Wraz ze wzrostem popularności czystej energii paliwowej naukowcy poszukują nowych procesów, aby rozwijać zrównoważoną generację paliw. Niedawno odkryli sposób na doładowanie silnika czystej generacji paliw poprzez nadanie materiałom lekkiego skrętu.
Naukowcy z Uniwersytetu Cambridge pracują nad niedrogimi półprzewodnikami zbierającymi światło , które będą zasilać urządzenia przetwarzające wodę w czyste paliwo wodorowe , którego źródłem energii jest wyłącznie światło słoneczne.
Materiały półprzewodzące, znane jako tlenki miedzi, choć nietoksyczne, powszechnie dostępne i tanie, historycznie pozostawały w tyle za krzemem na rynku półprzewodników ze względu na swoje słabe parametry. Technika ta polega na tworzeniu kryształów tlenku miedzi w precyzyjnej orientacji , która poprawia przenoszenie ładunków elektrycznych przez materiał, co przekłada się na znacznie szybszy i bardziej wydajny transport ładunków.
Fotokatody z tlenku miedzi zbierające światło, wyprodukowane przy użyciu tej metody, przewyższyły poprzednie fotokatody tlenkowe o 70% i charakteryzowały się zwiększoną stabilnością. Niedawno opublikowane badania dowodzą potencjału niedrogich zasobów w przyspieszeniu przejścia na zrównoważone źródła energii . Co więcej, można je bezproblemowo zintegrować z istniejącą infrastrukturą energetyczną.
Zapoznaj się również z badaniami przeprowadzonymi przez Uniwersytet Tohoku, dotyczącymi wykorzystania nieuporządkowanych tlenków soli kamiennej w akumulatorach magnezowych.
Wyzwania i szanse w zakresie tlenku miedzi
Pomimo obiecujących rezultatów, tlenek miedzi(I), znany również jako tlenek miedzi(I), od dawna uważany jest za niedrogą i potencjalną alternatywę dla krzemu. Jednak jego wewnętrzne ograniczenia utrudniają skuteczne pochłanianie światła słonecznego i przekształcanie go w ładunek elektryczny. Znaczna część tego ładunku jest tracona, co ogranicza wydajność materiału.
W tym kontekście dr Linfeng Pan z Wydziału Inżynierii Chemicznej i Biotechnologii Uniwersytetu Cambridge stwierdził: „Podobnie jak inne półprzewodniki tlenkowe, tlenek miedzi(I) ma swoje wewnętrzne wyzwania. Jednym z nich jest niedopasowanie między głębokością absorpcji światła a odległością, na jaką ładunki przemieszczają się w materiale, przez co większość tlenku pod górną warstwą materiału stanowi w zasadzie martwą przestrzeń”.
Profesor Sam Stranks , który kierował badaniami, dodał: „W przypadku większości materiałów ogniw słonecznych to defekty na powierzchni materiału powodują obniżenie wydajności, ale w przypadku materiałów tlenkowych sytuacja jest odwrotna: powierzchnia jest w dużej mierze drobna, ale coś w ich strukturze powoduje straty. Oznacza to, że sposób hodowli kryształów ma kluczowe znaczenie dla ich wydajności”.
Aby móc konkurować z istniejącymi materiałami fotowoltaicznymi, tlenki miedzi(I) muszą zostać zoptymalizowane w celu efektywnego generowania i przesyłania ładunków elektrycznych składających się z dziury elektronowej, która jest dodatnio naładowana podczas ekspozycji na światło słoneczne.
Przyszłe kierunki i ich implikacje
- Jednym z potencjalnych podejść optymalizacyjnych jest używać cienkich warstw monokrystalicznych które są cienkimi plasterkami materiału o wysoce zorganizowanej strukturze krystalicznej, używanymi w zastosowaniach elektrycznych. Jednakże konwencjonalna produkcja tych folii jest często skomplikowana i czasochłonna.
- Badaczom udało się odnieść sukces wyprodukowano wysokiej jakości folie z tlenku miedzi przy ciśnieniu otoczenia i temperaturze pokojowej stosując techniki osadzania cienkich warstw. Byli w stanie przesunąć kryształy do określonej orientacji poprzez ostrożne kontrolowanie wzrostu i szybkości przepływu w komorze osadzania. Stosując techniki spektroskopowe o wysokiej rozdzielczości czasowej, wykryli, w jaki sposób orientacja kryształów zmienia wydajność przepływu ładunku elektrycznego w materiale.
Dr Pan dodał: „Te kryształy to w zasadzie sześciany. Odkryliśmy, że kiedy elektrony poruszają się po przekątnej sześcianu, a nie wzdłuż jego ściany czy krawędzi, pokonują one o rząd wielkości większy dystans. Im dalej poruszają się elektrony, tym lepsza jest wydajność”.
- Eksperymenty na fotokatodzie z tlenku miedzi stworzonej przy użyciu tej technologii wykazał wzrost wydajności o ponad 70% w porównaniu do obecnie stosowanej elektroosadzanej fotokatody tlenkowej.
Profesor Stranks dodał: „Coś w tym ukośnym kierunku w tych materiałach jest magiczne. Musimy przeprowadzić dalsze badania, aby w pełni zrozumieć, dlaczego tak się dzieje i jeszcze bardziej to zoptymalizować, ale jak dotąd przyniosło to ogromny skok w wydajności”.
„Oprócz poprawy wydajności, odkryliśmy, że orientacja sprawia, że folie są znacznie bardziej stabilne, ale mogą mieć na to wpływ czynniki wykraczające poza właściwości fizyczne” – dodał dr Pan.
- Naukowcy zauważają, że pomimo wcześniejszych osiągnięć, konieczne są dodatkowe badania i prace rozwojowe. Niemniej jednak, podkreślić potencjalne znaczenie tej i innych rodzin materiałów w celu wsparcia trwającego procesu przechodzenia na zrównoważone źródła energii.
Podsumowując, prof. Stranks podkreślił: „Przed nami jeszcze długa droga, ale jesteśmy na ekscytującej ścieżce. Wiele interesujących odkryć naukowych można znaleźć w tych materiałach, a dla mnie interesujące jest powiązanie fizyki tych materiałów z ich wzrostem, sposobem powstawania i ostatecznie tym, jak działają”.
Źródło : Prosty „zwrot” ulepsza silnik wytwarzania czystego paliwa
