Met de toenemende populariteit van schone brandstofenergie zoeken wetenschappers naar nieuwe processen om duurzame brandstofgeneratie te ontwikkelen. Ze ontdekten onlangs een manier om de motor van schone brandstofgeneratie te boosten door materialen een kleine draai te geven.
Onderzoekers van de Universiteit van Cambridge werken aan betaalbare, lichtabsorberende halfgeleiders die apparaten aandrijven waarmee water , volledig op basis van zonlicht, wordt omgezet in schone waterstofbrandstof .
Deze halfgeleidende materialen, bekend als koperoxiden, zijn weliswaar niet giftig, overvloedig aanwezig en goedkoop, maar hebben historisch gezien achtergebleven bij silicium op de halfgeleidermarkt vanwege hun matige prestaties. De techniek omvat het ontwikkelen van koperoxidekristallen in een precieze oriëntatie die de overdracht van elektrische ladingen door het materiaal verbetert, wat resulteert in aanzienlijk sneller en efficiënter ladingstransport.
Lichtabsorberende koperoxide-fotokathodes die met deze methode zijn geproduceerd, presteerden 70% beter dan eerdere oxide-fotokathodes en vertoonden een verhoogde stabiliteit. Dit recent gepubliceerde onderzoek toont het potentieel aan van betaalbare grondstoffen om de overgang naar duurzame energiebronnen te versnellen . Bovendien kan het naadloos worden geïntegreerd in de bestaande energie-infrastructuur.
Bekijk ook eens dit onderzoek van de Tohoku Universiteit naar het gebruik van ongeordende steenzoutoxiden voor oplaadbare magnesiumbatterijen.
Uitdagingen en kansen in koperoxide
Ondanks de veelbelovende resultaten wordt koper(I)oxide, ook wel koper(I)oxide genoemd, al lange tijd beschouwd als een goedkoop en veelbelovend alternatief voor silicium. Echter, inherente beperkingen belemmeren de effectiviteit ervan bij het absorberen van zonlicht en het omzetten ervan in elektrische lading. Een aanzienlijk deel van die lading gaat verloren, wat de prestaties van het materiaal beperkt.
In dit verband verklaarde Dr. Linfeng Pan van de afdeling Chemische Technologie en Biotechnologie van Cambridge: "Net als andere oxidehalfgeleiders kent koper(I)oxide zijn eigen uitdagingen. Een van die uitdagingen is de discrepantie tussen hoe diep licht wordt geabsorbeerd en hoe ver de ladingen zich binnen het materiaal verplaatsen, waardoor het grootste deel van het oxide onder de bovenste materiaallaag in feite dode ruimte is."
Professor Sam Stranks , die het onderzoek leidde, voegde hieraan toe: "Bij de meeste materialen voor zonnecellen zijn het defecten aan het oppervlak die de prestaties verminderen, maar bij deze oxidematerialen is het precies andersom: het oppervlak is grotendeels intact, maar iets in het binnenste van het materiaal leidt tot verliezen. Dit betekent dat de manier waarop de kristallen worden gekweekt van cruciaal belang is voor hun prestaties."
Om te kunnen concurreren met bestaande fotovoltaïsche materialen, moeten koperoxiden worden geoptimaliseerd om effectief elektrische ladingen te genereren en over te dragen die bestaan uit een elektron-gatpaar dat positief geladen is tijdens blootstelling aan zonlicht.
Toekomstige richtingen en hun implicaties
- Een mogelijke optimalisatiebenadering is om gebruik monokristallijne dunne films die dunne plakjes materiaal zijn met een zeer georganiseerde kristalstructuur die worden gebruikt in elektrische toepassingen. De conventionele productie van deze films is echter vaak complex en tijdrovend.
- De onderzoekers zijn succesvol produceerde hoogwaardige koperoxidefilms bij omgevingsdruk en kamertemperatuur door dunnefilmdepositietechnieken te gebruiken. Ze waren in staat de kristallen in een bepaalde oriëntatie te verschuiven door de groei- en stroomsnelheden binnen de depositiekamer zorgvuldig te controleren. Met behulp van spectroscopische technieken met hoge temporele resolutie ontdekten ze hoe de kristaloriëntatie de efficiëntie van de elektrische ladingsstroom binnen het materiaal veranderde.
Dr. Pan voegde eraan toe : "Deze kristallen zijn in principe kubussen, en we ontdekten dat wanneer de elektronen zich door de kubus bewegen langs een lichaamsdiagonaal, in plaats van langs een vlak of rand van de kubus, ze een orde van grootte verder komen. Hoe verder de elektronen komen, hoe beter de prestaties."
- Experimenten met een koperoxide-fotokathode die met deze technologie is gemaakt toonde een prestatieverbetering van meer dan 70% vergeleken met de huidige elektrolytisch afgezette oxidefotokathode.
Professor Stranks verklaarde verder: "Er is iets magisch aan die diagonale richting in deze materialen. We moeten verder onderzoek doen om volledig te begrijpen waarom en het verder te optimaliseren, maar het heeft tot nu toe al geleid tot een enorme prestatieverbetering."
"Naast de verbeterde prestaties ontdekten we dat de oriëntatie de films veel stabieler maakt, maar er spelen mogelijk meer factoren mee dan alleen de bulk-eigenschappen," voegde dr. Pan eraan toe.
- De onderzoekers merken op dat ondanks eerdere winsten er nog meer onderzoek en ontwikkeling nodig is. Niettemin, ze benadrukken het potentiële belang van deze en andere materiële families bij het ondersteunen van de voortdurende overgang naar duurzame energiebronnen.
Tot slot benadrukte professor Stranks: "Er is nog een lange weg te gaan, maar we bevinden ons op een veelbelovend traject. Er valt nog veel interessant wetenschappelijk onderzoek te doen naar deze materialen, en ik vind het interessant om de natuurkunde van deze materialen te verbinden met hun groei, hoe ze ontstaan en uiteindelijk hoe ze presteren."
Bron : Een simpele 'draai' verbetert de motor van schone brandstofproductie
