Von Cambridge geleitete Wissenschaftler entwickeln neue, kostengünstige lichtsammelnde Halbleiter, um Wasser in sauberen Wasserstoffbrennstoff umzuwandeln und dabei ausschließlich die Energie der Sonne zu nutzen.
Diese als Kupferoxide bekannten Materialien sind billig, reichlich vorhanden und ungiftig, ihre Leistung kommt jedoch bisher nicht annähernd an die von Silizium heran, das den Halbleitermarkt dominiert.
Die Forscher fanden jedoch heraus, dass durch das Züchten von Kupferoxidkristallen in einer bestimmten Ausrichtung, sodass sich elektrische Ladungen diagonal über die Kristalle bewegen, die Ladungen viel schneller und weiter wandern, was die Leistung erheblich verbessert.
Tests eines Kupferoxid-Lichtsammlers oder einer Fotokathode, die auf dieser Herstellungstechnik basieren, zeigten eine 70-prozentige Verbesserung gegenüber bestehenden Oxid-Fotokathoden nach dem neuesten Stand der Technik und zeigten gleichzeitig eine deutlich verbesserte Stabilität.
Die Forscher sagen, dass ihre in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichten Ergebnisse zeigen, wie kostengünstige Materialien verfeinert werden könnten, um den Übergang von fossilen Brennstoffen zu sauberen, nachhaltigen Brennstoffen voranzutreiben, die mit der vorhandenen Energieinfrastruktur gespeichert und genutzt werden können.
Kupferoxid oder Kupferoxid wird seit Jahren als möglicher kostengünstiger Ersatz für Silizium angepriesen, da es Sonnenlicht einigermaßen effektiv einfängt und in elektrische Ladung umwandelt. Ein Großteil dieser Ladung geht jedoch tendenziell verloren, was die Leistung des Materials einschränkt.
„Wie andere Oxidhalbleiter hat auch Kupferoxid seine eigenen Herausforderungen“, betont Co-Autor Dr. Linfeng Pan vom Department of Chemical Engineering and Biotechnology in Cambridge in einer Erklärung. „Eine dieser Herausforderungen ist das Missverhältnis zwischen der Tiefe, in der Licht absorbiert wird, und der Entfernung, die Ladungen innerhalb des Materials zurücklegen, sodass der größte Teil des Oxids unter der obersten Schicht des Materials im Wesentlichen toter Raum ist.“
„Bei den meisten Solarzellenmaterialien sind es Defekte an der Materialoberfläche, die zu einer Leistungsminderung führen, bei diesen Oxidmaterialien ist es jedoch umgekehrt: Die Oberfläche ist weitgehend fein, aber etwas im Volumen führt zu Verlusten, ” fügt Professor Sam Stranks, der die Forschung leitete, hinzu: „Das bedeutet, dass die Art und Weise, wie die Kristalle gezüchtet werden, für ihre Leistung von entscheidender Bedeutung ist.“
Um Kupferoxide so weit zu entwickeln, dass sie eine ernstzunehmende Konkurrenz zu etablierten Photovoltaikmaterialien darstellen können, ist es notwendig, sie so zu optimieren, dass sie elektrische Ladungen (bestehend aus einem Elektron und einem positiv geladenen Elektronenloch) effizient erzeugen und bewegen können. wenn Sonnenlicht auf sie trifft.
Eine mögliche Optimierungsmethode sind monokristalline Dünnschichten: sehr dünne Materialschichten mit einer hochgeordneten Kristallstruktur, die häufig in der Elektronik eingesetzt werden. Allerdings ist die Herstellung dieser Filme oft ein komplexer und zeitaufwändiger Prozess.
Mithilfe von Dünnschichtabscheidungstechniken konnten die Forscher bei Raumtemperatur und Druck hochwertige Kupferoxidfilme züchten. Durch die präzise Steuerung des Wachstums und der Strömungsgeschwindigkeiten in der Kammer konnten sie die Kristalle in eine bestimmte Ausrichtung „verschieben“. Anschließend konnten sie mithilfe von spektroskopischen Techniken mit hoher zeitlicher Auflösung beobachten, wie sich die Ausrichtung der Kristalle auf die Effizienz auswirkte, mit der sich elektrische Ladungen durch das Material bewegten.
„Diese Kristalle sind im Grunde Würfel, und wir haben festgestellt, dass sich Elektronen, wenn sie sich entlang einer Diagonale des Körpers bewegen, um eine Größenordnung weiter bewegen“, sagt er. Je mehr sich die Elektronen bewegen, desto besser ist die Leistung.“
„Diese diagonale Richtung in diesen Materialien hat etwas Magisches“, sagt Stranks. „Wir müssen weiter daran arbeiten, den Grund vollständig zu verstehen und es weiter zu optimieren, aber bisher hat es zu einem großen Leistungssprung geführt.“ Tests einer mit dieser Technik hergestellten Kupferoxid-Fotokathode zeigten eine Leistungssteigerung von mehr als 70 % gegenüber bestehenden hochmodernen elektrolytisch abgeschiedenen Oxid-Fotokathoden.
„Neben der verbesserten Leistung haben wir herausgefunden, dass die Ausrichtung die Filme viel stabiler macht, aber möglicherweise spielen auch Faktoren eine Rolle, die über die allgemeinen Eigenschaften hinausgehen“, sagte Pan.
Forscher sagen, dass noch viel mehr Forschung und Entwicklung erforderlich ist, aber dieses und verwandte Materialfamilien könnten eine entscheidende Rolle bei der Energiewende spielen. „Es liegt noch ein weiter Weg vor uns, aber wir befinden uns auf einem spannenden Weg“, schließt Stranks. „Aus diesen Materialien kann eine Menge interessanter wissenschaftlicher Erkenntnisse hervorgehen, und es ist für mich interessant, die Physik dieser Materialien mit ihrem Wachstum, ihrer Entstehung und letztendlich ihrer Leistung in Verbindung zu bringen.“
