科學家們找到了利用太陽光實現清潔能源未來的新途徑

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在過去的50年裡,科學家們在將太陽光轉化為電力的光伏技術,以及將太陽光和水轉化為無碳燃料的人工光合作用裝置方面取得了巨大的進步。但目前這些清潔能源的最先進技術仍然缺乏與電力或源自石油的燃料競爭的效率。現在,勞倫斯伯克利國家實驗室、DESY、歐洲XFEL和德國弗賴貝格工業大學的科學家們在《自然通訊》上報告了他們發現的一種隱藏的電荷產生途徑。

這種途徑可以幫助研究人員開發出更高效的方法,將太陽光轉化為電力或氫氣等太陽能燃料。

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在DESY自由電子激光器FLASH的幫助下,研究人員用超短的紅外和X射線激光照射酞菁銅:富勒烯(CuPc:C60)材料,以290飛秒的時間解析度研究其電荷產生機制。

將超短脈衝光與一種名為時間分辨X射線光發射光譜(TRXPS)的技術相結合,研究人員可以實時觀察和統計CuPc:C60吸收的紅外光子中有多少形成了有用的獨立電荷,又有多少吸收的光子只導致材料加熱。

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伯克利實驗室化學科學部高級科學家、本研究的共同作者Oliver Gessner說,他們的獨特方法揭示了CuPc:C60中一條未知的途徑,它能將吸收的紅外光子中高達22%的紅外光子變成獨立電荷。

以前對CuPc:C60的研究通常是通過測量在光伏或光催化裝置中使用該材料時產生的電荷或氫氣或氧氣的總量來評估系統的效率。「然而,這隻能告訴你整個過程的效率如何,從光吸收直到水被分裂,」Gessner說。「但在這些系統中,有很多中間發生的事情還沒有被很好地理解–如果我們不理解這些中間的步驟,我們就無法開發出更高效的採光系統。我們的研究將幫助人們開發出更好的模型和理論,這樣我們才能達到目的。」

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