Слънчев водород: Бариери за пренос на заряд в метални оксиди.
В бъдеще неутралния по отношение на климата водород ще играе важна роля като гориво и суровина. Водородът се произвежда чрез електролиза на вода, или като се използва индиректен подход, при който външен източник на енергия (слънчев панел или вятърна турбина) захранва електролизната клетка с напрежение, или като се използва директен подход: фотоелектрохимична клетка, в която самият фотоелектрод доставя електричеството енергия за електролиза (PEC клетка). Този пряк подход би имал някои предимства, но все още не е конкурентен.
Засега това се дължи основно на липсата на добри фотоелектроди. Металните оксиди се считат за подходящи по принцип; те са евтини, нетоксични, стабилни във воден разтвор и често притежават каталитични свойства, които могат да ускорят желаната химическа реакция. Слънчевата светлина освобождава носители на заряд в метални оксиди, като по този начин генерира електрическо напрежение.
водородна централна реклама
Но в сравнение с легираните полупроводници като силиция, тези носители на заряд не са много мобилни, те са доста бавни или веднага се установяват обратно в решетката и се локализират. Това се дължи на различни механизми в различни скали за време и дължина, които все още са слабо разбрани.
В фемтосекундната лазерна лаборатория в HZB, екипът, ръководен от д-р Денис Фридрих и д-р Ханес Хемпел, изследва подробно за първи път какво ограничава проводимостта на металните оксиди.
Маркус Шльонинг, първият автор на изследването, който направи докторантурата си по тази тема, каза:
Искахме да разберем колко силно са локализирани носителите на заряд и как това намалява тяхната мобилност в различно време.
Работата е публикувана в списанието Advanced Functional Materials.
Д-р Ханес Хемпел каза:
Първо, разработихме нов метод за определяне на дължините на дифузия.
„Простото уравнение може да се приложи и към други класове материали като халидни перовскити или силиций“, обяснява Хемпел.
Д-р Денис Фридрих каза:
Тогава установихме, че това не работи за определени материали и точно когато са разположени носителите на заряд.
В фемтосекундната лаборатория всички проби се изследват както с терагерцов метод (OPTP), така и с микровълнова спектроскопия (TRMC), като и двата метода на измерване първоначално предоставят информация за мобилността и живота на носителите на заряд, но в различни времеви мащаби.
Резултатите могат да бъдат много различни, което показва, че носителите са били локализирани междувременно. От свръхбързи процеси в диапазона от 100 фемтосекунди до по-бавни процеси с продължителност 100 микросекунди, екипът успя да определи динамиката на носителите на заряд в материалите. За сравнение, екстраполирано към нашето човешко възприятие за време, това би съответствало на промени във времеви интервали от една секунда до 31 години.
Физиците са използвали тази комбинация от методи за анализ на 10 метални оксидни съединения, включително Fe2O3, CuFeO2, α-SnWO4, BaSnO3 и CuBi2O4. За всички материали подвижността е много ниска в сравнение с конвенционалните полупроводници. Термичната обработка, отгряването, значително подобрява мобилността в BaSnO3.
Най-добре се представи добре известният бисмутов ванадат (BiVO4), който показва малка локализация на носителя на изследваните скали за дължина. Проучването показва как съединенията на металните оксиди могат да бъдат характеризирани, за да се идентифицират и разработят най-добрите материали за фотоелектроди.
