随着清洁燃料能源越来越受欢迎，科学家们正在寻找开发可持续燃料生产的新工艺。他们最近发现了一种通过对材料进行轻微扭曲来增强清洁燃料生产引擎的方法。
剑桥大学的研究人员正在推进价格低廉的光捕获半导体技术的发展，这种半导体可以为完全由太阳光驱动的装置提供动力，将水转化为清洁的氢燃料。
这些被称为氧化铜的半导体材料虽然无毒、储量丰富且价格低廉，但由于性能不佳，在半导体市场上的发展一直落后于硅。该技术旨在开发具有精确取向的氧化铜晶体，从而改善材料内部的电荷传输，最终实现更快、更高效的电荷传输。
采用这种方法制备的光捕获氧化铜光电阴极的性能比以往的氧化物光电阴极提高了70%，并且稳定性也得到了提升。这项研究成果近期发表，展示了这种经济实惠的资源在加速向可持续能源转型方面的潜力。此外，它还可以无缝集成到现有的能源基础设施中。
另外，还可以看看东北大学利用无序岩盐氧化物制造可充电镁电池的这项研究。
氧化亚铜的挑战与机遇
尽管氧化亚铜（也称氧化铜(I)）展现出令人鼓舞的成果，但长期以来，它一直被视为硅的一种低成本潜在替代品。然而，其固有的局限性限制了它吸收太阳光并将其转化为电荷的效率。相当一部分电荷的损失限制了材料的性能。
针对这一背景，剑桥大学化学工程与生物技术系的潘林峰博士指出：“与其他氧化物半导体一样，氧化亚铜也存在其固有的挑战。其中一个挑战是光吸收深度与电荷在材料内部传输距离不匹配，因此材料顶层以下的氧化物大部分实际上是死区。”
领导这项研究的萨姆·斯特兰克斯教授补充道： “对于大多数太阳能电池材料而言，导致性能下降的是材料表面的缺陷，但对于这些氧化物材料来说，情况恰恰相反：表面基本完好，但内部的某些问题导致了性能损失。这意味着晶体的生长方式对其性能至关重要。”
为了与现有的光伏材料竞争，必须优化氧化亚铜，使其能够有效地产生和传输由电子-空穴组成的电荷，该电荷在暴露于阳光下时带正电。
未来方向及其影响
- 一种潜在的优化方法是 使用单晶薄膜 这是一种薄片材料，具有高度有序的晶体结构，可用于电气应用。然而，这些薄膜的传统生产通常很复杂且耗时。
- 研究人员成功 在环境压力和室温下制备了高质量的氧化亚铜薄膜 通过使用薄膜沉积技术。他们能够通过仔细控制沉积室内的生长和流速将晶体移至特定方向。使用高时间分辨率光谱技术，他们检测到晶体方向如何改变材料内电荷流动的效率。
潘博士补充道：“这些晶体基本上是立方体，我们发现，当电子沿着立方体的体对角线而不是沿着立方体的面或棱移动时，它们的移动距离会远一个数量级。电子移动的距离越远，性能就越好。”
- 利用该技术制作的氧化亚铜光电阴极实验 性能提升超过 70% 与目前的电沉积氧化物光电阴极相比。
斯特兰克斯教授进一步指出：“这些材料中存在的对角线方向具有某种神奇之处。我们需要开展进一步的研究来充分了解其原因并对其进行进一步优化，但到目前为止，它已经带来了性能的巨大提升。”
潘博士进一步补充道：“除了性能的提高，我们还发现取向使薄膜更加稳定，但除了本体性质之外，可能还有其他因素在起作用。”
- 研究人员指出，尽管之前取得了一些进展，但仍需要进一步的研究和开发。尽管如此，他们 强调该材料系列和其他材料系列的潜在重要性 帮助持续向可持续能源转型。
最后，斯特兰克斯教授强调：“我们还有很长的路要走，但我们正走在一条令人兴奋的道路上。这些材料蕴藏着许多有趣的科学发现，对我来说，将这些材料的物理特性与其生长、形成以及最终的性能联系起来，是一件非常有趣的事情。”
