Vật liệu quang điện và năng lượng mặt trời

Vật liệu quang điện và năng lượng mặt trời hấp thụ ánh sáng mặt trời và chuyển đổi nó thành năng lượng điện hoặc hóa học bằng cách tạo ra và tách các hạt tải điện, đây là cốt lõi của pin mặt trời và các thiết bị nhiên liệu mặt trời.

Definition

Vật liệu quang điện và năng lượng mặt trời là các chất rắn hấp thụ photon mặt trời để tạo ra các điện tích electron và lỗ trống đã tách rời, sau đó được thu thập để cung cấp năng lượng điện hoặc được sử dụng để thúc đẩy các phản ứng hóa học lưu trữ năng lượng dưới dạng nhiên liệu.

Scope

Chủ đề này bao gồm hóa học vật liệu của quá trình chuyển đổi năng lượng mặt trời: chất bán dẫn hấp thụ ánh sáng và sự phù hợp dải năng lượng của chúng với phổ mặt trời; các loại pin silicon tinh thể, màng mỏng, pin nhạy quang và pin perovskite; sự tạo, tách và thu thập điện tích; và các vật liệu quang điện hóa sử dụng ánh sáng mặt trời để thúc đẩy các phản ứng tạo nhiên liệu như phân tách nước. Nó liên kết hóa học chất hấp thụ và kỹ thuật giao diện với hiệu suất chuyển đổi.

Core questions

• Một vật liệu hấp thụ ánh sáng mặt trời và tạo ra các hạt tải điện như thế nào?
• Tại sao dải năng lượng của chất hấp thụ năng lượng mặt trời phải phù hợp với phổ mặt trời?
• Các điện tích quang sinh được tách và thu thập như thế nào?
• Vật liệu quang điện hóa chuyển đổi ánh sáng thành nhiên liệu như thế nào?

Key concepts

• Sự phù hợp dải năng lượng với phổ mặt trời
• Sự tạo và tách điện tích
• Pin silicon tinh thể và màng mỏng
• Pin nhạy quang và pin perovskite
• Phân tách nước quang điện hóa
• Hiệu suất chuyển đổi

Key theories

Hấp thụ ánh sáng và tách điện tích

Một chất hấp thụ năng lượng mặt trời phải có dải năng lượng phù hợp với phổ mặt trời để các photon tạo ra các cặp electron-lỗ trống một cách hiệu quả; một trường nội tại hoặc điểm nối sau đó sẽ tách các hạt tải điện và hướng chúng đến các tiếp điểm đối diện để cung cấp dòng điện.

Chuyển đổi quang điện hóa

Trong một tế bào quang điện hóa, một điện cực hấp thụ ánh sáng tiếp xúc với chất điện phân tạo ra các hạt tải điện thúc đẩy các phản ứng oxy hóa khử; các điện cực quang nhạy quang và bán dẫn chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng hoặc thành nhiên liệu hóa học như hydro từ nước.

Mechanisms

Một photon được hấp thụ sẽ đẩy một electron vượt qua dải năng lượng, để lại một lỗ trống; một trường điện tích tích hợp tại một điểm nối hoặc giao diện nhạy quang sẽ tách cặp này trước khi chúng tái hợp, và các hạt tải điện được thu thập tại các tiếp điểm để tạo ra dòng điện hoặc để khử và oxy hóa các chất trong chất điện phân nhằm tạo ra nhiên liệu.

Clinical relevance

Vật liệu quang điện và năng lượng mặt trời cung cấp điện tái tạo ở quy mô từ mái nhà đến các nhà máy điện, và vật liệu quang điện hóa mang lại các con đường tạo nhiên liệu mặt trời; sự phát triển của chúng là trọng tâm để khử cacbon trong năng lượng, với chi phí chất hấp thụ, hiệu suất và độ ổn định là những thách thức vật liệu chính.

History

Pin mặt trời silicon tinh thể xuất hiện vào những năm 1950, và các chất hấp thụ màng mỏng ra đời sau đó. Pin nhạy quang của Grätzel và O'Regan năm 1991 đã giới thiệu một phương pháp phân tử, quang điện hóa, và việc phát hiện ra các chất hấp thụ halide-perovskite hiệu quả từ khoảng năm 2009 đã tạo ra sự gia tăng nhanh chóng về hiệu suất trong phòng thí nghiệm, mở rộng hóa học của vật liệu năng lượng mặt trời.

Key figures

• Michael Grätzel
• Brian O'Regan
• Akihiro Kojima

Seminal works

• gratzel2001
• chu2012

Frequently asked questions

Tại sao vật liệu của pin mặt trời lại có dải năng lượng tối ưu?

Nếu dải năng lượng quá lớn, ánh sáng mặt trời năng lượng thấp sẽ đi qua mà không bị hấp thụ; nếu quá nhỏ, các photon năng lượng cao sẽ lãng phí năng lượng dư thừa của chúng dưới dạng nhiệt. Một dải năng lượng trung gian phù hợp với phổ mặt trời sẽ thu được năng lượng hữu ích nhất, đó là lý do tại sao hóa học chất hấp thụ được chọn để đạt được phạm vi đó.

Nhiên liệu mặt trời là gì?

Nhiên liệu mặt trời là một hóa chất, chẳng hạn như hydro, được tạo ra bằng cách sử dụng ánh sáng mặt trời để thúc đẩy một phản ứng tăng năng lượng như phân tách nước. Vật liệu quang điện hóa hấp thụ ánh sáng và sử dụng các điện tích tạo ra để thực hiện phản ứng, lưu trữ năng lượng mặt trời trong các liên kết hóa học để sử dụng sau này.