Con la crescente popolarità dell'energia da combustibile pulito, gli scienziati sono alla ricerca di nuovi processi per sviluppare una generazione di combustibile sostenibile. Hanno scoperto di recente un modo per sovralimentare il motore della generazione di combustibile pulito dando ai materiali una leggera svolta.
I ricercatori dell'Università di Cambridge stanno sviluppando semiconduttori a basso costo per la raccolta della luce, in grado di alimentare dispositivi per la conversione dell'acqua in idrogeno pulito, un combustibile prodotto esclusivamente dalla luce solare.
Questi materiali semiconduttori, noti come ossidi di rame, pur essendo atossici, abbondanti ed economici, sono stati storicamente meno performanti del silicio nel mercato dei semiconduttori. La tecnica prevede lo sviluppo di cristalli di ossido di rame con un orientamento preciso che migliora il trasferimento delle cariche elettriche attraverso il materiale, con conseguente trasporto di carica notevolmente più rapido ed efficiente.
I fotocatodi a base di ossido di rame per la raccolta della luce, prodotti con questo approccio, hanno superato del 70% le prestazioni dei precedenti fotocatodi a ossido e hanno mostrato una maggiore stabilità. Questa ricerca, pubblicata di recente, dimostra il potenziale di risorse a basso costo per accelerare la transizione verso fonti energetiche sostenibili . Inoltre, può essere integrata senza problemi nelle infrastrutture energetiche esistenti.
Inoltre, dai un'occhiata a questa ricerca condotta dall'Università di Tohoku sull'utilizzo di ossidi di salgemma disordinati per batterie ricaricabili al magnesio.
Sfide e opportunità nell'ossido rameoso
Nonostante i risultati promettenti, l'ossido rameoso, noto anche come ossido di rame(I), è stato a lungo considerato una potenziale alternativa a basso costo al silicio. Tuttavia, limitazioni intrinseche ne ostacolano l'efficacia nell'assorbire la luce solare e nel convertirla in carica elettrica. Una parte significativa di tale carica viene persa , limitando le prestazioni del materiale.
A questo proposito, il dottor Linfeng Pan del Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biotecnologie dell'Università di Cambridge ha affermato: "Come altri semiconduttori a ossido, l'ossido rameoso presenta delle problematiche intrinseche. Una di queste è la discrepanza tra la profondità di assorbimento della luce e la distanza percorsa dalle cariche all'interno del materiale; di conseguenza, la maggior parte dell'ossido al di sotto dello strato superficiale è essenzialmente spazio morto."
Inoltre, il professor Sam Stranks , che ha guidato la ricerca, ha aggiunto: "Nella maggior parte dei materiali per celle solari, sono i difetti sulla superficie del materiale a causare una riduzione delle prestazioni, ma con questi materiali a base di ossidi, accade il contrario: la superficie è in gran parte intatta, ma qualcosa nella struttura interna provoca perdite. Ciò significa che il modo in cui i cristalli vengono cresciuti è fondamentale per le loro prestazioni."
Per competere con i materiali fotovoltaici esistenti, gli ossidi rameosi devono essere ottimizzati per generare e trasmettere efficacemente cariche elettriche costituite da una coppia elettrone-lacuna che si carica positivamente durante l'esposizione alla luce solare.
Direzioni future e le loro implicazioni
- Un potenziale approccio di ottimizzazione è quello di utilizzare film sottili monocristallini che sono sottili fette di materiale con una struttura cristallina altamente organizzata utilizzata in applicazioni elettriche. Tuttavia, la produzione convenzionale di queste pellicole è spesso complessa e richiede molto tempo.
- I ricercatori hanno avuto successo ha prodotto pellicole di ossido rameoso di alta qualità a pressione ambiente e temperatura ambiente utilizzando tecniche di deposizione di film sottili. Sono stati in grado di spostare i cristalli in un certo orientamento controllando attentamente la crescita e le velocità di flusso all'interno della camera di deposizione. Utilizzando tecniche spettroscopiche ad alta risoluzione temporale, hanno rilevato come l'orientamento dei cristalli alterasse l'efficienza del flusso di carica elettrica all'interno del materiale.
Il dottor Pan ha aggiunto: "Questi cristalli sono fondamentalmente dei cubi, e abbiamo scoperto che quando gli elettroni si muovono attraverso il cubo lungo una diagonale, anziché lungo una faccia o uno spigolo, percorrono una distanza maggiore di un ordine di grandezza. Maggiore è la distanza percorsa dagli elettroni, migliori sono le prestazioni."
- Esperimenti su un fotocatodo in ossido rameoso creato utilizzando questa tecnologia ha dimostrato un aumento delle prestazioni di oltre il 70% rispetto all'attuale fotocatodo a ossido elettrodepositato.
Il professor Stranks ha inoltre affermato: "C'è qualcosa di magico in quella direzione diagonale in questi materiali. Dobbiamo svolgere ulteriori ricerche per comprenderne appieno il motivo e ottimizzarla ulteriormente, ma finora ha portato a un enorme miglioramento delle prestazioni."
"Oltre al miglioramento delle prestazioni, abbiamo scoperto che l'orientamento rende i film molto più stabili, ma potrebbero entrare in gioco anche altri fattori oltre alle proprietà macroscopiche", ha aggiunto il dottor Pan.
- I ricercatori notano che, nonostante i precedenti guadagni, sono necessari ulteriori sforzi di ricerca e sviluppo. Tuttavia, sottolineare la potenziale importanza di questa e di altre famiglie di materiali per favorire la transizione in corso verso fonti energetiche sostenibili.
In conclusione, il professor Stranks ha sottolineato: "C'è ancora molta strada da fare, ma siamo su una traiettoria entusiasmante. Da questi materiali scaturiranno molte scoperte scientifiche interessanti, ed è stimolante per me collegare la fisica di questi materiali alla loro crescita, alla loro formazione e, in definitiva, alle loro prestazioni".
Fonte : Una semplice "torsione" migliora il motore di generazione di carburante pulito
