研究人员已经找到了一种方法来给可持续燃料生产的“引擎”增压——通过给材料一点扭转。
由剑桥大学(University of Cambridge)领导的研究人员正在开发低成本的光收集半导体，这种半导体可以为仅使用太阳能就能将水转化为清洁氢燃料的设备提供动力。这些被称为氧化铜的半导体材料价格低廉、储量丰富且无毒，但它们的性能远不及主导半导体市场的硅。
然而，研究人员发现，通过以特定方向生长氧化铜晶体，使电荷沿对角线穿过晶体，电荷移动得更快更远，大大提高了性能。基于这种制造技术的氧化铜光收集器或光电阴极的测试表明，与现有的最先进的氧化物光电阴极相比，其性能提高了70%，同时稳定性也大大提高。
研究人员表示，他们发表在《自然》杂志上的研究结果表明，低成本的材料可以被微调，为从化石燃料转向清洁、可持续的燃料提供动力，这种燃料可以与现有的能源基础设施一起储存和使用。
氧化铜(或氧化亚铜)多年来一直被吹捧为硅的廉价潜在替代品，因为它在捕获阳光并将其转化为电荷方面相当有效。然而，大部分电荷往往会丢失，从而限制了材料的性能。
“像其他氧化物半导体一样，氧化亚铜也有其内在的挑战，”剑桥大学化学工程与生物技术系的共同第一作者潘林峰博士说。“其中一个挑战是光被吸收的深度和电荷在材料内传播的距离之间的不匹配，所以材料顶层以下的大部分氧化物基本上都是死区。”
“对于大多数太阳能电池材料来说，是材料表面的缺陷导致性能下降，但对于这些氧化物材料，情况正好相反:表面很大程度上很好，但体积上的某些东西导致了损失，”该研究的负责人萨姆·斯特兰克斯教授说。“这意味着晶体的生长方式对它们的性能至关重要。”
为了使氧化亚铜成为现有光伏材料的有力竞争者，需要对它们进行优化，以便在阳光照射时有效地产生和移动电荷——由电子和带正电的电子“空穴”组成。
一种潜在的优化方法是单晶薄膜——非常薄的材料片，具有高度有序的晶体结构，通常用于电子产品。然而，制作这些电影通常是一个复杂而耗时的过程。
利用薄膜沉积技术，研究人员能够在环境压力和室温下生长出高质量的氧化亚铜薄膜。通过精确控制室内的生长和流速，他们能够将晶体“转移”到特定的方向。然后，利用高时间分辨率光谱技术，他们能够观察到晶体的方向如何影响电荷在材料中移动的效率。
潘说:“这些晶体基本上是立方体，我们发现，当电子沿着对角线穿过立方体，而不是沿着立方体的表面或边缘移动时，它们会进一步移动一个数量级。”“电子移动得越远，性能就越好。”
斯特兰克斯说:“这些材料的对角线方向很神奇。”“我们需要开展进一步的工作来充分了解原因并进一步优化，但到目前为止，它已经导致了性能的巨大飞跃。”使用该技术制造的氧化亚铜光电阴极的测试表明，与现有的最先进的电沉积氧化光电阴极相比，性能提高了70%以上。
潘说:“除了性能的提高，我们发现取向使薄膜更加稳定，但体积性能之外的因素可能在起作用。”
研究人员说，还需要更多的研究和开发，但这种材料和相关的材料家族可能在能源转型中发挥至关重要的作用。
“还有很长的路要走，但我们正走在一条令人兴奋的轨道上，”斯特兰克斯说。“这些材料中有很多有趣的科学，对我来说，将这些材料的物理特性与它们的生长、形成方式以及最终的表现联系起来是很有趣的。”
更多信息:Samuel Stranks, Cu2O光电极沿[111]取向的高载流子迁移率，Nature(2024)。DOI: 10.1038 / s41586 - 024 - 07273 - 8。www.nature.com/articles/s41586-024-07273-8期刊信息:Nature由剑桥大学提供引文:一个简单的“扭曲”改进了清洁燃料发电的发动机(2024,4月24日)检索自2024年4月24日https://techxplore.com/news/2024-04-simple-fuel-generation.html本文档受版权保护。除为私人学习或研究目的而进行的任何公平交易外，未经书面许可，不得转载任何部分。内容仅供参考之用。
