光伏和太阳能材料

光伏和太阳能材料通过产生和分离电荷载流子来吸收太阳光并将其转化为电能或化学能，是太阳能电池和太阳能燃料设备的核心。

Definition

光伏和太阳能材料是吸收太阳光子以产生分离的电子和空穴电荷的固体，这些电荷被收集起来以提供电能，或用于驱动将能量储存为燃料的化学反应。

Scope

本主题涵盖太阳能转换的材料化学：吸光半导体及其与太阳光谱的带隙匹配；晶体硅、薄膜、染料敏化和钙钛矿电池系列；电荷的产生、分离和收集；以及利用太阳光驱动燃料形成反应（如水分解）的光电化学材料。它将吸收剂化学和界面工程与转换效率联系起来。

Core questions

• 材料如何吸收太阳光并产生电荷载流子？
• 太阳能吸收剂的带隙为何必须与太阳光谱匹配？
• 光生电荷如何分离和收集？
• 光电化学材料如何将光能转化为燃料？

Key concepts

• 与太阳光谱的带隙匹配
• 电荷产生与分离
• 晶体硅和薄膜电池
• 染料敏化和钙钛矿电池
• 光电化学水分解
• 转换效率

Key theories

光吸收与电荷分离

太阳能吸收剂必须具有适合太阳光谱的带隙，以便光子能高效产生电子-空穴对；然后内部电场或结将载流子分离并引导它们流向相反的接触点以提供电流。

光电化学转换

在光电化学电池中，与电解质接触的吸光电极产生载流子，驱动氧化还原反应；染料敏化和半导体光电极将太阳光转换为电能或化学燃料，例如从水中产生的氢气。

Mechanisms

被吸收的光子将电子提升穿过带隙，留下一个空穴；结或敏化界面处的内置电场在它们复合之前将这对电荷分离，载流子在接触点被收集，以产生电流或在电解质中还原和氧化物质以制造燃料。

Clinical relevance

光伏和太阳能材料在从屋顶到发电厂的规模上提供可再生电力，光电化学材料为太阳能燃料提供了途径；它们的发展是能源脱碳的核心，其中吸收剂成本、效率和稳定性是关键的材料挑战。

History

晶体硅太阳能电池出现于20世纪50年代，随后是薄膜吸收剂。格拉策尔（Grätzel）和奥雷根（O'Regan）于1991年推出的染料敏化电池引入了一种分子光电化学方法，而大约从2009年开始发现高效卤化物钙钛矿吸收剂，使得实验室效率迅速提高，拓宽了太阳能材料的化学范围。

Key figures

• Michael Grätzel
• Brian O'Regan
• Akihiro Kojima

Seminal works

• gratzel2001
• chu2012

Frequently asked questions

为什么太阳能电池材料有最佳带隙？

如果带隙过大，低能量的太阳光将未经吸收而穿过；如果带隙过小，高能量的光子会将其多余的能量以热量的形式浪费掉。与太阳光谱匹配的中间带隙能捕获最多的可用能量，这就是选择吸收剂化学以达到该范围的原因。

什么是太阳能燃料？

太阳能燃料是一种化学物质，例如氢气，通过利用太阳光驱动吸热反应（如水分解）而制成。光电化学材料吸收光并利用产生的电荷进行反应，将太阳能储存在化学键中以备后用。