102
Ученые открыли метод сверхзарядки «двигателя» устойчивого производства топлива – несколько видоизменив материалы. Исследователи под руководством Кембриджского университета разрабатывают недорогие светоуборочные полупроводники, питающие устройства для превращения воды в чистое водородное топливо, используя только энергию солнца. Эти полупроводниковые материалы, известные как оксиды меди, дешевы, распространены и нетоксичны, но по своим характеристикам не приближаются к кремнию, который доминирует на рынке полупроводников.
Однако исследователи обнаружили, что выращивая кристаллы оксида меди в определенной ориентации, чтобы электрические заряды двигались через кристаллы по диагонали, заряды двигались гораздо быстрее и дальше, что значительно улучшало производительность. Испытания фотокатода из оксида меди, основанного на этой технике изготовления, показали улучшение на 70% по сравнению с существующими современными фотокатодами из оксида меди, а также показали значительно улучшенную стабильность.
Исследователи говорят, что их результаты опубликованы в журнале природа, показывают, как недорогие материалы могут быть настроены для перехода от ископаемого топлива к чистому устойчивому топливу, которое можно хранить и использовать в существующей энергетической инфраструктуре.
Проблемы и потенциал оксида меди
Оксид меди (I) или оксид меди в течение многих лет рекламировался как дешевая потенциальная замена кремния, поскольку он достаточно эффективен для захвата солнечного света и превращения его в электрический заряд. Однако большая часть этого заряда имеет тенденцию утрачиваться, ограничивая производительность материала.
"Как и другие оксидные полупроводники, оксид меди имеет свои внутренние проблемы", - сказал один из авторов, д-р Linfeng Pan с кафедры химической инженерии и биотехнологии Кембриджа. «Одна из этих проблем — несоответствие между тем, насколько глубоко поглощается свет, и как далеко заряды перемещаются внутри материала, поэтому большая часть оксида под верхним слоем материала является фактически мертвым пространством».
«Для большинства материалов для солнечных элементов именно дефекты на поверхности материала приводят к снижению производительности, но с этими оксидными материалами все наоборот: поверхность в основном хорошая, но кое-что в объеме приводит к потерям», сказал руководивший исследованием профессор Сэм Стрэнкс. «Это означает, что способ выращивания кристаллов жизненно важен для их производительности».
Чтобы разработать оксиды меди до такой степени, чтобы они могли стать надежной конкуренцией с известными фотоэлектрическими материалами, их нужно оптимизировать, чтобы они могли эффективно генерировать и перемещать электрические заряды, состоящие из электрона и положительно заряженной электронной «дыры» под солнечным светом. бьет их.
Воздействие и будущие направления
Одним из потенциальных подходов к оптимизации являются монокристаллические тонкие пленки – очень тонкие кусочки материала с высокоупорядоченной кристаллической структурой, часто используемые в электронике. Однако создание этих фильмов обычно является сложным и продолжительным процессом.
Используя методы осаждения тонких пленок, исследователи смогли вырастить высококачественные пленки оксида меди при давлении окружающей среды и комнатной температуре. Благодаря точному контролю роста и скорости потока в камере они смогли сдвинуть кристаллы в определенную ориентацию. Затем, используя спектроскопические методы высокого временного разрешения, они смогли наблюдать, как ориентация кристаллов влияет на то, насколько эффективно электрические заряды движутся через материал.
"Эти кристаллы в основном являются кубами, и мы обнаружили, что когда электроны двигаются сквозь куб по диагонали тела, а не вдоль грани или края куба, они двигаются на порядок дальше", - сказал Пан. «Чем дальше двигаются электроны, тем лучше производительность».
"Что-то в этом диагональном направлении в этих материалах является магией", - сказал Стрэнкс. «Нам нужно провести дальнейшую работу, чтобы полностью понять, почему, и оптимизировать ее дальше, но сейчас это привело к огромному скачку производительности». Испытания фотокатода из оксида меди, изготовленного по этой технологии, показали повышение эффективности более чем на 70% по сравнению с существующими современными фотокатодами из электроосаженного оксида.
«В дополнение к улучшенной производительности, мы обнаружили, что ориентация делает пленки гораздо более стабильными, но могут влиять на факторы, кроме объемных свойств», — сказал Пан.
Исследователи говорят, что все еще нужно еще много исследований и разработок, но и родственные семейства материалов могут сыграть жизненно важную роль в переходе энергии.
"Впереди еще долгий путь, но мы на увлекательной траектории", - сказал Стрэнкс. «Из этих материалов можно получить много интересных научных исследований, и мне интересно увязать физику этих материалов с их ростом, тем, как они формируются, и, наконец, как они работают».
