氧化銅(Cu2O)是未來太陽能轉(zhuǎn)換的非常有前景的候選者：作為光電陰極，氧化銅(半導(dǎo)體)可能能夠利用太陽光電解分解水，從而產(chǎn)生氫氣，這種燃料可以化學(xué)儲(chǔ)存陽光的能量。
氧化銅的帶隙為2電子伏特，與太陽光的能譜非常匹配。理想的是，當(dāng)用光照射時(shí)，理想的氧化銅晶體能夠提供接近1.5伏的電壓。因此，該材料將是用于水分解的光電化學(xué)串聯(lián)電池中最頂部的吸收劑。應(yīng)該可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)18%的太陽能到氫能轉(zhuǎn)換效率。然而，光電壓的實(shí)際值遠(yuǎn)低于該值，不足以使氧化銅成為用于水分解的串聯(lián)電池中的有效光電陰極。到目前為止，表面附近或邊界層的損失過程主要是由此造成的。
HZB太陽能燃料研究所的一個(gè)團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在已經(jīng)仔細(xì)研究了這些過程。該集團(tuán)從加州理工學(xué)院(加州理工學(xué)院)的同事處獲得了高質(zhì)量的Cu2O單晶，然后在其上氣相沉積了極薄的透明鉑層。該鉑層用作催化劑并提高水分解效率。他們在HZB的飛秒激光實(shí)驗(yàn)室(1 fs = 10-15s)檢查了這些樣品，了解哪些過程導(dǎo)致電荷載流子的損失，特別是這些損耗是否發(fā)生在單晶內(nèi)部或界面處與鉑金。
綠色激光脈沖最初激發(fā)Cu2O中的電子;僅僅幾分之一秒后，第二個(gè)激光脈沖(紫外光)測量了受激電子的能量。然后，該團(tuán)隊(duì)通過這種時(shí)間分辨雙光子光子發(fā)射光譜(tr-2PPE)確定了光電壓損失的主要機(jī)制。“我們觀察到激發(fā)的電子非?？焖俚厥`在帶隙本身中大量存在的缺陷狀態(tài)，”第一作者M(jìn)ario Borgwardt報(bào)道，他現(xiàn)在繼續(xù)在美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任Humboldt研究員。 。該研究的協(xié)調(diào)員Dennis Friedrich解釋說：“這發(fā)生在小于1皮秒的時(shí)間范圍內(nèi)(1 ps = 10-12)s)，即非?？欤貏e是與電荷載體需要從晶體材料內(nèi)部擴(kuò)散到表面的時(shí)間間隔相比。
“我們在HZB的飛秒激光實(shí)驗(yàn)室擁有非常強(qiáng)大的實(shí)驗(yàn)方法，用于分析半導(dǎo)體中光激發(fā)電子的能量和動(dòng)力學(xué)。我們能夠證明氧化銅在鉑的界面幾乎不會(huì)發(fā)生損耗，而是在水晶本身，“該研究的發(fā)起人和飛秒光譜實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人Rainer Eichberger說。
HZB太陽能燃料研究所負(fù)責(zé)人Roel van de Krol強(qiáng)調(diào)說：“這些新的見解是我們對柏林工業(yè)大學(xué)UniSysCat卓越集群的第一次貢獻(xiàn)，我們是合作伙伴。”UniSysCat專注于在非常不同的時(shí)間尺度上發(fā)生的催化過程：雖然電荷載體對光的激發(fā)(飛秒到皮秒)反應(yīng)極快，但是(電)催化等化學(xué)過程需要更多時(shí)間(毫秒)的許多數(shù)量級。有效的光化學(xué)轉(zhuǎn)化需要兩個(gè)過程一起優(yōu)化。目前已在“自然通訊”雜志上發(fā)表的結(jié)果是朝這個(gè)方向邁出的重要一步。
