מדעני קיימברידג' מגלים "טוויסט" פשוט שמגביר את ייצור הדלק הנקי

מדענים גילו שיטה להטעין את ה"מנוע" של ייצור דלק בר-קיימא – על ידי מתן טוויסט קטן לחומרים.

החוקרים, בראשות אוניברסיטת קיימברידג', מפתחים קציר אור בעלות נמוכה מוליכים למחצה שמניעים מכשירים להמרת מים לדלק מימן נקי, תוך שימוש רק בכוח השמש. החומרים המוליכים למחצה הללו, המכונים תחמוצות נחושת, הם זולים, שופעים ואינם רעילים, אך הביצועים שלהם אינם מתקרבים לסיליקון, השולט בשוק המוליכים למחצה.

עם זאת, החוקרים מצאו כי על ידי גידול גבישי תחמוצת הנחושת בכיוון מסוים כך שמטענים חשמליים נעים דרך הגבישים באלכסון, המטענים נעים הרבה יותר מהר ויותר, ומשפרים מאוד את הביצועים. בדיקות של קציר אור תחמוצת נחושת, או פוטו-קתודה, המבוססת על טכניקת ייצור זו הראו שיפור של 70% בהשוואה לפוטוקתודות תחמוצת חדישות קיימות, תוך שהראו גם יציבות משופרת מאוד.

החוקרים אומרים שהתוצאות שלהם, שדווחו בכתב העת טֶבַעלהראות כיצד ניתן לכוונן חומרים בעלות נמוכה כדי להניע את המעבר הרחק מדלקים מאובנים ולכיוון דלקים נקיים וברי קיימא שניתן לאחסן ולהשתמש בהם עם תשתית אנרגיה קיימת.

אתגרים ופוטנציאל בתחמוצת קופרוס

תחמוצת נחושת (I), או תחמוצת קופרוס, הוגדרה כתחליף פוטנציאלי זול לסיליקון במשך שנים, מכיוון שהיא יעילה למדי בלכידת אור השמש והמרתו למטען חשמלי. עם זאת, חלק גדול מהמטען הזה נוטה ללכת לאיבוד, מה שמגביל את ביצועי החומר.

"כמו מוליכים למחצה תחמוצת אחרים, לתחמוצת קופרוס יש אתגרים מהותיים", אמר המחבר הראשון ד"ר Linfeng Pan מהמחלקה להנדסה כימית וביוטכנולוגיה של קיימברידג'. "אחד האתגרים הללו הוא חוסר ההתאמה בין האופן שבו האור נספג לעומקו של המטענים בתוך החומר, כך שרוב התחמוצת מתחת לשכבת החומר העליונה היא בעצם שטח מת."

"עבור רוב חומרי התאים הסולאריים, פגמים על פני החומר הם שגורמים להפחתה בביצועים, אבל עם חומרי התחמוצת האלה, זה הפוך: פני השטח בסדר במידה רבה, אבל משהו בתפזורת מוביל להפסדים." אמר פרופסור סם סטרנקס, שהוביל את המחקר. "משמעות הדבר היא שהדרך בה גדלים הגבישים היא חיונית לביצועים שלהם."

כדי לפתח תחמוצות קופרוס עד לנקודה שבה הן יכולות להיות מתחרה אמינה לחומרים פוטו-וולטאיים מבוססים, יש לייעל אותן כך שיוכלו ליצור ולהניע ביעילות מטענים חשמליים – העשויים מאלקטרון ומ"חור" אלקטרונים בעל מטען חיובי – כאשר אור השמש פוגע בהם.

השפעה וכיוונים עתידיים

גישת אופטימיזציה פוטנציאלית אחת היא סרטים דקים בעלי גביש יחיד – פרוסות דקות מאוד של חומר עם מבנה גבישי מסודר מאוד, המשמשות לעתים קרובות באלקטרוניקה. עם זאת, יצירת סרטים אלה היא בדרך כלל תהליך מורכב וגוזל זמן.

באמצעות טכניקות הנחת סרט דק, החוקרים הצליחו לגדל סרטי תחמוצת קופרוס באיכות גבוהה בלחץ הסביבה ובטמפרטורת החדר. על ידי שליטה מדויקת בקצב הצמיחה והזרימה בתא, הם הצליחו 'להעביר' את הגבישים לכיוון מסוים. לאחר מכן, תוך שימוש בטכניקות ספקטרוסקופיות ברזולוציה גבוהה של זמני, הם יכלו לראות כיצד כיוון הגבישים השפיע על מידת היעילות של מטענים חשמליים נעים דרך החומר.

"הגבישים האלה הם בעצם קוביות, ומצאנו שכאשר האלקטרונים נעים דרך הקוביה באלכסון גוף, ולא לאורך החזית או הקצה של הקובייה, הם זזים בסדר גודל קדימה," אמר פאן. "ככל שהאלקטרונים זזים יותר, הביצועים טובים יותר."

"משהו בכיוון האלכסוני הזה בחומרים האלה הוא קסם", אמר סטרנקס. "אנחנו צריכים לבצע עבודה נוספת כדי להבין היטב למה ולבצע אופטימיזציה נוספת, אבל זה הביא עד כה לקפיצה עצומה בביצועים." בדיקות של פוטו-קתודה תחמוצת קופרוס שנעשו באמצעות טכניקה זו הראו עלייה בביצועים של יותר מ-70% בהשוואה לפוטוקתודות תחמוצת-אלקטרונית המתקדמת ביותר הקיימות.

"בנוסף לביצועים המשופרים, גילינו שהאוריינטציה הופכת את הסרטים ליציבים הרבה יותר, אבל גורמים מעבר למאפיינים בתפזורת עשויים לשחק", אמר פאן.

החוקרים אומרים שעדיין יש צורך בהרבה יותר מחקר ופיתוח, אבל זה ולמשפחות קשורות של חומרים יכולים להיות בעלי תפקיד חיוני במעבר האנרגיה.

"יש עוד דרך ארוכה לעבור, אבל אנחנו במסלול מרגש", אמר סטאנקס. "יש הרבה מדע מעניין לבוא מהחומרים האלה, ומעניין אותי לחבר את הפיזיקה של החומרים האלה עם הצמיחה שלהם, איך הם נוצרים ובסופו של דבר איך הם מתפקדים."

המחקר היה בשיתוף פעולה עם École Polytechnique Fédérale de Lausanne, אוניברסיטת ננקאי ואוניברסיטת אופסלה. המחקר נתמך בחלקו על ידי מועצת המחקר האירופית, הקרן הלאומית למדע השוויצרית, ומועצת המחקר למדעי ההנדסה והפיזיקה (EPSRC), חלק מהמחקר והחדשנות של בריטניה (UKRI). סם סטאנקס הוא פרופסור לאלקטרוניקה אופטו במחלקה להנדסה כימית וביוטכנולוגיה, ועמית מקלייר קולג', קיימברידג'.