简单的“扭转”改进了清洁燃料发电引擎

研究人员发现了一种提升可持续燃料生成“引擎”效率的方法——通过对材料进行微小改变。

剑桥大学领导的研究团队正在开发低成本的光收集半导体，以太阳能驱动将水转化为清洁氢燃料的装置。这些被称为氧化铜的半导体材料便宜、丰富且无毒，但其性能远不及主导半导体市场的硅。

然而，研究人员发现，通过以特定方向生长氧化铜晶体，使电荷以对角线移动，电荷可以更快、更远地传播，大大提高了性能。基于这种制备技术的氧化铜光收集器或光阴极的测试显示，其性能比现有先进氧化物光阴极提高了70%，同时还表现出了极大的稳定性。

研究人员表示，他们在《自然》期刊上发表的研究结果表明，可以通过微调低成本材料来推动从化石燃料向清洁可持续燃料的过渡，这些燃料可以储存并利用现有的能源基础设施。

氧化铜被誉为多年来取代硅的廉价潜在替代品，因为它在捕捉太阳能并将其转化为电荷方面相当有效。然而，大部分电荷往往会丢失，限制了该材料的性能。

剑桥大学化工与生物技术系的共同第一作者Lin Feng Pan博士表示：“像其他氧化物半导体一样，氧化亚铜也存在固有挑战之一是光线吸收深度与电荷在材料中移动距离之间的不匹配，因此大部分位于材料顶层以下的氧化物本质上是死空间。”

“对于大多数太阳能电池材料来说，表面的缺陷会导致性能下降，但对于这些氧化物材料来说，情况正好相反：表面大部分是良好的，但材料内部的某些东西会导致能量损失。”领导研究的Sam Stranks教授表示，“这意味着晶体的生长对其性能至关重要。”

为了将氧化亚铜发展到可以有效挑战已建立的光伏材料的程度，需要优化它们以便在太阳光照射时能够高效地产生和传输由电子和带正电的电子“空穴”组成的电荷。

其中一个潜在的优化方法是单晶薄膜-高度有序的薄材料片，通常用于电子器件。然而，制作这些薄膜通常是一个复杂而耗时的过程。

通过薄膜沉积技术，研究人员能够在常压和室温下生长高质量的氧化铜薄膜。通过精确控制反应室内的生长和流速，他们能够将晶体“转移到”特定方向。然后，利用高时间分辨光谱技术，他们能够观察晶体的取向如何影响电荷在材料中的传输效率。

Pan表示：“这些晶体基本上就是立方体，我们发现当电子沿着立方体的对角线移动，而不是沿着立方体的面或边移动时，它们可以移动一个数量级更远。电子移动得越远，性能就越好。”

Stranks表示：“这些材料中的对角线方向似乎很神奇。我们需要进行进一步的研究来充分理解原因并进一步优化它，但目前它已经显著提高了性能。”使用这种技术制备的氧化亚铜光阴极的测试表明，其性能比现有先进的电沉积氧化物光阴极提高了70%以上。

“除了性能提高外，我们发现取向使薄膜更加稳定，但超出材料内部性能的因素可能也在起作用。”Pan表示。

研究人员表示，仍需要进行更多的研究和开发，但这类材料及其相关家族可能在能源转型中扮演重要角色。

Stranks表示：“我们还有很长的路要走，但我们正在一条令人兴奋的轨迹上。这些材料还有许多有趣的科学问题，对我来说，将这些材料的物理性质与它们的生长方式、形成方式，以及最终性能联系起来非常有趣。”

该研究是与洛桑联邦理工学院、南开大学和乌普萨拉大学合作完成的。研究得到了欧洲研究理事会、瑞士国家科学基金会和英国研究与创新（UKRI）的工程与物理科学研究委员会（EPSRC）部分支持。Sam Stranks是剑桥大学化工与生物技术系的光电子学教授，也是剑桥大学克莱尔学院的研究员。