Sonsuz Ark/ Evrensel Çerçeveye Yolculuk
"Cambridge araştırmacıları, yük hareketini hızlandırmak için kristal büyümesini yönlendirerek bakır oksit yarı iletkenleri geliştirdi ve sürdürülebilir yakıt teknolojilerinde ilerleme vaat eden %70'lik bir iyileşme elde etti."
Cambridge Scientists Discover Simple “Twist” That Supercharges Clean Fuel Generation
Bilim insanları, sürdürülebilir yakıt üretiminin 'motorunu' süper şarj etmek için bir yöntem keşfettiler; malzemelere küçük bir bükülme vererek.
Cambridge Üniversitesi liderliğindeki araştırmacılar, sadece güneşin gücünü kullanarak suyu temiz hidrojen yakıtına dönüştüren cihazlara güç sağlayan düşük maliyetli ışık hasat eden yarı iletkenler geliştiriyor. Bakır oksit olarak bilinen bu yarı iletken malzemeler ucuz, bol ve toksik değildir, ancak performansları yarı iletken pazarına hakim olan silikonun yanına bile yaklaşamamaktadır.
Ancak araştırmacılar, bakır oksit kristallerini belirli bir yönde büyüterek elektrik yüklerinin kristaller boyunca diyagonal olarak hareket etmesini sağladıklarında, yüklerin çok daha hızlı ve daha uzağa hareket ederek performansı büyük ölçüde artırdığını keşfettiler. Bu üretim tekniğine dayanan bir bakır oksit ışık toplayıcı veya fotokatot testleri, mevcut son teknoloji oksit fotokatotlara göre %70'lik bir iyileşme gösterirken, aynı zamanda büyük ölçüde geliştirilmiş stabilite de gösterdi.
Araştırmacılar, Nature dergisinde bildirilen sonuçlarının, düşük maliyetli malzemelerin fosil yakıtlardan uzaklaşarak mevcut enerji altyapısıyla depolanabilen ve kullanılabilen temiz, sürdürülebilir yakıtlara geçişi sağlamak için nasıl ince ayar yapılabileceğini gösterdiğini söylüyor.
Bakır Oksitte Zorluklar ve Potansiyel
Bakır (I) oksit veya bakır oksit, güneş ışığını yakalamada ve elektrik yüküne dönüştürmede oldukça etkili olduğu için yıllardır silikonun yerine geçebilecek ucuz bir potansiyel olarak lanse edilmektedir. Ancak bu yükün büyük bir kısmı kaybolma eğilimi göstererek malzemenin performansını sınırlamaktadır.
Cambridge Kimya Mühendisliği ve Biyoteknoloji Bölümü'nden ilk yazar Dr. Linfeng Pan, "Diğer oksit yarı iletkenler gibi bakır oksitin de kendine özgü zorlukları var" diyor. "Bu zorluklardan biri, ışığın ne kadar derin emildiği ile yüklerin malzeme içinde ne kadar uzağa gittiği arasındaki uyumsuzluktur, bu nedenle malzemenin üst katmanının altındaki oksidin çoğu esasen ölü alandır."
Araştırmayı yöneten Profesör Sam Stranks, "Çoğu güneş pili malzemesi için, performansta düşüşe neden olan malzemenin yüzeyindeki kusurlardır, ancak bu oksit malzemelerde durum tam tersidir: yüzey büyük ölçüde iyidir, ancak kütle ile ilgili bir şey kayıplara yol açar" diyor. "Bu da kristallerin yetiştirilme şeklinin performansları için hayati önem taşıdığı anlamına geliyor."
Yerleşik fotovoltaik malzemelere karşı güvenilir bir rakip olabilecekleri noktaya kadar bakır oksitleri geliştirmek için, güneş ışığı onlara çarptığında bir elektron ve pozitif yüklü bir elektron 'deliğinden' oluşan elektrik yüklerini verimli bir şekilde üretebilmeleri ve taşıyabilmeleri için optimize edilmeleri gerekir.
Etki ve Gelecek Yönelimleri
Potansiyel optimizasyon yaklaşımlarından biri tek kristalli ince filmlerdir - elektronikte sıklıkla kullanılan, yüksek düzene sahip kristal yapıya sahip çok ince malzeme dilimleri. Ancak bu filmleri yapmak normalde karmaşık ve zaman alıcı bir süreçtir.
Araştırmacılar, ince film biriktirme tekniklerini kullanarak, ortam basıncında ve oda sıcaklığında yüksek kaliteli bakır oksit filmler büyütmeyi başardılar. Bölmedeki büyüme ve akış hızlarını hassas bir şekilde kontrol ederek kristalleri belirli bir yöne 'kaydırabildiler'. Ardından, yüksek zamansal çözünürlüklü spektroskopik teknikler kullanarak, kristallerin yöneliminin elektrik yüklerinin malzeme içinde ne kadar verimli hareket ettiğini nasıl etkilediğini gözlemleyebildiler.
Pan, "Bu kristaller temelde küplerdir ve elektronlar küpün yüzü veya kenarı boyunca değil de bir gövde köşegeninde küp boyunca hareket ettiklerinde, büyüklük sırasına göre daha uzağa hareket ettiklerini gördük" diyor. "Elektronlar ne kadar uzağa hareket ederse, performans o kadar iyi oluyor."
Stranks, "Bu malzemelerdeki diyagonal yönle ilgili bir şey sihirli" diyor. "Nedenini tam olarak anlamak ve daha da optimize etmek için daha fazla çalışma yapmamız gerekiyor, ancak şu ana kadar performansta büyük bir sıçrama ile sonuçlandı." Bu teknik kullanılarak yapılan bakır oksit fotokatot testleri, mevcut son teknoloji ürünü elektrodepoze oksit fotokatotlara göre performansta %70'in üzerinde bir artış gösterdi.
Pan, "Geliştirilmiş performansa ek olarak, oryantasyonun filmleri çok daha kararlı hale getirdiğini gördük, ancak yığın özelliklerinin ötesinde faktörler de söz konusu olabilir" diyor.
Araştırmacılar hala çok daha fazla araştırma ve geliştirmeye ihtiyaç olduğunu, ancak bu ve benzeri malzeme ailelerinin enerji dönüşümünde hayati bir role sahip olabileceğini söylüyorlar.
Stranks, "Daha önümüzde uzun bir yol var, ancak heyecan verici bir yörüngedeyiz" diyor. "Bu malzemelerden elde edilecek çok sayıda ilginç bilim var ve bu malzemelerin fiziğini büyümeleriyle, nasıl oluştuklarıyla ve nihayetinde nasıl performans gösterdikleriyle ilişkilendirmek benim için ilginç."
Araştırma École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Nankai Üniversitesi ve Uppsala Üniversitesi ile işbirliği içinde gerçekleştirilmiştir. Araştırma kısmen Avrupa Araştırma Konseyi, İsviçre Ulusal Bilim Vakfı ve Birleşik Krallık Araştırma ve İnovasyon'un (UKRI) bir parçası olan Mühendislik ve Fizik Bilimleri Araştırma Konseyi (EPSRC) tarafından desteklenmiştir. Sam Stranks, Kimya Mühendisliği ve Biyoteknoloji Bölümü'nde Optoelektronik Profesörü ve Clare College, Cambridge üyesidir.
Cambridge Üniversitesi, 26 Nisan 2024, SciTechDaily
Mustafa Tamer, 17.07.2024, Sonsuz Ark, Çeviri, Bilim ve Teknoloji, Aklın Merdivenleri
Referans: "Cu2O fotoelektrotlarda [111] yönelimi boyunca yüksek taşıyıcı hareketliliği" Linfeng Pan, Linjie Dai, Oliver J. Burton, Lu Chen, Virgil Andrei, Youcheng Zhang, Dan Ren, Jinshui Cheng, Linxiao Wu, Kyle Frohna, Anna Abfalterer, Terry Chien-Jen Yang, Wenzhe Niu, Meng Xia, Stephan Hofmann, Paul J. Dyson, Erwin Reisner, Henning Sirringhaus, Jingshan Luo, Anders Hagfeldt, Michael Grätzel ve Samuel D. Stranks, 24 Nisan 2024, Nature. DOI: 10.1038/s41586-024-07273-8
- Sonsuz Ark'ta yayınlanan yazılardan yazarları sorumludur.
- Sonsuz Ark linki verilerek kısmen alıntı yapılabilir.
- Sonsuz Ark yayınları Sonsuz Ark manifestosuna aykırı yayın yapan sitelerde yayınlanamaz.
- Sonsuz Ark Yayınlarının Kullanımına İlişkin Önemli Duyuru için lütfen tıklayınız.