Fotovoltaik ve Güneş Enerjisi Malzemeleri
Fotovoltaik ve güneş enerjisi malzemeleri, güneş ışığını emerek yük taşıyıcıları oluşturup ayırarak elektrik veya kimyasal enerjiye dönüştürmektedir; bu malzemeler güneş pillerinin ve güneş yakıtı cihazlarının temelini oluşturmaktadır.
Tanım
Fotovoltaik ve güneş enerjisi malzemeleri, ayrılmış elektron ve boşluk yükleri oluşturmak üzere güneş fotonlarını emen katı maddelerdir; bu yükler elektrik gücü sağlamak için toplanmakta veya enerjiyi yakıt olarak depolayan kimyasal reaksiyonları yürütmek için kullanılmaktadır.
Kapsam
Bu konu, güneş enerjisi dönüşümünün malzeme kimyasını kapsamaktadır: ışık emici yarı iletkenler ve bunların güneş spektrumuna bant aralığı uyumu; kristal silikon, ince film, boya duyarlı ve perovskit hücre aileleri; yük oluşumu, ayrılması ve toplanması; ve su ayrıştırma gibi yakıt oluşturan reaksiyonları yürütmek için güneş ışığını kullanan fotoelektrokimyasal malzemeler. Bu kapsam, soğurucu kimyası ile arayüz mühendisliğini dönüşüm verimliliğiyle ilişkilendirmektedir.
Temel sorular
- Bir malzeme güneş ışığını nasıl emer ve yük taşıyıcıları nasıl oluşturur?
- Bir güneş soğurucusunun bant aralığı neden güneş spektrumuna uymalıdır?
- Fotovoltaik olarak üretilen yükler nasıl ayrılır ve toplanır?
- Fotoelektrokimyasal malzemeler ışığı yakıta nasıl dönüştürür?
Anahtar kavramlar
- Güneş spektrumuna bant aralığı uyumu
- Yük oluşumu ve ayrılması
- Kristal silikon ve ince film hücreler
- Boya duyarlı ve perovskit hücreler
- Fotoelektrokimyasal su ayrıştırma
- Dönüşüm verimliliği
Temel kuramlar
- Işık soğurumu ve yük ayrılması
- Bir güneş soğurucusu, fotonların elektron-boşluk çiftlerini verimli bir şekilde oluşturabilmesi için güneş spektrumuna uygun bir bant aralığına sahip olmalıdır; ardından dahili bir alan veya birleşim yeri taşıyıcıları ayırarak akım sağlamak üzere zıt kontaklara yönlendirmektedir.
- Fotoelektrokimyasal dönüşüm
- Bir fotoelektrokimyasal hücrede, bir elektrolitle temas halindeki ışık emici bir elektrot, redoks reaksiyonlarını yürüten taşıyıcılar oluşturmaktadır; boya duyarlı ve yarı iletken fotoelektrotlar, güneş ışığını elektriğe veya sudan hidrojen gibi kimyasal yakıtlara dönüştürmektedir.
Mekanizmalar
Emilen bir foton, bir elektronu bant aralığı boyunca yükselterek bir boşluk bırakmaktadır; birleşim yerindeki veya duyarlı arayüzdeki yerleşik bir alan, yeniden birleşmeden önce çifti ayırmakta ve taşıyıcılar, akım üretmek veya bir elektrolitteki türleri indirgeyerek ve oksitleyerek yakıt oluşturmak üzere kontaklarda toplanmaktadır.
Klinik önem
Fotovoltaik ve güneş enerjisi malzemeleri, çatı katlarından enerji santrallerine kadar çeşitli ölçeklerde yenilenebilir elektrik sağlamakta ve fotoelektrokimyasal malzemeler güneş yakıtlarına giden yollar sunmaktadır; bu malzemelerin geliştirilmesi, enerjinin karbonsuzlaştırılması için merkezi bir öneme sahiptir ve soğurucu maliyeti, verimliliği ve kararlılığı temel malzeme zorluklarını oluşturmaktadır.
Tarihçe
Kristal silikon güneş pilleri 1950'lerde ortaya çıkmış ve ardından ince film soğurucular geliştirilmiştir. Grätzel ve O'Regan'ın 1991 tarihli boya duyarlı hücresi, moleküler, fotoelektrokimyasal bir yaklaşım sunmuş ve yaklaşık 2009'dan itibaren verimli halojenür-perovskit soğurucuların keşfi, laboratuvar verimliliklerinde hızlı bir artışa yol açarak güneş enerjisi malzemelerinin kimyasını genişletmiştir.
Öne çıkan isimler
- Michael Grätzel
- Brian O'Regan
- Akihiro Kojima
İlgili konular
Temel eserler
- gratzel2001
- chu2012
Sıkça sorulan sorular
- Bir güneş pili malzemesinin neden en uygun bir bant aralığı vardır?
- Eğer bant aralığı çok büyükse, düşük enerjili güneş ışığı emilmeden geçmektedir; eğer çok küçükse, yüksek enerjili fotonlar fazla enerjilerini ısı olarak harcamaktadır. Güneş spektrumuna uygun orta düzey bir bant aralığı, en kullanılabilir enerjiyi yakalamaktadır; bu nedenle soğurucu kimyası bu aralığı hedefleyecek şekilde seçilmektedir.
- Güneş yakıtı nedir?
- Güneş yakıtı, suyun ayrıştırılması gibi yokuş yukarı bir reaksiyonu yürütmek için güneş ışığı kullanılarak üretilen hidrojen gibi bir kimyasaldır. Fotoelektrokimyasal malzemeler ışığı emmekte ve ortaya çıkan yükleri reaksiyonu gerçekleştirmek için kullanmakta, böylece güneş enerjisini daha sonra kullanılmak üzere kimyasal bağlarda depolamaktadır.