ఫోటోఎలక్ట్రోకెమిస్ట్రీ

ఫోటోఎలక్ట్రోకెమిస్ట్రీ (Photoelectrochemistry) అనేది భౌతిక రసాయన శాస్త్రంలో ఒక ఉప విభాగం. ఇది కాంతికి మరియు ఎలక్ట్రోకెమికల్ వ్యవస్థలకు మధ్య జరిగే పరస్పర చర్యల గురించి అధ్యయనం చేస్తుంది. ఇది ఒక క్రియాశీల పరిశోధనా రంగం. ఈ ఎలక్ట్రోకెమిస్ట్రీ రంగానికి మార్గదర్శకులలో జర్మన్ ఎలక్ట్రోకెమిస్ట్ హైంజ్ గెరిషర్ (Heinz Gerischer) ఒకరు. పునరుత్పాదక శక్తి మార్పిడి మరియు నిల్వ సాంకేతికత అభివృద్ధి నేపథ్యంలో ఈ రంగానికి అధిక ప్రాముఖ్యత ఉంది.

చారిత్రక దృక్పథం

మొదటి చమురు సంక్షోభం కారణంగా 1970-80లలో ఫోటోఎలక్ట్రోకెమిస్ట్రీపై తీవ్రంగా అధ్యయనం జరిగింది. శిలాజ ఇంధనాల వినియోగం స్థిరమైనది కాదు కాబట్టి, పునరుత్పాదక వనరులను పొందడానికి మరియు స్థిరమైన శక్తిని ఉపయోగించుకోవడానికి ప్రక్రియలను అభివృద్ధి చేయడం అవసరం. ఈ నేపథ్యంలో కృత్రిమ కిరణజన్య సంయోగక్రియ (Artificial photosynthesis), ఫోటోఎలక్ట్రోకెమికల్ నీటి విభజన (water splitting) మరియు పునరుత్పత్తి సౌర ఘటాలు (regenerative solar cells) ప్రత్యేక ఆసక్తిని కలిగి ఉన్నాయి. కాంతివిపీడన ప్రభావం (photovoltaic effect) ను అలెగ్జాండర్ ఎడ్మండ్ బెక్వెరెల్ కనుగొన్నారు.

హైంజ్ గెరిషర్, హెచ్. ట్రిబుట్ష్, ఏ.జె. నోజిక్, ఏ.జె. బార్డ్, ఏ. ఫుజిషిమా, కె. హోండా, పి.ఇ. లైబినిస్, కె. రాజేశ్వర్, టి.జె. మేయర్, పి.వి. కామత్, ఎన్.ఎస్. లూయిస్, ఆర్. మెమ్మింగ్, జాన్ బాక్రిస్ వంటి పరిశోధకులు ఫోటోఎలక్ట్రోకెమిస్ట్రీ రంగానికి ఎంతో కృషి చేశారు.

సెమీకండక్టర్ ఎలక్ట్రోకెమిస్ట్రీ

పరిచయం

సెమీకండక్టర్ (అర్ధవాహక) పదార్థాలు శక్తి బ్యాండ్ గ్యాప్లను కలిగి ఉంటాయి. ఒక ఫోటాన్ యొక్క శక్తి సెమీకండక్టర్ యొక్క బ్యాండ్ గ్యాప్ శక్తి కంటే ఎక్కువగా ఉంటే, అది గ్రహించిన ప్రతి ఫోటాన్కు ఒక ఎలక్ట్రాన్ మరియు హోల్ జంటను ఉత్పత్తి చేస్తుంది. సెమీకండక్టర్ పదార్థాల యొక్క ఈ లక్షణాన్ని కాంతివిపీడన పరికరాల ద్వారా సౌర శక్తిని విద్యుత్ శక్తిగా మార్చడానికి విజయవంతంగా ఉపయోగిస్తున్నారు.

ఫోటోకెటాలిసిస్‌లో, ఎలక్ట్రాన్-హోల్ జంటను వెంటనే రెడాక్స్ చర్యను నడపడానికి ఉపయోగిస్తారు. అయితే, ఎలక్ట్రాన్-హోల్ జంటలు వేగంగా పునఃసంయోగం (recombination) చెందుతాయి. ఫోటోఎలక్ట్రోకెటాలిసిస్‌లో, ఎలక్ట్రాన్లు మరియు హోల్స్ మధ్య పునఃసంయోగాల సంఖ్యను తగ్గించడానికి డిఫరెన్షియల్ పొటెన్షియల్ (విభేద పొటెన్షియల్) వర్తింపజేస్తారు. ఇది కాంతిని రసాయన శక్తిగా మార్చే దిగుబడిని పెంచడానికి అనుమతిస్తుంది.

సెమీకండక్టర్-ఎలక్ట్రోలైట్ ఇంటర్ఫేస్

ఒక సెమీకండక్టర్ ద్రవంతో (రెడాక్స్ జాతులు) సంబంధంలోకి వచ్చినప్పుడు, ఎలక్ట్రోస్టాటిక్ సమతుల్యతను కాపాడటానికి, రెడాక్స్ జాతుల ఫార్మల్ రెడాక్స్ పొటెన్షియల్ సెమీకండక్టర్ బ్యాండ్ గ్యాప్‌లో ఉంటే, సెమీకండక్టర్ మరియు ద్రవ దశల మధ్య ఛార్జ్ బదిలీ జరుగుతుంది. థర్మోడైనమిక్ సమతుల్యత వద్ద, సెమీకండక్టర్ యొక్క ఫెర్మి లెవల్ మరియు రెడాక్స్ జాతుల ఫార్మల్ రెడాక్స్ పొటెన్షియల్ ఇంటర్ఫేస్ వద్ద సమలేఖనం చేయబడతాయి. ఇది n-టైప్ సెమీకండక్టర్/లిక్విడ్ జంక్షన్ కోసం n-టైప్ సెమీకండక్టర్లో పైకి బ్యాండ్ బెండింగ్ (చిత్రం 1(a)) మరియు p-టైప్ సెమీకండక్టర్/లిక్విడ్ జంక్షన్ కోసం p-టైప్ సెమీకండక్టర్లో కిందికి బ్యాండ్ బెండింగ్‌ను (చిత్రం 1(b)) కలిగిస్తుంది. సెమీకండక్టర్/లిక్విడ్ జంక్షన్ల యొక్క ఈ లక్షణం రెక్టిఫైయింగ్ సెమీకండక్టర్/మెటల్ జంక్షన్ లేదా షాట్కీ జంక్షన్ను పోలి ఉంటుంది. ఆదర్శవంతంగా సెమీకండక్టర్/లిక్విడ్ ఇంటర్ఫేస్ వద్ద మంచి రెక్టిఫైయింగ్ లక్షణాలను పొందడానికి, ఫార్మల్ రెడాక్స్ పొటెన్షియల్ అనేది n-టైప్ సెమీకండక్టర్ కోసం సెమీకండక్టర్ యొక్క వాలెన్స్ బ్యాండ్‌కు దగ్గరగా మరియు p-టైప్ సెమీకండక్టర్ కోసం కండక్షన్ బ్యాండ్‌కు దగ్గరగా ఉండాలి. సెమీకండక్టర్/లిక్విడ్ జంక్షన్‌కు రెక్టిఫైయింగ్ సెమీకండక్టర్/మెటల్ జంక్షన్ కంటే ఒక ప్రయోజనం ఉంది: కాంతి ఎక్కువ ప్రతిబింబం లేకుండా సెమీకండక్టర్ ఉపరితలం వరకు ప్రయాణించగలదు; అయితే సెమీకండక్టర్/మెటల్ జంక్షన్ వద్ద చాలా కాంతి లోహ ఉపరితలం నుండి వెనక్కి ప్రతిబింబిస్తుంది. అందువల్ల, సెమీకండక్టర్/లిక్విడ్ జంక్షన్లను ఘన-స్థితి p-n జంక్షన్ పరికరాల మాదిరిగానే కాంతివిపీడన పరికరాలుగా కూడా ఉపయోగించవచ్చు. n-టైప్ మరియు p-టైప్ సెమీకండక్టర్/లిక్విడ్ జంక్షన్లు రెండింటినీ సౌర శక్తిని విద్యుత్ శక్తిగా మార్చడానికి కాంతివిపీడన పరికరాలుగా ఉపయోగించవచ్చు మరియు వీటిని ఫోటోఎలక్ట్రోకెమికల్ సెల్స్ అని పిలుస్తారు. అదనంగా, సెమీకండక్టర్/లిక్విడ్ జంక్షన్ వద్ద ఫోటోఎలక్ట్రోలిసిస్ ద్వారా సౌర శక్తిని నేరుగా రసాయన శక్తిగా మార్చడానికి కూడా సెమీకండక్టర్/లిక్విడ్ జంక్షన్‌ను ఉపయోగించవచ్చు.

• 
  చిత్రం 1(a) n-టైప్ సెమీకండక్టర్/లిక్విడ్ జంక్షన్ యొక్క బ్యాండ్ డయాగ్రామ్
• 
  చిత్రం 1(b) p-టైప్ సెమీకండక్టర్/లిక్విడ్ జంక్షన్ యొక్క బ్యాండ్ డయాగ్రామ్

ప్రయోగాత్మక అమరిక

సెమీకండక్టర్లను సాధారణంగా ఫోటోఎలక్ట్రోకెమికల్ సెల్లో అధ్యయనం చేస్తారు. మూడు ఎలక్ట్రోడ్ పరికరంతో వివిధ కాన్ఫిగరేషన్లు ఉన్నాయి. అధ్యయనం చేయవలసిన దృగ్విషయం వర్కింగ్ ఎలక్ట్రోడ్ (WE) వద్ద జరుగుతుంది, అయితే WE మరియు రిఫరెన్స్ ఎలక్ట్రోడ్ (RE) (శాచురేటెడ్ కలోమెల్, Ag/AgCl) మధ్య డిఫరెన్షియల్ పొటెన్షియల్ వర్తింపజేయబడుతుంది. విద్యుత్ ప్రవాహం WE మరియు కౌంటర్ ఎలక్ట్రోడ్ (CE) (కార్బన్ విట్రియస్, ప్లాటినం గాజ్) మధ్య కొలవబడుతుంది. వర్కింగ్ ఎలక్ట్రోడ్ సెమీకండక్టర్ పదార్థం మరియు ఎలక్ట్రోలైట్ ఒక ద్రావణి, ఎలక్ట్రోలైట్ మరియు రెడాక్స్ జాతితో కూడి ఉంటుంది.

వర్కింగ్ ఎలక్ట్రోడ్‌ను ప్రకాశవంతం చేయడానికి సాధారణంగా UV-vis ల్యాంప్‌ను ఉపయోగిస్తారు. ఫోటోఎలక్ట్రోకెమికల్ సెల్ సాధారణంగా క్వార్ట్జ్ విండోతో తయారు చేయబడుతుంది ఎందుకంటే ఇది కాంతిని గ్రహించదు. WEకి పంపిన తరంగదైర్ఘ్యాన్ని నియంత్రించడానికి మోనోక్రోమేటర్‌ను ఉపయోగించవచ్చు.

ఫోటోఎలక్ట్రోకెమిస్ట్రీలో ఉపయోగించే ప్రధాన అబ్జార్బర్లు

సెమీకండక్టర్ IV

Category:Group IV semiconductors

C(డైమండ్), Si, Ge, SiC, SiGe

సెమీకండక్టర్ III-V

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

సెమీకండక్టర్ II-VI

CdS, CdSe, CdTe, ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, MoS₂, MoSe₂, MoTe₂, WS₂, WSe₂

లోహ ఆక్సైడ్లు

TiO₂, Fe₂O₃, Cu₂O

ఆర్గానిక్ రంగులు

ప్రధాన వ్యాసం: organic dye మిథైలిన్ బ్లూ...

ఆర్గానోమెటాలిక్ రంగులు

Organometallic chemistry

పెరోవ్‌స్కైట్లు

ప్రధాన వ్యాసం: Perovskites ఇటీవల, >123 cm2 వైశాల్యంతో సోలార్ హైడ్రోజన్ ప్యానెల్‌గా స్కేలబుల్ ఆల్-పెరోవ్‌స్కైట్ ఆధారిత PEC ఫోటోఎలక్ట్రోకెమికల్ వ్యవస్థ అభివృద్ధి చేయబడింది.

అప్లికేషన్లు

ఫోటోఎలక్ట్రోకెమికల్ నీటి విభజన

ప్రధాన వ్యాసం: Photoelectrolysis of water నీరు మరియు సౌర శక్తి నుండి హైడ్రోజన్ ఉత్పత్తి రంగంలో ఫోటోఎలక్ట్రోకెమిస్ట్రీపై తీవ్రంగా అధ్యయనం జరిగింది. ఫోటోఎలక్ట్రోకెమికల్ నీటి విభజనను చారిత్రాత్మకంగా 1972లో ఫుజిషిమా మరియు హోండా TiO₂ ఎలక్ట్రోడ్లపై కనుగొన్నారు. ఇటీవల అనేక పదార్థాలు నీటిని సమర్థవంతంగా విభజించడానికి మంచి లక్షణాలను చూపించాయి, కానీ TiO₂ చౌకగా, సమృద్ధిగా మరియు ఫోటో-తుప్పుకు వ్యతిరేకంగా స్థిరంగా ఉంటుంది. TiO₂ యొక్క ప్రధాన సమస్య దాని బ్యాండ్‌గ్యాప్, ఇది దాని స్ఫటికత (అనాటేస్ లేదా రూటైల్) ప్రకారం 3 లేదా 3.2 eV ఉంటుంది. ఈ విలువలు చాలా ఎక్కువ మరియు UV ప్రాంతంలోని తరంగదైర్ఘ్యం మాత్రమే గ్రహించబడుతుంది. సౌర తరంగదైర్ఘ్యంతో నీటిని విభజించడానికి ఈ పదార్థం యొక్క పనితీరును పెంచడానికి, TiO₂ని సెన్సిటైజ్ చేయడం అవసరం. ప్రస్తుతం క్వాంటం డాట్స్ సెన్సిటైజేషన్ చాలా ఆశాజనకంగా ఉంది, కానీ కాంతిని సమర్థవంతంగా గ్రహించగల కొత్త పదార్థాలను కనుగొనడానికి మరింత పరిశోధన అవసరం.

కార్బన్ డయాక్సైడ్ యొక్క ఫోటోఎలక్ట్రోకెమికల్ తగ్గింపు

ప్రధాన వ్యాసం: Photoelectrochemical reduction of carbon dioxide కిరణజన్య సంయోగక్రియ అనేది చక్కెర వంటి హైడ్రోకార్బన్ సమ్మేళనాలను ఉత్పత్తి చేయడానికి కాంతిని ఉపయోగించి CO₂ని మార్చే సహజ ప్రక్రియ. శిలాజ ఇంధనాల క్షీణత శాస్త్రవేత్తలను హైడ్రోకార్బన్ సమ్మేళనాలను ఉత్పత్తి చేయడానికి ప్రత్యామ్నాయాలను కనుగొనేలా ప్రోత్సహిస్తుంది. కృత్రిమ కిరణజన్య సంయోగక్రియ అటువంటి సమ్మేళనాలను ఉత్పత్తి చేయడానికి సహజ కిరణజన్య సంయోగక్రియను అనుకరించే ఒక ఆశాజనక పద్ధతి. CO₂ యొక్క ఫోటోఎలక్ట్రోకెమికల్ తగ్గింపు దాని ప్రపంచవ్యాప్త ప్రభావం కారణంగా ఎక్కువగా అధ్యయనం చేయబడింది. చాలా మంది పరిశోధకులు స్థిరమైన మరియు సమర్థవంతమైన ఫోటో-ఆనోడ్లు మరియు ఫోటో-కాథోడ్లను అభివృద్ధి చేయడానికి కొత్త సెమీకండక్టర్లను కనుగొనాలని లక్ష్యంగా పెట్టుకున్నారు.

పునరుత్పత్తి ఘటాలు లేదా డై-సెన్సిటైజ్డ్ సోలార్ సెల్ (గ్రేట్జెల్ సెల్)

డై-సెన్సిటైజ్డ్ సోలార్ సెల్స్ లేదా DSSCలు కాంతిని గ్రహించడానికి TiO₂ మరియు రంగులను ఉపయోగిస్తాయి. ఈ శోషణ ఎలక్ట్రాన్-హోల్ జంటల ఏర్పాటును ప్రేరేపిస్తుంది, ఇవి అదే రెడాక్స్ జంటను, సాధారణంగా I⁻/I₃⁻ని ఆక్సీకరణం మరియు తగ్గించడానికి ఉపయోగించబడతాయి. తత్ఫలితంగా, ఒక డిఫరెన్షియల్ పొటెన్షియల్ సృష్టించబడుతుంది, ఇది విద్యుత్ ప్రవాహాన్ని ప్రేరేపిస్తుంది.

బాహ్య లింకులు

• సెమీకండక్టర్ యొక్క ఫోటోఎలక్ట్రోకెమిస్ట్రీ గురించి పూర్తి సమీక్ష
• సెమీకండక్టర్ యొక్క ఫోటోఎలక్ట్రోకెమిస్ట్రీ గురించి సమీక్ష ఆర్కైవ్ చేసిన కాపీ
• ఆర్కైవ్ చేసిన కాపీ

---

మూలం: ఇంగ్లీష్ వికీపీడియాలోని “Photoelectrochemistry” వ్యాసానికి అనువాదం. మూల వ్యాసం: https://en.wikipedia.org/wiki/Photoelectrochemistry ఈ అనువాదం స్వయంచాలకంగా రూపొందించబడింది.