Dünya rekoru: Çin'de şimdiye kadarki en yüksek güneş-hidrojen dönüşüm verimliliği elde edildi

Dünya rekoru: Çin'de şimdiye kadarki en yüksek güneş-hidrojen dönüşüm verimliliği elde edildi

Çinli araştırmacılar, bakır çinko kalay sülfür (CZTS-cu2ZnSnS4) fotokatotlarında en yüksek güneş-hidrojen dönüşüm verimliliğini sağlayan bir yöntem geliştirdiler. Bu malzeme, bir fotokatot için mükemmel bir kapasite sunuyor, ancak performansı şimdiye kadar yetersiz hacim ve arayüz yük taşıyıcı dinamikleri nedeniyle sınırlıydı.

Son çalışmada, araştırmacılar malzemenin performansını artırmak için kolay ve çok yönlü bir CZTS öncül tohum katmanı mühendisliği (PSLE) tekniğini araştırdılar. PSLE'nin, dünyada bol miktarda bulunan Cu2ZnSnS4 (CZTS) fotokatotlarının performans sınırını aştığını ve %9,91'lik rekor bir yarım hücre güneş-hidrojen (HC-STH) verimliliği sağladığını buldular.

Öncü tohum katmanı mühendisliği

Ayrıca, ilk tarafsız CZTS-BiVO4 tandem hücresinin doğal deniz suyunda %2,20 STH elde etmesini de sağlıyor. Geleneksel CZTS cihazları, büyük Cu_Zn antisitleri ve arayüz tuzakları taşıyıcıları tükettiği için %8'in altında güneşten hidrojene dönüşüm verimliliğine sahiptir.

Araştırmacılar, çözeltide işlenmiş spin-kaplama yöntemini kullanarak Cu2ZnSnS4 (CZTS) ışık emici filmler hazırlamak için öncül tohum katmanı mühendisliğini uyguladılar.

Yöntemin kristal büyümesini önemli ölçüde artırdığını ve kükürtleme sonrası CZTS ışık emici filmlerdeki zararlı kusurları azalttığını vurguladılar. Kusurların ve yük taşıyıcı dinamiklerinin bu etkili optimizasyonu, yüksek verimli bir CZTS/CdS/TiO2/Pt ince film fotokatot ile sonuçlanmaktadır.

PSLE kontrollü çekirdeklenme verimliliği artırıyor

Shenzhen Üniversitesi'nden araştırmacılar yaptıkları açıklamada, "PSLE kontrollü çekirdeklenme, yoğun ve dikey hizalanmış taneler oluşturuyor, kusur yoğunluğunu 9,88 × 1015 cm-3'e düşürüyor, azınlık taşıyıcı ömrünü 4,40 ns'ye uzatıyor ve foto akımı, RHE'ye kıyasla 0 V'da eşi benzeri görülmemiş bir 29,44 mA cm-2'ye çıkarıyor; bu da teorik 30,49 mA cm-2 sınırının %3'ü dahilinde," dedi.

Bu yöntem, yenilenemeyen ve çevre için zararlı olan fosil yakıtlara olan bağımlılığı azaltmaya yardımcı olabilir. Gelecekteki enerji kıtlıklarının, yeni ve çevre dostu bir yeşil enerji kaynağı olan hidrojen enerjisiyle hafifletilmesi bekleniyor.

Hükümetlerin net sıfır hedeflerine ulaşmak için yarıştığı bir dönemde, mevcut yöntemlerin çoğu hala önemli miktarda elektrik kullanarak hidrojen üretiyor ve CO2 emisyonlarına neden oluyor. Araştırmacılara göre bu, fotoelektrokimyasal (PEC) su ayrıştırma yoluyla güneşten hidrojene (STH) dönüşüm gibi daha temiz yaklaşımlara acil ihtiyaç olduğunu gösteriyor.

Güneş ışığı ışınımı kullanılarak PEC su ayrıştırmanın hidrojen enerjisi üretmenin temiz bir yolu olduğuna yaygın olarak inanıldığının altını çizdiler.

İnce Ayarlanmış PSLE Stratejisi

Nano-Micro Letters'da yayınlanan çalışma, ince ayarlanmış PSLE stratejisinin, büyük, kompakt, homojen ve dikey hizalanmış taneciklerle karakterize edilen yüksek kaliteli bir CZTS'nin sentezlenmesine yol açtığını ortaya koyuyor.

Çalışmada araştırmacılar, "Mo/CZTS/CdS/TiO2/Pt içeren düzlemsel tip fotokatotlar üretildi ve incelendi. Optimize edilmiş CZTS filmleri, hacim ve arayüz kusurlarının daha az pasifleşmesini göstererek, daha yüksek dahili voltaj (0,66 V) ve arayüzde daha düşük kusur yoğunluğu (9,88 × 1015 cm−3) ile karakterize edilen üstün bir CZTS/CdS heterojonksiyonuna yol açtı," dedi.

Araştırmacılar ayrıca yalnızca dünyada bol miktarda bulunan Cu, Zn, Sn ve S'den yararlandılar. PSLE özellikli CZTS fotokatotları, In/Ga bazlı kalkojenitlere kıyasla malzeme maliyetlerini %70'ten fazla düşürdü, nadir yardımcı katalizörlere ihtiyaç duymadı ve rulodan ruloya kaplamayla uyumluydu. Strateji, doğrudan deniz suyundan üretilen düşük maliyetli yeşil hidrojene giden gigawatt ölçeğinde doğrudan bir yol açıyor ve CZTS'yi sürdürülebilir güneş yakıtları ve dairesel hidrojen ekonomileri için temel taş konumuna getiriyor.

Kaynak: IE