الكيمياء الضوئية الكهربائية

الكيمياء الضوئية الكهربائية هي مجال فرعي من مجالات الدراسة ضمن الكيمياء الفيزيائية المعنية بتفاعل الضوء مع الأنظمة الكهروكيميائية . ^{[1] [2]} إنه مجال نشط للبحث. كان أحد رواد هذا المجال من الكيمياء الكهربائية هو الكيميائي الكهربائي الألماني هاينز جيريشر . الاهتمام بهذا المجال مرتفع في سياق تطوير تكنولوجيا تحويل وتخزين الطاقة المتجددة .

تمت دراسة الكيمياء الضوئية بشكل مكثف في السبعينيات والثمانينيات بسبب أزمة النفط الأولى . ولأن الوقود الأحفوري غير متجدد، فمن الضروري تطوير عمليات للحصول على موارد متجددة واستخدام الطاقة النظيفة . وتعتبر عملية التمثيل الضوئي الاصطناعي وتقسيم الماء بالكيمياء الضوئية والخلايا الشمسية المتجددة ذات أهمية خاصة في هذا السياق. تم اكتشاف التأثير الكهروضوئي بواسطة ألكسندر إدموند بيكريل .

Heinz Gerischer وH. Tributsch وAJ. Nozik وAJ. Bard وA. Fujishima وK. Honda وPE. Laibinis وK. Rajeshwar وTJ Meyer وPV. Kamat وNS Lewis وR. Memming و John Bockris هم باحثون ساهموا كثيرًا في مجال الكيمياء الضوئية الكهربائية.

تمتلك المواد شبه الموصلة فجوات نطاق الطاقة ، وستولد زوجًا من الإلكترونات والفجوات لكل فوتون ممتص إذا كانت طاقة الفوتون أعلى من طاقة فجوة نطاق أشباه الموصلات. وقد تم استخدام هذه الخاصية للمواد شبه الموصلة بنجاح لتحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية بواسطة الأجهزة الكهروضوئية .

في التحفيز الضوئي، يتم استخدام زوج الإلكترونات والفجوات على الفور لتحفيز تفاعل الأكسدة والاختزال. ومع ذلك، تعاني أزواج الإلكترونات والفجوات من إعادة التركيب السريع. في التحفيز الضوئي الكهربائي، يتم تطبيق جهد تفاضلي لتقليل عدد عمليات إعادة التركيب بين الإلكترونات والفجوات. وهذا يسمح بزيادة إنتاجية تحويل الضوء إلى طاقة كيميائية.

عندما يتلامس شبه موصل مع سائل ( أنواع الأكسدة والاختزال )، للحفاظ على التوازن الكهروستاتيكي، سيكون هناك نقل شحنة بين شبه الموصل والطور السائل إذا كانت إمكانية الأكسدة والاختزال الرسمية لأنواع الأكسدة والاختزال تقع داخل فجوة نطاق شبه الموصل. في حالة التوازن الديناميكي الحراري، يتم محاذاة مستوى فيرمي لشبه الموصل وإمكانية الأكسدة والاختزال الرسمية لأنواع الأكسدة والاختزال عند الواجهة بين شبه الموصل وأنواع الأكسدة والاختزال. يؤدي هذا إلى انحناء النطاق لأعلى في شبه موصل من النوع n لوصلة شبه موصل/سائل من النوع n (الشكل 1 (أ)) وانحناء النطاق لأسفل في شبه موصل من النوع p لوصلة شبه موصل/سائل من النوع p (الشكل 1 (ب)). هذه الخاصية لوصلات شبه الموصل/السائل تشبه وصلة شبه موصل/معدن تصحيحية أو وصلة شوتكي . من الناحية المثالية للحصول على خصائص تصحيح جيدة عند واجهة أشباه الموصلات/السائل، يجب أن تكون إمكانية الأكسدة والاختزال الرسمية قريبة من نطاق التكافؤ لأشباه الموصلات بالنسبة لأشباه الموصلات من النوع n وقريبة من نطاق التوصيل لأشباه الموصلات بالنسبة لأشباه الموصلات من النوع p. تتمتع وصلة أشباه الموصلات/السائل بميزة واحدة على وصلة أشباه الموصلات/المعدن المعدلة وهي أن الضوء قادر على الانتقال إلى سطح أشباه الموصلات دون انعكاس كبير؛ في حين ينعكس معظم الضوء مرة أخرى من سطح المعدن عند وصلة أشباه الموصلات/المعدن. لذلك، يمكن أيضًا استخدام وصلات أشباه الموصلات/السائل كأجهزة كهروضوئية مماثلة لأجهزة وصلات p-n ذات الحالة الصلبة . يمكن استخدام كل من وصلات أشباه الموصلات/السائل من النوع n والنوع p كأجهزة كهروضوئية لتحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية وتسمى خلايا كهروضوئية كيميائية . بالإضافة إلى ذلك، يمكن أيضًا استخدام تقاطع أشباه الموصلات/السائل لتحويل الطاقة الشمسية مباشرة إلى طاقة كيميائية بفضل التحليل الضوئي الكهربائي عند تقاطع أشباه الموصلات/السائل.

• 
  الشكل 1(أ) مخطط نطاق الوصلة شبه الموصلة/السائلة من النوع n
• 
  الشكل 1 (ب) مخطط نطاق الوصلة شبه الموصلة/السائلة من النوع p

تُدرس أشباه الموصلات عادةً في خلية كهروضوئية كيميائية . توجد تكوينات مختلفة بجهاز ثلاثي الأقطاب. تحدث الظاهرة المراد دراستها عند القطب العامل WE بينما يتم تطبيق الجهد التفاضلي بين WE والقطب المرجعي RE (كالوميل المشبع، Ag/AgCl). يتم قياس التيار بين WE والقطب المقابل CE (الكربون الزجاجي، شاش البلاتين). القطب العامل هو مادة أشباه الموصلات ويتكون الإلكتروليت من مذيب وإلكتروليت وعينة أكسدة-اختزال.

عادةً ما يتم استخدام مصباح الأشعة فوق البنفسجية المرئية لإضاءة القطب العامل. عادةً ما يتم تصنيع الخلية الكهروضوئية باستخدام نافذة كوارتز لأنها لا تمتص الضوء. يمكن استخدام أحادي اللون للتحكم في الطول الموجي المرسل إلى WE.

C(الماس)، Si، Ge، SiC ، SiGe

BN، BP، BAs، AlN، AlP، AlAs، GaN، GaP، GaAs، InN، InP، InAs...

CdS، CdSe، CdTe، ZnO، ZnS، ZnSe، ZnTe، MoS ₂ ، MoSe ₂ ، MoTe ₂ ، WS ₂ ، WSe ₂

_ثاني أكسيد التيتانيوم ، أكسيد _الحديد ، أكسيد _النحاس​_​

الميثيلين الأزرق ...

تم مؤخرًا تطوير نظام PEC الكهروضوئي الكيميائي القابل للتطوير والذي يعتمد على البيروفسكايت بالكامل كلوحة هيدروجين شمسية بمساحة >123 سم2. ^[3]

لقد تمت دراسة الكيمياء الضوئية بشكل مكثف في مجال إنتاج الهيدروجين من الماء والطاقة الشمسية. تم اكتشاف الانقسام الكهروضوئي للماء تاريخيًا بواسطة فوجيشيما وهوندا في عام 1972 على أقطاب TiO2 _. في الآونة الأخيرة أظهرت العديد من المواد خصائص واعدة لتقسيم الماء بكفاءة ولكن TiO2 _يظل رخيصًا ووفيرًا ومستقرًا ضد التآكل الضوئي. المشكلة الرئيسية في TiO2 _هي فجوة النطاق الخاصة به والتي تبلغ 3 أو 3.2 إلكترون فولت وفقًا لبلوريته (أناتاز أو روتيل). هذه القيم مرتفعة للغاية ولا يمكن امتصاص سوى الطول الموجي في منطقة الأشعة فوق البنفسجية. لزيادة أداء هذه المادة لتقسيم الماء بطول الموجة الشمسية، من الضروري تحسس TiO2 _. حاليًا، يعد تحسس النقاط الكمومية واعدًا للغاية ولكن هناك حاجة إلى مزيد من البحث للعثور على مواد جديدة قادرة على امتصاص الضوء بكفاءة.

إن عملية البناء الضوئي هي العملية الطبيعية التي يتم فيها تحويل ثاني أكسيد الكربون _{باستخدام} الضوء لإنتاج مركبات هيدروكربونية مثل السكر. إن استنفاد الوقود الأحفوري يشجع العلماء على إيجاد بدائل لإنتاج مركبات هيدروكربونية. إن عملية البناء الضوئي الاصطناعي هي طريقة واعدة تحاكي عملية البناء الضوئي الطبيعية لإنتاج مثل هذه المركبات. إن عملية الاختزال الكهروضوئي لثاني أكسيد الكربون _محل دراسة واسعة النطاق بسبب تأثيرها العالمي. ويهدف العديد من الباحثين إلى إيجاد أشباه موصلات جديدة لتطوير أنودات ضوئية وكاثودات ضوئية مستقرة وفعالة.

تستخدم الخلايا الشمسية الحساسة للصبغة أو DSSCs ثاني أكسيد التيتانيوم _{والأصباغ} لامتصاص الضوء. يحفز هذا الامتصاص تكوين أزواج الإلكترونات والفجوات التي تستخدم لأكسدة واختزال نفس زوج الأكسدة والاختزال، عادةً I ⁻ /I ₃ ⁻ . وبالتالي، يتم إنشاء جهد تفاضلي يحفز تيارًا.

• مراجعة كاملة عن الكيمياء الضوئية الكهربائية لأشباه الموصلات
• مراجعة حول الكيمياء الضوئية الكهربائية لأشباه الموصلات أرشيف 2011-06-28 على موقع واي باك مشين
• موسوعة الكيمياء الكهربية في أرشيفات مكتبة الكونجرس على شبكة الإنترنت (تم أرشفتها في 2001-11-25)