چرا الکترود‌های حاوی اکسید روی در جذب نور و تولید انرژی کارآمد نیستند؟

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، پژوهشگران با مطالعه ساختار‌های نانوذرات اکسید روی به بررسی عملکرد این نانوذرات در تبدیل نور خورشید به الکتریسیته و سوخت پرداختند و پرده از یک راز برداشتند.

مواد و ساختار‌های جدید، فناوری‌های جدید را قادر می‌سازد تا نور خورشید را به برق و سوخت تبدیل کنند. ترکیبی از مولکول‌ها و نانوذرات این ایده را به واقعیت تبدیل می‌کند. مولکول‌های این مواد در جذب نور خورشید و اهدای الکترون به نانوذرات بسیار خوب هستند. سپس نانوذرات الکترون‌ها را به اطراف حرکت می‌دهند و واکنش‌هایی را کاتالیز می‌کنند که سوخت را تولید می‌کنند. با این حال، این فرآیند همیشه آنطور که محققان امیدوارند کار نمی‌کند.

به تازگی دانشمندان راهی برای ردیابی الکترون‌ها در طول فرآیند خروج از مولکول‌ها به نانوذرات و برگشت آن‌ها پیدا کرده‌اند. محققان می‌توانند رهگیری کنند که الکترون‌ها به راحتی کجا می‌توانند حرکت کنند. این اطلاعات برای یافتن ترکیبات بهتر برای مواد نوآورانه بسیار مهم است.

در این پروژه یک ابزار آزمایشی استفاده شده که می‌تواند الکترون‌هایی را که بین مولکول‌ها و نانوذراتی که نور خورشید را به برق یا سوخت تبدیل می‌کنند، رهگیری کند. به نظر می‌رسد اکسید روی که یک نانوذره بسیار رایج است، ابتدا الکترون‌ها را برای مدتی متوقف می‌کند. سپس این ماده به الکترون‌ها اجازه می‌دهد فقط در امتداد سطح نانوذرات حرکت کنند. این کار باعث می‌شود که این بار‌ها از بین بروند یا به مواد نانوذره آسیب برسانند. در حالت ایده‌آل، بار‌ها باید بدون مکث و مستقیماً از میان نانوذرات عبور کنند. توانایی آشکارسازی این تنگنا‌ها برای سفر الکترون، به محققان کمک می‌کند مواد بهتری برای تبدیل نور خورشید به اشکال دیگر انرژی طراحی کنند.

برای تبدیل نور خورشید به برق یا سوخت، ماده باید نور را جذب کند و انرژی نور را به سمت الکترون‌ها هدایت کند. در مرحله بعد، الکترون‌ها باید به اطراف حرکت کنند تا جریان ایجاد کنند یا واکنش‌های شیمیایی را فعال کنند. یکی از راه‌های رسیدن به هر دو مرحله، استفاده از مولکول‌هایی است که در جذب نور خورشید بسیار خوب هستند و آن‌ها را به بستر‌هایی که در حرکت الکترون‌ها به اطراف بسیار خوب هستند، متصل کند. محققان قبلاً می‌دانستند که الکترون‌ها می‌توانند در داخل اکسید روی بسیار راحت‌تر از بسیاری از مواد دیگر حرکت کنند. با وجود این واقعیت، الکترود‌های ساخته شده از اکسید روی به خوبی الکترود‌های ساخته شده از مواد دیگر کار نمی‌کنند. اما چرا؟

با استفاده از روشی به نام طیف‌سنجی فوتوالکترونی اشعه ایکس با تفکیک زمانی در منبع نور پیشرفته، محققان اکنون می‌توانند مسیر الکترون‌ها را از مولکول‌ها به زیرلایه‌ها و بازگشت آن‌ها دنبال کنند. آن‌ها دریافتند که الکترون‌ها برای مدت طولانی بین مولکول‌ها و اکسید روی گیر کرده‌اند. هنگامی که الکترون‌ها در نهایت پرش را انجام می‌دهند، مواد همچنان آن‌ها را به سمت سطح بستر فشار می‌دهد. در آنجا، الکترون‌ها راحت‌تر از زمانی که بتوانند مستقیماً در توده زیرلایه حرکت کنند به دام می‌افتند. این مطالعه به توضیح اینکه چرا زیرلایه‌های اکسید روی به خوبی کار نمی‌کنند کمک می‌کند. همچنین یک طرح آزمایشی جدید برای مواد آینده ارائه می‌دهد.