Оксиды металлов станут ключом к получению дешевой «зеленой» энергии

Аккумулирование энергии солнца может стать невероятно простым при условии «отладки» оптических и электронных свойств оксидов металлов с помощью создания искусственной кристаллической сверхструктуры, говорится в исследовании ученого из университета Бингемтона (США), опубликованном в научном журнале «Physical Review B».

«Оксиды металлов дешевы, многочисленны и экологически безопасны, - отмечает Луи Пайпер, старший преподаватель кафедры физических наук в университете Бингемтона. – Кроме того, как показывают исследования, они еще и весьма разнообразны. При правильном обращении оксиды металла могут использоваться в различных целях, что, несомненно, станет со временем применяться достаточно широко – в первую очередь, для генерирования энергии и производства плоских индикаторных панелей».

Полупроводники относятся к важному классу материалов, занимающих промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Они определяются шириной запрещенной энергетической зоны, которая представляет собой объем энергии, необходимой для перемещения электрона от замкнутой оболочки к незамкнутой, где он способен проводить электричество. Видимый свет занимает диапазон от 1 (инфракрасное излучение) до 3 (ультрафиолетовое излучение) электронвольт.

Для прозрачных проводников требуется большая ширина запрещённой зоны, в то время как при искусственном фотосинтезе ширина запрещенной зоны должна соответствовать длине волны зеленого цвета. Именно оксиды металла предоставляют возможность регулировать ширину запрещенной энергетической зоны.

Однако, несмотря на то, что оксиды металла обладают отличной электронной проводимостью, дырочная электропроводность у них низкая. В данном случае дыры (или электронные вакансии) представляют собой отсутствие электронов; они могут переносить положительный заряд. Чтобы максимизировать их технологический потенциал – особенно при искусственном фотосинтезе – требуются оксиды металлов с высокой дырочной проводимостью. 

Вооружившись этим знанием, Пайпер стал изучать многослойные системы оксидов металлов,  которые могут либо «вносить примеси» (заменять часть атомов определенного вида в материале) либо «отлаживать» структуру (контролировать ширину запрещенной зоны). Недавно проведенные эксперименты показали, что сверхструктура двух оксидов меди с высокой дырочной электропроводностью может охватить весь солнечный спектр. Поэтому в данный момент первоочередной задачей ученых является улучшение эффективности материалов с помощью экологически безопасных и недорогих сплавов металлов.

Так, например, оксид индия – один из наиболее часто используемых при производстве покрытий для дисплеев с плоским экраном и солнечных элементов. Он по-настоящему прозрачен и хорошо проводит электричество. Однако он встречается довольно редко и достаточно дорог. Последняя работа Луи Пайпера заключалась в поиске более дешевых покрытий из оксидов олова, которые совмещали бы в себе высокую электро- и дырочную проводимость с оптической прозрачностью. Однако, по словам ученого, один металл пока не может удовлетворить все поставленные требования.

«Нам приходится работать в сфере, где пересекаются физика и химия. Мы уже достигли теоретического предела наших вычислений и фундаментальных процессов. Теперь нам необходимо пересмотреть эти вычисления и определить, где мы могли допустить неточности. Думаю, нам удастся обнаружить их в ходе проведения дальнейших экспериментов с оксидами металлов».

Пайпер уверен, что усилив положительные свойства оксидов металлов и «сгладив» недостатки, можно уже в ближайшем будущем создать их новые разновидности для использования в конкретных сферах.

«Усовершенствованные оксиды металлов могут использоваться в процессе хранения батарей, производства топливных элементов, выпуска плоских индикаторных панелей и всех типов компьютерных переключателей. Мы находимся в центре очень важных событий, и это очень волнующе – быть их частью. Однако прежде, чем двигаться дальше, нам нужно ликвидировать пробелы в наших знаниях. Но в одном можно быть уверенным уже сегодня: оксиды металлов могут стать ключом к получению недорогой «зеленой» энергии. И я уверен, что ученые университета Бингемтона могут внести свой вклад, проводя всесторонние исследования и следуя правилам морали». 

EnergyDaily, перевод с английского – Наталья Пристром

http://www.spacedaily.com/reports/Metal_oxides_hold_the_key_to_cheap_green_energy_999.html