只需扭一扭光伏硅的替代品來了

研究人員找到了一種方法，通過對材料進行一點扭曲，就能獲得性能提升70%的氧化銅半導體材料，有望低成本替代光伏硅材料。4月24日，相關成果發表于《自然》。

氧化銅和氧化亞銅是一種價格低廉、儲量豐富的半導體材料，具有良好的導電性和光學性能，可用于制造太陽能電池、光電器件、傳感器等，被認為是目前主流的硅半導體的潛在替代材料。

但是，氧化銅和氧化亞銅雖然在捕捉陽光并將其轉化為電荷方面相當有效，卻容易丟失電荷，限制了材料的性能。

發表在《自然》雜志上的這項研究結果表明，低成本材料在推動化石能源轉型中同樣具有潛力。

“和其他氧化物半導體一樣，氧化亞銅也有其固有的挑戰，”論文共同一作、劍橋大學化學工程與生物技術系博士Linfeng Pan說。“其中一個挑戰是吸收光的深度與電荷在材料內傳播距離之間的矛盾，材料頂層以下的大部分氧化物基本上是‘死區’。”

領導這項研究的劍橋大學教授Sam Stranks表示，對于大多數太陽能電池材料來說，材料表面的缺陷會導致性能下降；但氧化物材料情況正好相反：表面看著很好，內部的一些缺陷導致了性能損失。

“這意味著晶體的生長方式對它們的性能至關重要。”Stranks說。

為了優化材料性能，研究人員利用薄膜沉積技術，在常溫常壓下制備出高質量的氧化亞銅晶體薄膜，通過精確控制晶體的生長和流速，對材料進行“扭曲”，使晶體的生長方向轉為對角線方向。然后，使用高分辨率的光譜技術觀察晶體的生長方向如何影響電荷在材料中的有效移動。

“這些晶體基本上是立方體，我們發現，當電子以體對角線穿過立方體時，而不是沿著立方體的表面或邊緣，它們的移動距離大大增加。電子移動得越遠，性能就越好。”Pan說。

“這些材料的對角線方向很神奇。”Stranks說：“我們需要進行進一步的工作，以充分了解原因并進一步優化它，但到目前為止，它已經導致了性能的巨大飛躍。”

對使用該技術制造的氧化亞銅光電陰極的測試表明，與現有最先進的電沉積氧化物光電陰極相比，性能提高了70%以上。同時穩定性也大大提高。

研究人員表示，仍需要更多的研究和開發，但這種材料及其相關材料家族可能在能源轉型中發揮至關重要的作用。

Stranks說：“還有很長的路要走，但我們正處于一個令人興奮的軌道上。”

來自英國劍橋大學、瑞士洛桑理工學院、中國南開大學和瑞典烏普薩拉大學的科研人員參與了此項研究。

 相關論文信息:https://doi.org/10.1038/s41586-024-07273-8