Mit der zunehmenden Beliebtheit sauberer Brennstoffenergie suchen Wissenschaftler nach neuen Verfahren zur nachhaltigen Brennstofferzeugung. Kürzlich entdeckten sie eine Möglichkeit, die Erzeugung sauberer Brennstoffe durch eine leichte Veränderung der Materialien zu beschleunigen.
Forscher der Universität Cambridge entwickeln kostengünstige Halbleiter zur Lichtgewinnung, die Geräte mit Strom versorgen, welche Wasser in sauberen Wasserstoff umwandeln, der ausschließlich mit Sonnenlicht betrieben wird.
Diese als Kupferoxide bekannten Halbleitermaterialien sind zwar ungiftig, reichlich vorhanden und kostengünstig, blieben aber aufgrund ihrer geringen Leistung im Halbleitermarkt lange hinter Silizium zurück. Das Verfahren beinhaltet die Herstellung von Kupferoxidkristallen in einer präzisen Ausrichtung , die den Transport elektrischer Ladungen durch das Material verbessert und somit einen deutlich schnelleren und effizienteren Ladungstransport ermöglicht.
Mit diesem Verfahren hergestellte lichtabsorbierende Kupferoxid-Photokathoden übertrafen bisherige Oxid-Photokathoden um 70 % und wiesen eine höhere Stabilität auf. Die kürzlich veröffentlichte Forschung demonstriert das Potenzial kostengünstiger Ressourcen zur Beschleunigung des Übergangs zu nachhaltigen Energiequellen . Darüber hinaus lässt sich das Verfahren nahtlos in die bestehende Energieinfrastruktur integrieren.
Sehen Sie sich auch diese Studie der Universität Tohoku an: „Using Disordered Rocksalt Oxides for Rechargeable Magnesium Batteries“.
Herausforderungen und Chancen bei Kupferoxid
Trotz vielversprechender Ergebnisse gilt Kupfer(I)-oxid, auch bekannt als Kupfer(I)-oxid, seit Langem als kostengünstige Alternative zu Silizium. Allerdings beeinträchtigen intrinsische Eigenschaften seine Effektivität bei der Absorption von Sonnenlicht und dessen Umwandlung in elektrische Ladung. Ein erheblicher Teil dieser Ladung geht verloren, was die Leistungsfähigkeit des Materials einschränkt.
In diesem Zusammenhang erklärte Dr. Linfeng Pan vom Fachbereich Chemieingenieurwesen und Biotechnologie der Universität Cambridge: „Wie andere Oxidhalbleiter weist auch Kupfer(I)-oxid seine inhärenten Herausforderungen auf. Eine dieser Herausforderungen ist die Diskrepanz zwischen der Tiefe der Lichtabsorption und der Reichweite der Ladungen im Material, sodass der größte Teil des Oxids unterhalb der obersten Materialschicht im Wesentlichen toter Raum ist.“
Professor Sam Stranks , der die Forschung leitete, fügte hinzu: „Bei den meisten Solarzellenmaterialien sind es Oberflächenfehler, die zu Leistungseinbußen führen, aber bei diesen Oxidmaterialien ist es umgekehrt: Die Oberfläche ist weitgehend einwandfrei, aber irgendetwas im Inneren des Materials verursacht Verluste. Das bedeutet, dass die Art und Weise, wie die Kristalle gezüchtet werden, entscheidend für ihre Leistung ist.“
Um mit bestehenden Photovoltaikmaterialien konkurrieren zu können, müssen Kupfer(I)-oxide so optimiert werden, dass sie elektrische Ladungen, bestehend aus einem Elektron-Loch, das bei Sonneneinstrahlung positiv geladen ist, effektiv erzeugen und übertragen können.
Zukünftige Richtungen und ihre Auswirkungen
- Ein möglicher Optimierungsansatz besteht darin, verwenden einkristalline Dünnschichten Dabei handelt es sich um dünne Materialscheiben mit einer hochorganisierten Kristallstruktur, die in elektrischen Anwendungen zum Einsatz kommen. Die konventionelle Herstellung dieser Filme ist jedoch oft komplex und zeitaufwändig.
- Den Forschern gelang es produzierte hochwertige Kupferoxidfilme bei Umgebungsdruck und Raumtemperatur Durch den Einsatz von Dünnschichtabscheidungsverfahren gelang es ihnen, die Kristalle in eine bestimmte Ausrichtung zu bringen, indem sie das Wachstum und die Flussraten in der Abscheidungskammer sorgfältig kontrollierten. Mithilfe hochauflösender spektroskopischer Verfahren konnten sie feststellen, wie die Kristallorientierung die Effizienz des elektrischen Ladungsflusses im Material veränderte.
Dr. Pan fügte hinzu: „Diese Kristalle sind im Grunde Würfel, und wir haben festgestellt, dass sich die Elektronen um eine Größenordnung weiter bewegen, wenn sie sich diagonal durch den Würfel bewegen, anstatt entlang der Fläche oder Kante des Würfels. Je weiter sich die Elektronen bewegen, desto besser ist die Leistung.“
- Experimente an einer mit dieser Technologie hergestellten Kupferoxid-Photokathode zeigte eine Leistungssteigerung von mehr als 70 % im Vergleich zur aktuellen galvanisch abgeschiedenen Oxid-Photokathode.
Professor Stranks erklärte weiter: „Die diagonale Ausrichtung dieser Materialien hat etwas Magisches. Wir müssen weitere Untersuchungen durchführen, um dies vollständig zu verstehen und sie weiter zu optimieren, aber bisher hat sie zu einem enormen Leistungssprung geführt.“
„Neben der verbesserten Leistung stellten wir fest, dass die Ausrichtung die Filme wesentlich stabiler macht, aber es könnten auch Faktoren jenseits der Materialeigenschaften eine Rolle spielen“, fügte Dr. Pan weiter hinzu.
- Die Forscher weisen darauf hin, dass trotz der bisherigen Erfolge weitere Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen erforderlich sind. Dennoch betonen die potenzielle Bedeutung dieser und anderer Materialfamilien bei der Unterstützung des laufenden Übergangs zu nachhaltigen Energiequellen.
Abschließend betonte Prof. Stranks: „Es ist noch ein langer Weg, aber wir befinden uns auf einem vielversprechenden Weg. Diese Materialien bergen ein großes wissenschaftliches Potenzial, und es ist für mich spannend, die physikalischen Eigenschaften dieser Materialien mit ihrem Wachstum, ihrer Entstehung und letztendlich ihrer Leistungsfähigkeit zu verknüpfen.“
Quelle : Eine einfache „Drehung“ verbessert den Motor der sauberen Kraftstofferzeugung
