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科学者たちは、材料をわずかに変更することで、持続可能な燃料生産の「エンジン」を過給する方法を発見しました。ケンブリッジ大学が率いる研究者らは、太陽からのエネルギーのみを使用して水を純粋な水素燃料に変換する装置に電力を供給する、低コストの集光半導体を開発している。酸化銅として知られるこれらの半導体材料は、安価で一般的で無毒ですが、半導体市場を支配しているシリコンの特性には及びません。
しかし、研究者らは、酸化銅の結晶を特定の方向に成長させ、電荷が結晶内を斜めに移動するようにすることで、電荷がより速く、より遠くまで移動し、性能が大幅に向上することを発見しました。この製造技術に基づいた酸化銅光電陰極のテストでは、既存の最先端の酸化銅光電陰極と比べて 70% 改善され、安定性も大幅に向上したことが示されました。
研究者らは、その結果が雑誌に掲載されたと述べている。 自然、化石燃料から既存のエネルギー インフラストラクチャで保存して使用できるクリーンで持続可能な燃料に移行するために、低コストの材料をどのように設計できるかを示します。
酸化銅の課題と可能性
酸化銅(I)、つまり酸化銅は、太陽光を捉えて電荷に変換するのに十分な効率があるため、シリコンの安価な代替品として長年宣伝されてきました。ただし、この電荷の多くは失われる傾向があり、材料の性能が制限されます。
「他の酸化物半導体と同様、酸化銅にも固有の問題がある」と著者の一人、ケンブリッジ化学工学・バイオテクノロジー学部のリンフェン・パン博士は語る。 「それらの問題の 1 つは、光が吸収される深さと電荷が材料内で移動する距離との間の不一致です。そのため、材料の最上層の下にある酸化物のほとんどは事実上デッドスペースになります。」
「ほとんどの太陽電池材料の場合、性能低下の原因となるのは材料表面の欠陥ですが、これらの酸化物材料ではその逆です。表面はほとんど良好ですが、一部のバルクが損失を引き起こします」とサム・ストランクス教授は述べた。 、研究を主導した人。 「これは、結晶の成長方法がその性能にとって極めて重要であることを意味します。」
酸化銅を既知の太陽光発電材料と本格的に競合できるレベルまで開発するには、太陽光下で電荷（電子と正に帯電した電子「正孔」から構成される）を効率的に生成および移動できるように酸化銅を最適化する必要があります。彼らを倒す
影響と今後の方向性
最適化への潜在的なアプローチの 1 つは、単結晶薄膜です。これは、エレクトロニクスでよく使用される、高度に秩序化された結晶構造を持つ材料の非常に薄いスライスです。ただし、これらの映画の作成は通常、複雑で時間のかかるプロセスです。
研究者らは、薄膜堆積技術を使用して、大気圧および室温で高品質の酸化銅膜を成長させることができました。チャンバー内の成長と流量を正確に制御することで、結晶を特定の方向に「移動」させることができました。次に、高時間分解能分光技術を使用して、結晶の配向が材料中を電荷が効率的に移動する方法にどのような影響を与えるかを観察することができました。
「これらの結晶は基本的に立方体であり、電子が立方体の面や端に沿ってではなく、立方体を通って本体に対して斜めに移動すると、一桁遠くに移動することがわかりました」とパン氏は述べた。 「電子が遠くまで移動するほど、パフォーマンスは向上します。」
「これらの素材の斜め方向には何か魔法があるのです」とストランクス氏は言う。 「その理由を完全に理解し、さらに最適化するにはさらなる作業が必要ですが、これまでのところパフォーマンスは大幅に向上しています。」この技術を使用して製造された酸化銅光電陰極のテストでは、既存の最新の電着酸化物光電陰極と比較して効率が 70% 以上向上することが示されました。
「性能の向上に加えて、配向によりフィルムの安定性が大幅に向上することがわかりましたが、バルク特性以外の要因が関係している可能性があります」とパン氏は述べた。
まだまだ多くの研究開発が必要だが、この材料と関連する材料群はエネルギー転換において重要な役割を果たす可能性がある、と研究者らは述べている。
「道のりはまだ長いですが、私たちはエキサイティングな軌道に乗っています」とストランクス氏は語った。 「これらの材料から学べる興味深い科学はたくさんあります。私はこれらの材料の物理学をその成長、形成方法、そして最終的にはどのように機能するかに結びつけることに興味があります。」
