エネルギー科学：Cu₂O光電極における[111]方向の高いキャリア移動度

ソーラー燃料は、太陽光を利用して持続可能な燃料を得る有望な方法をもたらす。10年間の進歩の後、Cu₂Oフォトカソードは、確立された光起電材料を用いた光電極に匹敵する性能を実現できるようになった。しかし、大きなバルク電荷キャリア再結合があり、これについてはほとんど理解されていないため、さらなる性能の向上が制限されている。今回我々は、単結晶Cu₂O薄膜におけるキャリアの再結合と輸送に関する新しい概念的理解を利用することによって、最先端技術を超えるCu₂Oフォトカソードの性能を実証する。我々は、周囲条件下の液相エピタキシーを用いて、3種類の結晶方位の単結晶Cu₂O試料を成長させる新しい方法を提示する。広帯域フェムト秒過渡反射分光測定を用いて異方性オプトエレクトロニクス特性を定量化することによって、[111]方向のキャリア移動度が他の方位より1桁高いことが見いだされた。我々は、こうした知見をきっかけに、単純で低コストの方法を用いて、極めて高純度の(111)方位と(111)終端ファセットを持つ多結晶Cu₂Oフォトカソードを開発した。これによって、エアマス1.5 G照射下において0.5 V（対可逆水素電極）で7 mA cm⁻²の電流密度（最先端の電着デバイスと比べて70％高い）と、少なくとも120時間にわたる安定動作が実現された。

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