Laddrekombination uppstår när mobila laddningsbärare som finns i materialet som utsätts för ljus förstör varandra och kan hämma fotokatalysatorens energieffektivitet. Kredit:Masashi Kato från Nagoya Institute of Technology
Under många år, forskare har fokuserat på att utveckla teknik som kan hjälpa oss att bekämpa den överhängande klimatkrisen. De har ett gemensamt mål:Att hitta hållbara energikällor som kan ersätta de miljögiftiga fossila bränslen. Fotokatalysatorer som driver en artificiell process som replikerar fotosyntesen (där solenergi omvandlas till användbara material) är lovande i detta avseende, med tanke på att vi kan utveckla den teknik som behövs för dem. Kristallina material, såsom strontiumtitanat (SrTiO 3 ), som kan fungera som fotokatalysatorer i solceller, kan leda oss i riktning.
SrTiO 3 är attraktiv på grund av olika andra skäl också, såsom dess potentiella tillämpningar i resistiva switchar och bränslecellskomponenter. Den mångsidiga naturen hos SrTiO 3 har motiverat fysiker att studera dess olika materialegenskaper i detalj. Men för att gräva djupare i egenskaperna hos SrTiO 3 , vi måste förstå lite mer om dem.
Fotokatalytiska material som SrTiO 3 är vanligtvis "dopade" med kemikalier som niob (Nb) som hjälper till att förbättra sina elektriska egenskaper. Men en process som kallas laddningsrekombination kan förekomma i fotokatalysatorer, som hämmar med deras effektivitet. I denna process, mobila laddningsbärare som finns i materialet, såsom elektroner och hål, vid exponering för ljus, kan förinta varandra. Vissa studier har visat att rekombination av laddningar påverkas av förekomsten av defekter i kristaller. Så hur påverkar Nb -dopning materialegenskaperna för SrTiO 3 ? Detta är exakt vad ett team av forskare vid Nagoya Institute of Technology, Japan, ledd av prof. Masashi Kato, ville ta reda på.
I sin studie publicerad i Journal of Physics D:Tillämpad fysik , forskarna tittade på effekterna av lågkoncentration av Nb-dopning, liksom ingen dopning, på ytrekombinationen i SrTiO 3 kristaller. Prof. Kato förklarar, "Kvantitativt mäta effekterna av ytor och föroreningar av niob i SrTiO 3 på rekombination av bärare kan hjälpa oss att designa fotokatalysatorer med en optimal struktur för artificiell fotosyntes. "
Figuren visar μ-PCD-sönderfallskurvor för odopade prover som exciteras av lasern på 266 eller 355 nm. Den streckade linjen är den beräknade sönderfallskurvan med τB =90 ns och S =106 cm/s. Kredit:Masashi Kato från Nagoya Institute of Technology
Forskarna analyserade först ytrekombinationen, eller "sönderfall" -mönster för oändliga SrTiO 3 prover såväl som prover dopade med olika koncentrationer av Nb, med hjälp av en teknik som kallas mikrovågsfotledningsförfall. För att ytterligare undersöka bulkbärarens rekombinationsegenskaper hos dopade prover och olika energinivåer som introduceras genom Nb -dopning, en annan teknik som kallas tidsupplöst fotoluminescens användes.
Forskarna fann att rekombinationen av upphetsade bärare inte var beroende av deras koncentration, vilket indikerar att de rekombineras via yt- och Shockley-Read-Hall-processer (som är okänsliga för spännande bärarkoncentration). Dessutom, det dopade provet visade snabbare sönderfallskurvor, vilket kan bero på införandet av ett rekombinationscenter genom Nb -dopning. Dopning av materialet med höga koncentrationer av Nb visade negativa effekter på bärardopning. Dessutom, storleken på fotokatalysatorn, och inte dess form, påverkade ytrekombination och slutligen dess totala effektivitet.
Studien drog slutsatsen att måttligt Nb-dopad SrTiO 3 kan faktiskt vara mer fördelaktigt än ren SrTiO 3 , speciellt vid högre driftstemperaturer. Dessa fynd kan hjälpa oss att designa SrTiO 3 fotokatalysatorer med lägre ytrekombination och högre energiomvandling, som leder till utveckling av effektiva, hållbara energikällor.
Kato avslutar optimistiskt, "Vi är övertygade om att våra resultat kan påskynda utvecklingen av artificiell fotosyntesteknik, bidrar i slutändan till en grönare, ett mer hållbart samhälle. "
