Solar Energy Conversion: A very brief introduc8on Chem - - PowerPoint PPT Presentation

Solar ¡Energy ¡Conversion: ¡ A ¡very ¡brief ¡introduc8on ¡

Chem ¡204 ¡ April ¡7, ¡2014 ¡

Worldwide ¡energy ¡usage ¡

Worldwide ¡energy ¡usage ¡

Now: ¡about ¡15 ¡TW ¡ (15 ¡x ¡1012 ¡J/s) ¡

From ¡Chemistry: ¡the ¡Central ¡Science, ¡12th ¡ed. ¡

Quick ¡calcula8on ¡

• 168 ¡W/m2 ¡of ¡sunlight ¡strikes ¡Earth’s ¡surface ¡
• Surface ¡area ¡of ¡Earth’s ¡land: ¡149 ¡x ¡106 ¡km2 ¡
• Therefore, ¡2.50 ¡x ¡1016 ¡W ¡sunlight ¡hits ¡Earth’s ¡

landmass ¡

Quick ¡calcula8on ¡

• 168 ¡W/m2 ¡of ¡sunlight ¡strikes ¡Earth’s ¡surface ¡
• Surface ¡area ¡of ¡Earth’s ¡land: ¡149 ¡x ¡106 ¡km2 ¡
• Therefore, ¡2.50 ¡x ¡1016 ¡W ¡sunlight ¡hits ¡Earth’s ¡

landmass ¡

• The ¡energy ¡from ¡the ¡Sun ¡that ¡hits ¡Earth’s ¡

landmass ¡in ¡one ¡hour ¡(9.0 ¡x ¡1019 ¡J) ¡is ¡sufficient ¡ to ¡power ¡the ¡planet ¡for ¡about ¡3 ¡months ¡at ¡ present ¡rate ¡of ¡consump8on ¡

Photovoltaics, ¡solar ¡hea8ng, ¡solar ¡ fuels ¡

Photovoltaic: ¡direct ¡sunlight ¡to ¡electricity ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Solar ¡thermal ¡power ¡plant: ¡sunlight ¡drives ¡steam ¡turbine ¡

Solar ¡fuels: ¡sunlight ¡into ¡chemicals ¡ (“ar8ficial ¡photosynthesis”; ¡“ar8ficial ¡leaf”) ¡

Wavelengths ¡of ¡sunlight ¡that ¡reach ¡ Earth’s ¡surface ¡

Wavelengths ¡of ¡sunlight ¡that ¡reach ¡ Earth’s ¡surface ¡

Want ¡material ¡that ¡absorbs ¡ a ¡lot ¡of ¡solar ¡photons! ¡

Wavelengths ¡of ¡sunlight ¡that ¡reach ¡ Earth’s ¡surface ¡

Silicon! ¡Earth-­‑abundant, ¡bandgap ¡ 1.1 ¡eV ¡(about ¡1100 ¡nm) ¡

Silicon ¡photovoltaics: ¡pn ¡junc8on ¡

Upon ¡contact: ¡ Fermi ¡levels ¡equilibrate, ¡ leading ¡to ¡a ¡“space-­‑charge ¡region” ¡ energy ¡ distance ¡

Silicon ¡photovoltaics: ¡pn ¡junc8on ¡

Shockley-­‑Quiesser ¡Limit ¡

At ¡best, ¡for ¡single-­‑junc8on ¡solar ¡cells: ¡33.7% ¡efficiency ¡of ¡photon-­‑electron ¡conversion ¡

A ¡UIUC ¡Startup: ¡Semprius ¡

Tiny ¡silicon ¡solar ¡cells ¡that ¡are ¡about ¡500 ¡nm ¡x ¡500 ¡nm ¡ac8ve ¡area; ¡mounted ¡on ¡stands ¡ that ¡track ¡the ¡sun; ¡37% ¡efficient ¡in ¡mul8junc8on ¡mode! ¡

Dye-­‑sensi8zed ¡solar ¡cells ¡

Michael ¡Graetzel, ¡ EPFL ¡

Dye-­‑sensi8zed ¡solar ¡cells ¡

Dye-­‑sensi8zed ¡solar ¡cells ¡

Dye ¡can ¡be ¡blackberry ¡juice! ¡

Dye-­‑sensi8zed ¡solar ¡cells ¡

Sony ¡ prototype ¡

Solar ¡Fuels ¡

• Concept: ¡shine ¡light, ¡promote ¡chemical ¡

reac8on ¡to ¡store ¡energy ¡in ¡the ¡form ¡of ¡ chemical ¡bonds ¡

• Everybody’s ¡favorite ¡reac8on: ¡water ¡splihng ¡ ¡

(2 ¡H2O ¡+ ¡sunlight ¡à ¡2H2 ¡+ ¡O2) ¡

Redox ¡poten8als ¡and ¡band ¡edges ¡

If ¡you ¡want ¡to ¡use ¡only ¡one ¡material: ¡ Shine ¡light, ¡get ¡photoexcited ¡electrons ¡ to ¡reduce ¡protons, ¡and ¡ photogenerated ¡hole ¡to ¡oxidize ¡water. ¡ But ¡you ¡have ¡to ¡worry ¡about ¡ regenera8ng ¡material. ¡

Fujishima ¡and ¡Honda, ¡1972 ¡

¡ ¡

¡ ¡ Catalysts ¡to ¡speed ¡up ¡hydrogen ¡and ¡

• xygen ¡produc8on ¡

Kanan ¡and ¡Nocera, ¡2008 ¡

An ¡ar8ficial ¡leaf? ¡

• H. ¡Gray, ¡Nature ¡Chemistry ¡

¡ The ¡blue ¡por8on ¡of ¡sunlight ¡is ¡ absorbed ¡by ¡the ¡metal ¡oxide ¡anode ¡ (red), ¡where ¡it ¡oxidizes ¡water ¡to ¡ release ¡protons. ¡The ¡red ¡por8on ¡ passes ¡through ¡to ¡be ¡absorbed ¡by ¡the ¡ silicon ¡nanorod ¡cathode ¡(blue), ¡which ¡ combines ¡these ¡protons ¡with ¡ electrons ¡to ¡make ¡hydrogen ¡for ¡fuel. ¡ The ¡membrane ¡(light ¡blue) ¡must ¡be ¡ permeable ¡to ¡the ¡generated ¡protons ¡ and ¡conduct ¡electrons ¡between ¡the ¡ two ¡electrodes. ¡The ¡spheres ¡in ¡the ¡ region ¡of ¡the ¡anode ¡represent ¡oxygen ¡ molecules; ¡spheres ¡in ¡the ¡region ¡of ¡ the ¡cathode ¡represent ¡hydrogen ¡

• molecules. ¡The ¡hydrogen ¡to ¡oxygen ¡

ra8o ¡is ¡2:1. ¡

More ¡solar ¡fuels…. ¡

• Beqer ¡anodes/catalysts ¡
• Beqer ¡cathodes/catalysts ¡
• Beqer ¡membranes ¡
• Other ¡reac8ons: ¡carbon ¡dioxide ¡as ¡a ¡

feedstock, ¡like ¡photosynthesis? ¡

People ¡and ¡places ¡in ¡solar ¡research ¡

• Na8onal ¡Renewable ¡Energy ¡Lab ¡(US) ¡
• Fraunhofer ¡Ins8tute ¡of ¡Solar ¡Energy ¡(Germany) ¡
• UIUC: ¡John ¡Rogers, ¡Ralph ¡Nuzzo ¡
• Caltech: ¡Harry ¡Gray, ¡Nate ¡Lewis ¡
• Harvard: ¡Dan ¡Nocera ¡
• UNC ¡Chapel ¡Hill: ¡Tom ¡Meyer ¡
• EPFL: ¡Michael ¡Graetzel ¡
• Oxford: ¡Henry ¡Snaith ¡(perovskite ¡solar ¡cells ¡are ¡

hot!) ¡