Простой поворот улучшает выработку экологически чистого топлива в двигателе.

Исследователи под руководством Кембриджского университета разрабатывают недорогие светособирающие полупроводники, которые будут питать устройства, преобразующие воду в чистое водородное топливо, используя только солнечную энергию. Эти полупроводниковые материалы, известные как оксиды меди, дешевы, легко доступны и нетоксичны, но их характеристики не могут сравниться с кремнием, который доминирует на рынке полупроводников.

Однако исследователи обнаружили, что выращивание кристаллов оксида меди в определенном направлении, так что электрические заряды движутся по диагонали кристаллов, заряды движутся быстрее и дальше, что значительно повышает производительность. Испытания светособирателя из оксида меди, или фотокатода, на основе этой технологии производства показали улучшение на 70% по сравнению с существующими фотокатодами из оксида меди, а также значительное улучшение стабильности.

Их исследователи говорят Результатыопубликованная в журнале Nature, показывает, как недорогие материалы могут быть точно настроены, чтобы обеспечить переход от ископаемого топлива к чистым, устойчивым видам топлива, которые можно хранить и использовать с существующей энергетической инфраструктурой.

Оксид меди(I), или оксид меди, уже много лет рекламируется как потенциальная дешевая альтернатива кремнию, поскольку он достаточно эффективен при улавливании солнечного света и преобразовании его в электрический заряд. Однако большая часть этого заряда имеет тенденцию теряться, что ограничивает эксплуатационные характеристики материала.

«Как и другие оксидные полупроводники, оксид меди сталкивается с фундаментальными проблемами», — сказал доктор Линфэн Пан, соавтор кафедры химической инженерии и биотехнологии Кембриджского университета. «Одна из этих проблем — несоответствие между тем, насколько глубоко поглощается свет, и тем, насколько хорошо заряды перемещаются внутри материала, поэтому большая часть оксида под верхним слоем материала представляет собой, по сути, мертвое пространство».

«Для большинства материалов солнечных элементов именно дефекты на поверхности материала вызывают падение производительности, но с этими оксидными материалами все наоборот: поверхность довольно хорошая, но что-то в размере приводит к потерям». Он сказал Профессор Сэм Стрэнкс, который руководил исследованием. «Это означает, что способ роста кристаллов жизненно важен для их производительности».

Чтобы разработать оксиды меди до такой степени, что они смогут составить надежную конкуренцию существующим фотоэлектрическим материалам, их необходимо усовершенствовать, чтобы они могли эффективно генерировать и передавать электрические заряды – состоящие из электрона и положительно заряженной электронной «дырки» – при солнечном свете. Он бьет их.

Одним из потенциальных подходов к улучшению являются тонкие монокристаллические пленки – очень тонкие полоски материала с высокоупорядоченной кристаллической структурой, которые часто используются в электронике. Однако создание таких фильмов обычно представляет собой сложный и трудоемкий процесс.

Используя методы осаждения тонких пленок, исследователи смогли получить высококачественные пленки оксида меди при атмосферном давлении и комнатной температуре. Тщательно контролируя скорость роста и потока в камере, они смогли «повернуть» кристаллы в определенном направлении. Затем, используя спектроскопические методы высокого разрешения, они смогли наблюдать, как ориентация кристаллов влияет на эффективность перемещения электрических зарядов через материал.

«Эти кристаллы по сути представляют собой кубы, и мы обнаружили, что, когда электроны движутся поперек куба по диагонали, а не вдоль грани или края куба, они движутся больше», — сказал Пэн. «Чем дальше движутся электроны, тем лучше производительность».

«Есть что-то волшебное в этой диагональной тенденции в этом материале», — сказал Стрэнкс. «Нам нужно проделать больше работы, чтобы полностью понять причину и улучшить его дальше, но на данный момент это привело к огромному скачку производительности». Испытания фотокатодов на основе оксида меди, выполненные с использованием этой методики, показали увеличение производительности более чем на 70% по сравнению с современными фотокатодами на основе оксида меди, полученными методом электрического осаждения.

«Помимо улучшения характеристик, мы обнаружили, что ориентация делает пленки более стабильными, но могут быть и другие факторы, выходящие за рамки объемных свойств», — сказал Пан.

Исследователи говорят, что все еще необходимы дополнительные исследования и разработки, но эти материалы и семейства родственных материалов могут сыграть жизненно важную роль в энергетическом переходе.

«Предстоит еще пройти долгий путь, но мы находимся на захватывающем пути», — сказал Стрэнкс. «Из этих материалов можно извлечь много интересной науки, и мне интересно связать физику этих материалов с их ростом, тем, как они формируются и, в конечном итоге, как они работают».

Исследование проводилось в сотрудничестве с Федеральной политехнической школой Лозанны, Нанкайским университетом и Уппсальским университетом. Исследование частично поддерживалось Европейским исследовательским советом, Швейцарским национальным научным фондом и Исследовательским советом по инженерным и физическим наукам (EPSRC), входящим в состав Британской исследовательской и инновационной организации (UKRI). Сэм Стрэнкс — профессор оптоэлектроники на факультете химической инженерии и биотехнологии и член Клэр-колледжа в Кембридже.

ссылка:

Линьфэн Пан, Линцзе Дай и др. 'Движение конвейера происходит высоко вдоль [111] Тенденции в фотоэлектродах Cu2O.' Природа (2024). дои: 10.1038/s41586-024-07273-8