研究人员找到了一种为可持续燃料发电“引擎”增压的方法——通过对材料进行一些改造。
由剑桥大学领导的研究人员正在开发低成本的光捕获半导体，该半导体为仅利用太阳的能量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便宜、储量丰富且无毒，但其性能与主导半导体市场的硅尚不相上下。
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，从而大大提高了性能。 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，与现有最先进的氧化物光电阴极相比，性能提高了 70%，同时稳定性也大大提高。
研究人员表示，他们在《自然》杂志上发表的研究结果表明，如何对低成本材料进行微调，以推动从化石燃料向可在现有能源基础设施中储存和使用的清洁、可持续燃料的转变。
多年来，氧化铜（I）或氧化亚铜一直被誉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。
“与其他氧化物半导体一样，氧化亚铜也有其固有的挑战，”剑桥大学化学工程与生物技术系的共同第一作者 Linfeng Pan 博士说。 “这些挑战之一是光吸收的深度和电荷在材料内传播的距离之间的不匹配，因此材料顶层下方的大部分氧化物基本上是死区。”
“对于大多数太阳能电池材料来说，材料表面的缺陷会导致性能下跌，但对于这些氧化物材料来说，情况恰恰相反：表面基本上很好，但成交量的某些东西会导致损失，”领导这项研究的萨姆·斯特兰克斯教授说。 “这意味着晶体的生长方式对其性能至关重要。”
为了将氧化亚铜发展到成为现有光伏材料的可靠竞争者，需要对它们进行优化，以便它们能够有效地产生和移动电荷——由电子和带正电的电子“空穴”组成——当阳光照射到他们身上时。
一种潜在的优化方法是单晶薄膜——具有高度有序晶体结构的非常薄的材料切片，通常用于电子产品。 然而，制作这些薄膜通常是一个复杂且耗时的过程。
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高质量的氧化亚铜薄膜。 通过精确控制腔室中的生长和流速，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，我们发现当电子以体对角线穿过立方体时，而不是沿着立方体的面或边缘移动，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。”
“这些材料的对角线方向有些神奇，”斯特兰克斯说。 “我们需要开展进一步的工作来充分理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，其性能比现有最先进的电沉积氧化物光电阴极提高了 70% 以上。
潘说：“除了性能提高之外，我们发现取向使薄膜更加稳定，但除本体性能之外的因素也可能发挥作用。”
研究人员表示，仍需要更多的研究和开发，但这种材料和相关材料系列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，但我们正走在令人兴奋的轨道上，”斯特兰克斯说。 “这些材料可以产生很多有趣的科学知识，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性能联系起来很有趣。”
该研究是与洛桑联邦理工学院、南开大学和乌普萨拉大学合作进行的。 该研究得到了欧洲研究委员会、瑞士国家科学基金会以及英国研究与创新部 (UKRI) 旗下工程和物理科学研究委员会 (EPSRC) 的部分支持。 Sam Stranks 是化学工程与生物技术系光电子学教授，也是剑桥克莱尔学院院士。
资讯来源：由a0资讯编译自THECOINREPUBLIC。版权归作者A0资讯所有，未经许可，不得转载
