óxido de cobre Cu 2 O es un candidato muy prometedor para la conversión de energía solar en el futuro: como fotocatodo, el óxido de cobre un semiconductor podría usar la luz solar para dividir electrolíticamente el agua y generar hidrógeno, un combustible que puede almacenar químicamente la energía deluz del sol.
El óxido de cobre tiene un intervalo de banda de 2 voltios de electrones, que coincide muy bien con el espectro de energía de la luz solar. Los cristales de óxido de cobre perfectos deberían ser capaces de proporcionar un voltaje cercano a 1,5 voltios cuando se iluminan con luz. El materialpor lo tanto, sería perfecto como el absorbente superior en una celda tándem fotoelectroquímica para la división del agua. Se debería lograr una eficiencia de conversión de energía solar a hidrógeno de hasta 18 por ciento. Sin embargo, los valores reales de la fotovoltaje se encuentran considerablemente por debajo de eso.valor, insuficiente para hacer del óxido de cobre un fotocatodo eficiente en una celda en tándem para la división del agua. Hasta ahora, los procesos de pérdida cerca de la superficie o en las capas límite se han responsabilizado principalmente de esto.
Un equipo del Instituto HZB para Combustibles Solares ahora ha examinado más de cerca estos procesos. El grupo recibió Cu de alta calidad 2 O cristales individuales de colegas del Instituto de Tecnología de California Caltech, luego depositaron vapor sobre ellos una capa extremadamente delgada y transparente de platino sobre ellos. Esta capa de platino actúa como un catalizador y aumenta la eficiencia de la división del agua. Examinaron estosmuestras en el laboratorio de láser de femtosegundo 1 fs = 10 -15 s en el HZB para saber qué procesos conducen a la pérdida de los portadores de carga y, en particular, si estas pérdidas ocurren en el interior de los cristales individuales o en la interfaz con el platino.
Un pulso láser verde inicialmente excitó los electrones en el Cu 2 O; solo fracciones de un segundo después, un segundo pulso láser luz UV midió la energía del electrón excitado. El equipo pudo identificar el mecanismo principal de las pérdidas de fotovoltaje a través de esta emisión de fotones de dos fotones resuelta en el tiempoespectroscopía tr-2PPE. "Observamos que los electrones excitados se unían muy rápidamente en estados defectuosos que existen en grandes cantidades en la banda en sí", informa el primer autor Mario Borgwardt, quien ahora continúa su trabajo como miembro de Humboldt enLawrence Berkeley National Laboratory en los EE.UU .. El coordinador del estudio, Dennis Friedrich, explica: "Esto sucede en una escala de tiempo de menos de un picosegundo 1 ps = 10 -12 s, es decir, extremadamente rápido, especialmente en comparación con el intervalo de tiempo, los portadores de carga deben difundirse desde el interior del material cristalino a la superficie ".
"Tenemos métodos experimentales muy potentes en el laboratorio de láser de femtosegundos del HZB para analizar la energía y la dinámica de los electrones fotoexcitados en semiconductores. Pudimos demostrarle al óxido de cobre que las pérdidas apenas ocurren en las interfaces con el platino, peroen cambio en el cristal mismo ", dice Rainer Eichberger, iniciador del estudio y jefe del laboratorio de espectroscopía de femtosegundos.
"Estas nuevas ideas son nuestra primera contribución al UniSysCat Excellence Cluster en la Technische Universität Berlin, en la que somos socios", enfatiza Roel van de Krol, quien dirige el Instituto HZB para Combustibles Solares. UniSysCat se enfoca en procesos catalíticos quetienen lugar en escalas de tiempo muy diversas: mientras que los portadores de carga reaccionan extremadamente rápido a las excitaciones de la luz femtosegundos a picosegundos, los procesos químicos como la electro catálisis requieren muchos órdenes de magnitud más tiempo milisegundos. Una conversión fotoquímica eficiente requiere que ambosprocesos optimizados juntos. Los resultados actuales que ahora se han publicado en la revista Comunicaciones de la naturaleza son un paso importante en esta dirección.
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Materiales proporcionado por Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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