Ny metode stabiliserer almindelige halvledere til produktion af solbrændstoffer

Forskere rundt om i verden forsøger at udvikle solcelledrevne generatorer, der kan spalte vand, giver brintgas, der kunne bruges som rent brændstof. En sådan enhed kræver effektive lysabsorberende materialer, der tiltrækker og fastholder sollys for at drive de kemiske reaktioner, der er involveret i vandspaltning. Halvledere som silicium og galliumarsenid er fremragende lysabsorberende - som det fremgår af deres udbredte anvendelse i solpaneler. Imidlertid, disse materialer ruster, når de er nedsænket i den type vandopløsninger, der findes i sådanne systemer.

Nu har Caltech-forskere ved Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP) udtænkt en metode til at beskytte disse almindelige halvledere mod korrosion, selvom materialerne fortsætter med at absorbere lys effektivt. Fundet baner vejen for brugen af ​​disse materialer i solbrændstofgeneratorer.

"I mere end et halvt århundrede, disse materialer er blevet taget ud af bordet til denne form for brug, " siger Nate Lewis, George L. Argyros professor og professor i kemi ved Caltech, og hovedefterforskeren på papiret. "Men vi gav ikke op med at udvikle ordninger, hvormed vi kunne beskytte dem, og nu er disse teknologisk vigtige halvledere tilbage på bordet."

Forskningen, ledet af Shu Hu, en postdoc i kemi ved Caltech, vises i bladets 30. maj-udgave Videnskab .

I den type integrerede solbrændstofgenerator, som JCAP stræber efter at producere, to halvreaktioner skal finde sted - den ene involverer oxidation af vand for at producere oxygengas; den anden involverer reduktion af vand, giver brintgas. Hver halvreaktion kræver både et lysabsorberende materiale til at tjene som fotoelektrode og en katalysator til at drive kemien. Ud over, de to reaktioner skal være fysisk adskilt af en barriere for at undgå at producere en eksplosiv blanding af deres produkter.

Historisk set, det har været særligt vanskeligt at finde på et lysabsorberende materiale, der robust vil udføre oxidationshalvreaktionen. Forskere har prøvet, uden større held, en række materialer og talrige teknikker til belægning af de almindelige lysabsorberende halvledere. Problemet har været, at hvis det beskyttende lag er for tyndt, den vandige opløsning trænger igennem og korroderer halvlederen. Hvis, på den anden side, laget er for tykt, det forhindrer korrosion, men blokerer også for halvlederen i at absorbere lys og forhindrer elektroner i at passere igennem for at nå katalysatoren, der driver reaktionen.

Hos Caltech, forskerne brugte en proces kaldet atomlagsaflejring til at danne et lag af titaniumdioxid (TiO2) - et materiale, der findes i hvid maling og mange tandpastaer og solcremer - på enkeltkrystaller af silicium, galliumarsenid, eller galliumphosphid. Nøglen var, at de brugte en form for TiO2 kendt som "utæt TiO2" - fordi den lækker elektricitet. Først lavet i 1990'erne som et materiale, der kan være nyttigt til at bygge computerchips, utætte oxider blev afvist som uønskede på grund af deres ladningslækkende adfærd. Imidlertid, utæt TiO2 ser ud til at være lige, hvad der var nødvendigt for denne solenergi-brændstofgeneratorapplikation. Deponeret som en film, varierende i tykkelse mellem 4 og 143 nanometer, TiO2 forblev optisk transparent på halvlederkrystallerne - så de kunne absorbere lys - og beskyttede dem mod korrosion, men tillod elektroner at passere igennem med minimal modstand.

På toppen af ​​TiO2, forskerne deponerede 100 nanometer tykke "øer" af en rigelig, billigt nikkeloxidmateriale, der med succes katalyserede oxidationen af ​​vand til dannelse af molekylært oxygen.

Arbejdet ser ud til nu at stille en række valgmuligheder til rådighed som mulige lysabsorberende materialer til oxidationssiden af ​​den vandsplittende ligning. Imidlertid, forskerne understreger, det vides endnu ikke, om den beskyttende belægning ville fungere lige så godt, hvis den påføres med en billig, mindre kontrolleret påføringsteknik, såsom maling eller sprøjtning af TiO2 på en halvleder. Også, så langt, Caltech-teamet har kun testet de coatede halvledere for et par hundrede timers kontinuerlig belysning.

"Dette er allerede en rekord med hensyn til både effektivitet og stabilitet for dette felt, men vi ved endnu ikke, om systemet svigter på lang sigt og forsøger at sikre, at vi laver noget, der holder i årevis over store områder, i modsætning til uger, " siger Lewis. "Det er næste skridt."