมผัสตรงข้ามเพื่อส่งกระแสไฟฟ้า

การแปลงพลังงานด้วยโฟโตอิเล็กโทรเคมี

ในเซลล์โฟโตอิเล็กโทรเคมี ขั้วไฟฟ้าที่ดูดซับแสงซึ่งสัมผัสกับอิเล็กโทรไลต์จะสร้างพาหะประจุที่ขับเคลื่อนปฏิกิริยารีดอกซ์; ขั้วไฟฟ้าแสงย้อมสีไวแสงและสารกึ่งตัวนำจะเปลี่ยนแสงอาทิตย์เป็นไฟฟ้าหรือเป็นเชื้อเพลิงเคมี เช่น ไฮโดรเจนจากน้ำ

Mechanisms

โฟตอนที่ถูกดูดซับจะส่งเสริมอิเล็กตรอนให้ข้ามช่องว่างแถบพลังงาน (band gap) ทิ้งโฮลไว้; สนามไฟฟ้าภายในที่รอยต่อ (junction) หรือส่วนต่อประสานที่ไวแสง (sensitised interface) จะแยกคู่ประจุก่อนที่จะรวมตัวกันใหม่ และพาหะประจุจะถูกรวบรวมที่หน้าสัมผัสเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า หรือเพื่อรีดิวซ์และออกซิไดซ์สารในอิเล็กโทรไลต์เพื่อสร้างเชื้อเพลิง

Clinical relevance

วัสดุเซลล์แสงอาทิตย์และพลังงานแสงอาทิตย์ให้พลังงานไฟฟ้าหมุนเวียนในระดับตั้งแต่หลังคาบ้านไปจนถึงโรงไฟฟ้า และวัสดุโฟโตอิเล็กโทรเคมีนำเสนอแนวทางสู่เชื้อเพลิงแสงอาทิตย์; การพัฒนาวัสดุเหล่านี้มีความสำคัญต่อการลดการปล่อยคาร์บอนในภาคพลังงาน โดยมีต้นทุนของสารดูดซับ, ประสิทธิภาพ และความเสถียรเป็นความท้าทายหลักของวัสดุ

History

เซลล์แสงอาทิตย์ซิลิคอนผลึกเริ่มปรากฏขึ้นในทศวรรษ 1950 ตามมาด้วยสารดูดซับแบบฟิล์มบาง เซลล์ย้อมสีไวแสงของ Grätzel และ O'Regan ในปี 1991 ได้นำเสนอแนวทางโมเลกุลและโฟโตอิเล็กโทรเคมี และการค้นพบสารดูดซับเพอรอฟสไกต์เฮไลด์ที่มีประสิทธิภาพตั้งแต่ประมาณปี 2009 ทำให้ประสิทธิภาพในห้องปฏิบัติการเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ขยายขอบเขตเคมีของวัสดุแสงอาทิตย์

Key figures

• Michael Grätzel
• Brian O'Regan
• Akihiro Kojima

Seminal works

• gratzel2001
• chu2012

Frequently asked questions

เหตุใดวัสดุของเซลล์แสงอาทิตย์จึงมีช่องว่างแถบพลังงานที่ดีที่สุด?

หากช่องว่างมีขนาดใหญ่เกินไป แสงอาทิตย์พลังงานต่ำจะผ่านไปโดยไม่ถูกดูดซับ; หากมีขนาดเล็กเกินไป โฟตอนพลังงานสูงจะสูญเสียพลังงานส่วนเกินไปในรูปของความร้อน ช่องว่างระดับกลางที่ตรงกับสเปกตรัมแสงอาทิตย์จะจับพลังงานที่ใช้งานได้มากที่สุด ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมจึงเลือกเคมีของสารดูดซับให้ครอบคลุมช่วงนั้น

เชื้อเพลิงแสงอาทิตย์คืออะไร?

เชื้อเพลิงแสงอาทิตย์คือสารเคมี เช่น ไฮโดรเจน ที่ผลิตขึ้นโดยใช้แสงอาทิตย์เพื่อขับเคลื่อนปฏิกิริยาที่ต้องใช้พลังงาน เช่น การแยกน้ำ วัสดุโฟโตอิเล็กโทรเคมีจะดูดซับแสงและใช้ประจุที่เกิดขึ้นเพื่อดำเนินปฏิกิริยา เก็บพลังงานแสงอาทิตย์ไว้ในพันธะเคมีเพื่อใช้ในภายหลัง