クリーン燃料エネルギーの人気が高まるにつれ、科学者たちは持続可能な燃料生成を開発するための新しいプロセスを模索しています。彼らは最近、材料に少し工夫を加えることでクリーン燃料生成のエンジンを強化する方法を発見しました。
研究者は ケンブリッジ大学 手頃な価格の光集光技術を開発中 水をクリーンな水素燃料に変換する装置に電力を供給する半導体 太陽光のみで発電します。
銅酸化物として知られるこれらの半導体材料は、毒性がなく、豊富で安価であるものの、その性能の低さから半導体市場では歴史的にシリコンに遅れをとってきた。この技術には、 正確な配向で酸化銅結晶を成長させる これにより、材料を介した電荷の移動が改善され、電荷輸送が大幅に高速化され、効率化されます。
この手法で製造された光収集型酸化銅光電陰極は、従来の酸化物光電陰極より70%性能が優れ、安定性も向上しました。最近発表されたこの研究は、手頃な価格のリソースが 持続可能なエネルギー源への移行を加速するさらに、既存のエネルギーインフラにシームレスに統合できます。
また、この研究もご覧ください。 東北大学、不規則岩塩酸化物をマグネシウム充電電池に利用.
酸化第一銅の課題と機会
有望な結果にもかかわらず、酸化銅（I）としても知られる酸化第一銅は、シリコンの低コストの有望な代替品として長い間考えられてきました。しかし、固有の制限により、太陽光を吸収して電荷に変換する効果は妨げられています。 その料金のかなりの部分が失われる 材料の性能を制限します。
この文脈に関しては、 リンフェン・パン博士 ケンブリッジ大学化学工学・バイオテクノロジー学部の教授は、 「他の酸化物半導体と同様に、亜酸化銅にも固有の課題があります。その課題の 1 つは、光が吸収される深さと材料内で電荷が移動する距離の不一致です。そのため、材料の最上層の下の酸化物の大部分は、基本的にデッド スペースになります。」
また、教授 サム・ストランクス研究を主導したは、次のように付け加えた。 「ほとんどの太陽電池材料の場合、材料の表面の欠陥が性能低下の原因となりますが、これらの酸化物材料の場合はその逆で、表面は概ね問題ありませんが、バルクの何かが損失につながります。 つまり、結晶の成長方法がその性能にとって非常に重要だということです。」
既存の太陽光発電材料と競争するために、 酸化第一銅は電荷を効果的に生成し伝達するために最適化する必要がある 太陽光にさらされると正に帯電する電子ホールから構成されます。
将来の方向性とその意味
- 最適化のアプローチとして考えられるのは、 単結晶薄膜を使用する 薄膜は、電気用途に使用される、高度に組織化された結晶構造を持つ材料の薄片です。しかし、これらのフィルムの従来の製造は、多くの場合、複雑で時間がかかります。
- 研究者たちは 常圧および室温で高品質の酸化第一銅膜を生成 薄膜堆積技術を使用することで、堆積チャンバー内の成長と流量を注意深く制御することで、結晶を特定の方向にシフトさせることができました。高時間分解能の分光技術を使用して、結晶の方向が材料内の電荷の流れの効率をどのように変えるかを検出しました。
パン博士は次のように付け加えた。 「これらの結晶は基本的に立方体であり、電子が立方体の面や辺に沿ってではなく、体の対角線に沿って移動すると、1桁遠くまで移動することが分かりました。電子がより遠くまで移動するほど、パフォーマンスは向上します。」
- この技術を使用して作成された酸化第一銅光電陰極の実験 70%以上のパフォーマンス向上を実証 現在の電気めっき酸化物光電陰極と比較して。
ストランクス教授はさらに次のように述べた。 「これらの材料の斜め方向は魔法のようです。その理由を完全に理解し、さらに最適化するにはさらに研究を進める必要がありますが、これまでのところ、パフォーマンスが大幅に向上しています。」
「性能の向上に加えて、配向によってフィルムの安定性が大幅に向上することが分かりましたが、バルク特性以外の要因も影響している可能性があります。」 パン博士はさらに付け加えた。
- 研究者らは、これまでの成果にもかかわらず、さらなる研究開発の努力が必要であると指摘している。それにもかかわらず、 この物質ファミリーや他の物質ファミリーの潜在的な重要性を強調する 持続可能なエネルギー源への継続的な移行を支援します。
最後にストランクス教授は、 「まだ道のりは長いですが、私たちはエキサイティングな軌道に乗っています。これらの材料から多くの興味深い科学が生まれます。これらの材料の物理特性と、その成長、形成方法、そして最終的にはその性能を結び付けることは私にとって興味深いことです。」
