Discovery使可再生燃料生產(chǎn)更接近現(xiàn)實(shí)

硅是電子時(shí)代的元素。從微小的微芯片到龐大的液晶電視屏幕，半導(dǎo)體非金屬在定義現(xiàn)代生活的設(shè)備中起著核心作用。

但硅的用途遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出計(jì)算和消費(fèi)電子產(chǎn)品。它適用于各種工業(yè)和技術(shù)應(yīng)用，包括太陽能技術(shù)。黑色硅是一種吸收99%光線的變體，可制造出功能強(qiáng)大的太陽能電池板。

現(xiàn)在，由材料科學(xué)與工程教授王旭東和研究生Yanhao Yu領(lǐng)導(dǎo)的威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的研究人員和他們?cè)诒本┛萍即髮W(xué)的合作者，岳章教授和鄭章教授正在報(bào)道納米技術(shù)的突破，幫助為清潔燃料生產(chǎn)中的黑色硅動(dòng)力革命奠定基礎(chǔ)。

承諾和挑戰(zhàn)在于黑硅的特殊納米結(jié)構(gòu)。典型的硅具有相對(duì)光滑的納米結(jié)構(gòu)。同時(shí)，黑硅的納米結(jié)構(gòu)非常粗糙。這種粗糙的紋理使得入射光反射回硅中而不是像典型的硅那樣反射出來。

光吸收質(zhì)量使得黑硅成為太陽能電池板的有吸引力的材料，太陽能電池板需要盡可能多地吸收光的太陽能，以最大限度地提高效率。該技術(shù)發(fā)展良好，還有其他方法可以使黑硅的光吸收特性變得有用。

如果研究人員能夠弄清楚如何克服黑硅粗糙納米結(jié)構(gòu)造成的關(guān)鍵障礙，那就是這樣。

王的研究主要集中在這個(gè)障礙上。他希望將黑硅用作太陽能發(fā)電機(jī)等化學(xué)能源，如氫燃料。這個(gè)想法是，黑色硅的功率源于其高效的太陽能吸收，可用于分解水分子，并通過光電化學(xué)過程產(chǎn)生氫燃料。這將代表現(xiàn)有氫燃料生產(chǎn)方法的有效，可再生和清潔的替代方案。

有一個(gè)問題：黑色硅的表面雖然具有光吸收特性，但由于質(zhì)地粗糙，因此非常不穩(wěn)定且具有反應(yīng)性。

這種反應(yīng)性表面在氫燃料生產(chǎn)的背景下尤其成問題，因?yàn)橥ㄟ^分裂氫和氧原子產(chǎn)生氫燃料的最佳液體實(shí)際上不是純水。相反，電解質(zhì)溶液如氫氧化鈉比水更具導(dǎo)電性，在將太陽能轉(zhuǎn)化為氫燃料的光電化學(xué)過程中效率更高。

但氫氧化鈉具有很強(qiáng)的腐蝕性。當(dāng)黑色硅與溶液接觸時(shí) - 因?yàn)楸仨氈鲃?dòng)產(chǎn)生氫燃料的光電化學(xué)過程 - 其反應(yīng)表面會(huì)迅速腐蝕并變得無用。

為了解決這個(gè)問題，Wang的團(tuán)隊(duì)試圖為黑硅的粗糙和反應(yīng)性表面提供保護(hù)涂層。涂層需要足夠厚以防止電解質(zhì)與黑硅接觸，但足夠薄以使硅吸收陽光。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，Wang使用了一種稱為原子層沉積的技術(shù)，該技術(shù)將表面暴露于氣態(tài)前體，從而形成無針孔且非常均勻的薄膜。在這種情況下，王在黑硅表面沉積了一層10納米厚的二氧化鈦。結(jié)果非常有希望。

二氧化鈦不僅提供保護(hù)涂層，防止腐蝕性電解質(zhì)與硅反應(yīng)，它很薄，不會(huì)影響光吸收。Wang表示，它還可以通過減少黑硅表面缺陷來提高整個(gè)能量轉(zhuǎn)換過程的效率。

“這一發(fā)展確實(shí)展示了這項(xiàng)技術(shù)的可行性，”王說。“這是一個(gè)非常活躍的研究領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究，我認(rèn)為可以帶來重大的研究機(jī)會(huì)。”

Wang團(tuán)隊(duì)的下一步是弄清楚如何最大限度地延長薄保護(hù)涂層的使用壽命。目前，涂層的使用壽命不長，不足以使該技術(shù)具有商業(yè)可行性。但王說，自從他們首次成功展示其可行性以來，他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)大大改善了其生命周期。如果它們能夠延長其使用壽命，可能很快就會(huì)有一天能夠負(fù)擔(dān)得起的太陽能氫燃料供應(yīng)，這將代表一種特別清潔和可再生的燃料供應(yīng)。