Materialingenjörer från University of Wisconsin-Madison har gjort en överraskande upptäckt som dramatiskt kan förbättra livslängden för enheter för skörd av solenergi.

Resultaten gjorde det möjligt för dem att uppnå den längsta livslängden någonsin för en nyckelkomponent i vissa typer av fotovoltaiska celler som kallas fotoelektrokemisk elektrod, som använder solljus för att dela vatten i dess beståndsdelar av väte och syre.

I en artikel publicerad den 24 juli, 2018, i forskningstidningen Nano bokstäver , ett team som leds av UW-Madison materialvetenskap och teknik Ph.D. student Yanhao Yu och hans rådgivare, Professor Xudong Wang, beskrev en strategi som förlängde livslängden för en fotokemisk elektrod till enorma 500 timmar-mer än fem gånger den typiska 80-timmars livslängden.

Vanligtvis, dessa typer av elektroder är gjorda av kisel, som delar vatten väl, men är mycket instabil och försämras snabbt när den kommer i kontakt med frätande förhållanden. För att skydda dessa elektroder, ingenjörer täcker ofta sina ytor tunt.

Det är en taktik som bara försenar deras eventuella sammanbrott - ibland efter några dagar och ibland inom timmar.

"Prestanda varierar mycket och ingen vet riktigt varför. Det är en stor fråga, säger Wang, professor i materialvetenskap och teknik vid UW-Madison.

Intressant nog, forskarna gjorde inga förändringar av beläggningsmaterialet. Snarare, de ökade elektrodens livstid genom att applicera en ännu tunnare beläggning av titandioxid än vanligt.

Med andra ord, mindre var verkligen mer.

Nyckeln till denna exceptionella prestation var teamets upptäckt om atomstrukturen för tunna filmtunnor av titandioxid, som forskarna skapar med hjälp av en teknik som kallas atomlageravsättning.

Tidigare, forskare trodde att atomerna i tunna titandioxid -tunna filmer antog en av två konformationer - antingen förvrängda och störda i ett tillstånd som kallas "amorft, "eller låst i ett regelbundet upprepande och förutsägbart arrangemang som kallas den kristallina formen.

Avgörande, forskare var säkra på att alla atomer i en given tunn film uppförde sig på samma sätt. Kristallint eller amorft. Svart eller vitt. Ingen mittemellan.

Vad Wang -kollegor hittade, dock, är ett grått område:De såg att små fickor av ett mellanliggande tillstånd kvarstod i de sista beläggningarna-atomstrukturen i dessa områden var varken amorf eller kristallin. Dessa mellanprodukter har aldrig observerats tidigare.

"Detta är en framkant inom materialsyntesvetenskap, "säger Wang." Vi tror att kristallisering inte är så enkelt som folk tror. "

Att observera dessa mellanprodukter var ingen lätt grej. Ange Wangs kollega Paul Voyles, en mikroskopiexpert som utnyttjade UW-Madisons unika anläggningar för att utföra sofistikerade elektroniska mikroskopimätningar för skanningsöverföring, gör det möjligt för honom att upptäcka de små strukturerna.

Därifrån, forskarna bestämde att mellanprodukterna sänkte livslängden för titandioxid tunna filmer genom att leda till spikar av elektronisk ström som åt små hål i de skyddande beläggningarna.

Att eliminera dessa mellanprodukter - vilket förlänger beläggningens livslängd - är lika enkelt som att använda en tunnare film.

Tunnare filmer gör det svårare för mellanprodukter att bildas i filmen, så genom att minska tjockleken med tre fjärdedelar (från 10 nanometer till 2,5), forskarna skapade beläggningar som varade mer än fem gånger längre än traditionella beläggningar.

Och nu när de har upptäckt dessa märkliga strukturer, forskarna vill lära sig mer om hur de bildar och påverkar amorfa filmegenskaper. Det är kunskap som kan avslöja andra strategier för att eliminera dem - som inte bara kan förbättra prestanda, säger Wang, men också öppna nya möjligheter i andra energirelaterade system, såsom katalysatorer, solceller och batterier.

"Dessa mellanprodukter kan vara något mycket viktigt som har förbises, "säger Wang." De kan vara en kritisk aspekt som styr filmens egenskaper. "