Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
ề mặt lý thuyết, pin mặt trời và tế bào quang điện làm từ oxit đồng có thể đạt được hiệu quả cao đối với việc chuyển đổi năng lượng mặt trời. Trong thực tế, tuy nhiên, tổn thất lớn xảy ra. Bây giờ các nhà nghiên cứu đã có thể sử dụng một thí nghiệm laser femtosecond tinh vi để xác định nơi xảy ra những mất mát này: không quá nhiều tại các giao diện, mà thay vào đó là nhiều hơn trong phần bên trong của vật liệu tinh thể. Những kết quả này cung cấp chỉ dẫn về cách cải thiện oxit đồng và các oxit kim loại khác cho các ứng dụng làm vật liệu năng lượng.
Ôxít đồng (Cu 2 O) là một ứng cử viên rất hứa hẹn cho việc chuyển đổi năng lượng mặt trời trong tương lai: như là một tế bào quang điện, oxit đồng (một chất bán dẫn) có thể sử dụng ánh sáng mặt trời để phân tách nước và do đó tạo ra hydro, một loại nhiên liệu có thể lưu trữ hóa học năng lượng của ánh sáng mặt trời.
Ôxít đồng có khoảng cách dải là 2 volt điện tử, rất phù hợp với phổ năng lượng của ánh sáng mặt trời. Về mặt lý thuyết, các tinh thể oxit đồng hoàn hảo có thể cung cấp điện áp gần 1,5 volt khi được chiếu sáng bằng ánh sáng. Do đó, vật liệu này sẽ là hoàn hảo như là chất hấp thụ hàng đầu trong một tế bào song song quang hóa để tách nước. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời thành hydro lên tới 18% là có thể đạt được. Tuy nhiên, các giá trị thực tế cho quang điện nằm thấp hơn đáng kể so với giá trị đó, không đủ để biến oxit đồng thành một tế bào quang hiệu quả trong một tế bào song song để tách nước. Cho đến nay, các quá trình mất gần bề mặt hoặc tại các lớp ranh giới chủ yếu chịu trách nhiệm cho việc này.
Một nhóm nghiên cứu tại Viện năng lượng mặt trời HZB hiện đã xem xét kỹ hơn các quy trình này. Nhóm đã nhận được các tinh thể đơn Cu 2 O chất lượng cao từ các đồng nghiệp tại Viện Công nghệ California (Caltech), sau đó tích tụ một lớp bạch kim cực kỳ mỏng, trong suốt trên chúng. Lớp bạch kim này hoạt động như một chất xúc tác và tăng hiệu quả tách nước. Họ đã kiểm tra các mẫu này trong phòng thí nghiệm laser femtosecond (1 fs = 10-15giây) tại HZB để tìm hiểu quá trình nào dẫn đến việc mất các hạt mang điện và đặc biệt là liệu những mất mát này xảy ra ở bên trong các tinh thể đơn hay tại giao diện với bạch kim.
Một xung laser màu xanh lá cây ban đầu kích thích các electron trong Cu 2 O; chỉ cần một phần của giây sau, một xung laser thứ hai (tia UV) đã đo năng lượng của electron kích thích. Sau đó, nhóm nghiên cứu đã có thể xác định cơ chế chính của tổn thất quang điện thông qua quang phổ phát xạ photon hai photon được giải quyết theo thời gian này (tr-2PPE). Tác giả đầu tiên Mario Borgwardt, hiện đang tiếp tục công việc của mình như là một đồng nghiệp Humboldt tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley ở Hoa Kỳ . Điều phối viên của nghiên cứu, Dennis Friedrich, giải thích: “Điều này xảy ra trên thang thời gian dưới một picosecond (1 ps = 10 -12 s), tức là cực kỳ nhanh, đặc biệt là so với các hạt mang điện trong khoảng thời gian cần phải khuếch tán từ bên trong vật liệu kết tinh lên bề mặt. “
“Chúng tôi có các phương pháp thí nghiệm rất mạnh mẽ tại phòng thí nghiệm laser femtosecond của HZB để phân tích năng lượng và động lực của các electron kích thích ảnh trong chất bán dẫn. Chúng tôi có thể chứng minh cho oxit đồng rằng tổn thất hầu như không xảy ra ở các giao diện với bạch kim, nhưng thay vào đó là chính tinh thể, “Rainer Eichberger, người khởi xướng nghiên cứu và là người đứng đầu phòng thí nghiệm quang phổ xương đùi cho biết.
“Những hiểu biết mới này là đóng góp đầu tiên của chúng tôi cho Cụm xuất sắc UniSysCat tại Technische Đại học Berlin, nơi chúng tôi là đối tác”, Roel van de Krol, người đứng đầu Viện HZB cho Nhiên liệu mặt trời. UniSysCat tập trung vào các quá trình xúc tác diễn ra theo thang thời gian rất đa dạng: trong khi các hạt mang điện phản ứng cực nhanh với sự kích thích bởi ánh sáng (femtos giây đến picosecond), các quá trình hóa học như xúc tác (điện) đòi hỏi nhiều bậc thời gian hơn (mili giây). Một chuyển đổi quang hóa hiệu quả đòi hỏi cả hai quá trình phải được tối ưu hóa cùng nhau. Các kết quả hiện tại đã được công bố trên tạp chí Nature Communications là một bước quan trọng theo hướng này.
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :