Med den ökande populariteten för ren bränsleenergi letar forskare efter nya processer för att utveckla hållbar bränsleproduktion. De upptäckte nyligen ett sätt att överladda motorn för ren bränsleproduktion genom att ge materialen en liten vridning.
Forskare från University of Cambridge utvecklar prisvärda ljusinfångande halvledare som driver anordningar som omvandlar vatten till rent vätgasbränsle som enbart drivs av solljus.
Dessa halvledande material, kända som kopparoxider, är visserligen giftfria, rikligt förekommande och billiga, men har historiskt sett halkat efter kisel på halvledarmarknaden på grund av sin dåliga prestanda. Tekniken innefattar att utveckla kopparoxidkristaller i en exakt orientering som förbättrar överföringen av elektriska laddningar genom materialet, vilket resulterar i betydligt snabbare och effektivare laddningstransport.
Ljusavskiljande kopparoxidfotokatoder som producerats med denna metod överträffade tidigare oxidfotokatoder med 70 % och hade ökad stabilitet. Denna nyligen publicerade forskning visar potentialen hos prisvärda resurser för att påskynda övergången till hållbara energikällor. Dessutom kan de integreras sömlöst i befintlig energiinfrastruktur.
Kolla också in den här forskningen som gjorts av Tohoku University med användning av oordnade bergsaltoxider för laddningsbara magnesiumbatterier.
Utmaningar och möjligheter inom kopparoxid
Trots de lovande resultaten har koppar(I)oxid, även känd som koppar(I)oxid, länge ansetts vara ett billigt och potentiellt alternativ till kisel. Emellertid hindrar inneboende begränsningar dess effektivitet i att absorbera solljus och omvandla det till elektrisk laddning. En betydande del av den laddningen går förlorad, vilket begränsar materialets prestanda.
Med hänvisning till detta sammanhang konstaterade Dr Linfeng Pan från Cambridges institution för kemiteknik och bioteknik: ”Liksom andra oxidhalvledare har koppar(I)oxid sina inneboende utmaningar. En av dessa utmaningar är obalansen mellan hur djupt ljus absorberas och hur långt laddningarna färdas inom materialet, så det mesta av oxiden under det översta materiallagret är i huvudsak dött utrymme.”
Professor Sam Stranks , som ledde forskningen, tillade också : ”För de flesta solcellsmaterial är det defekter på materialets yta som orsakar en minskad prestanda, men med dessa oxidmaterial är det tvärtom: ytan är till stor del fin, men något med volymen leder till förluster. Det betyder att sättet kristallerna odlas på är avgörande för deras prestanda.”
För att kunna konkurrera med befintliga solceller måste kopparoxider optimeras för att effektivt generera och överföra elektriska laddningar bestående av ett elektronhål som är positivt laddat under exponering för solljus.
Framtida riktningar och deras konsekvenser
- En potentiell optimeringsmetod är att använd tunna enkristallfilmer vilka är tunna skivor av material med en välorganiserad kristallstruktur som används i elektriska tillämpningar. Konventionell produktion av dessa filmer är dock ofta komplex och tidskrävande.
- Forskarna har framgångsrikt producerade högkvalitativa kopparoxidfilmer vid omgivningstryck och rumstemperatur genom att använda tunnfilmsdeponeringstekniker. De kunde flytta kristallerna till en viss orientering genom att noggrant kontrollera tillväxt- och flödeshastigheterna i deponeringskammaren. Med hjälp av spektroskopiska tekniker med hög temporal upplösning detekterade de hur kristallorienteringen förändrade effektiviteten hos det elektriska laddningsflödet i materialet.
Dr. Pan tillade: ”Dessa kristaller är i grunden kuber, och vi fann att när elektronerna rör sig genom kuben diagonalt, snarare än längs kubens yta eller kant, rör de sig en storleksordning längre. Ju längre elektronerna rör sig, desto bättre prestanda.”
- Experiment på en kopparoxidfotokatod skapad med denna teknik visade en prestandaökning på mer än 70 % jämfört med den nuvarande elektroavsatta oxidfotokatoden.
Professor Stranks sa vidare: ”Något med den diagonala riktningen i dessa material är magiskt. Vi behöver utföra ytterligare arbete för att helt förstå varför och optimera det ytterligare, men det har hittills resulterat i ett enormt hopp i prestanda.”
"Förutom den förbättrade prestandan fann vi att orienteringen gör filmerna mycket stabilare, men faktorer utöver bulkegenskaperna kan spela in", tillade Dr. Pan vidare.
- Forskarna noterar att trots tidigare framsteg krävs ytterligare forskning och utveckling, men det krävs ändå insatser. Ändå betona den potentiella betydelsen av denna och andra materialfamiljer för att stödja den pågående övergången till hållbara energikällor.
Avslutningsvis betonade professor Stranks att ”Det är fortfarande en lång väg att gå, men vi är inne på en spännande bana. Det finns mycket intressant vetenskap att komma från dessa material, och det är intressant för mig att koppla fysiken hos dessa material till deras tillväxt, hur de bildas och i slutändan hur de presterar.”
Källa : En enkel "vridning" förbättrar motorn för generering av rent bränsle
