理论上，由氧化铜制成的太阳能电池和光电阴极可以实现高效率的太阳能转换。然而，在实践中，会发生很多损失。现在，研究人员已经能够使用复杂的飞秒激光实验来确定这些损失发生在哪里：不是在界面，而是在晶体材料内部。这些结果为如何改进氧化铜和其他金属氧化物用作能源材料提供了指导。

氧化铜(Cu2O)是未来太阳能转换非常有前景的候选材料：作为光电阴极，氧化铜(半导体)可能可以利用太阳光电解分解水生成氢气，这种燃料可以化学储存太阳光的能量。

氧化铜的带隙为2电子伏，与太阳光的能谱非常匹配。理想情况下，当用光照射时，理想的氧化铜晶体可以提供接近1.5伏的电压。因此，该材料将成为光电化学系列电池分解水的顶级吸收剂。太阳能转化为氢能的效率应该高达18%。然而，光电电压的实际值远低于这个值，这不足以使氧化铜成为串联电池中分解水的有效光电阴极。到目前为止，地表或边界层附近的损失过程主要是由此引起的。

HZB太阳能燃料研究所的一个小组现在已经仔细研究了这些过程。该小组从加州理工学院(Caltech)的同事那里获得了高质量的Cu2O单晶，然后在上面气相沉积了一层非常薄的透明铂层。铂层用作催化剂并提高水分解效率。他们在HZB飞秒激光实验室(1 fs=10-15s)检查了这些样品，以找出哪些过程导致电荷载流子的损失，特别是这些损失是发生在单晶中还是与铂的界面上。

绿色激光脉冲最初激发Cu2O中的电子。仅仅几分之一秒后，第二个激光脉冲(紫外光)测量了受激电子的能量。然后，研究小组通过这个时间分辨的双光子发射光谱(tr-2PPE)确定了光电压损失的主要机制。第一作者马里奥博格沃特(Mario Borgwardt)报道说：“我们已经观察到，受激电子很快就会与带隙本身的大量缺陷结合在一起，”他继续在美国劳伦斯伯克利国家实验室担任洪堡研究员。这项研究的协调人丹尼斯弗里德里希(Dennis Friedrich)解释说：“这发生在小于1皮秒(1 ps=10-12)s)的时间范围内，这是非常快的，尤其是与电荷载流子需要从晶体材料内部扩散到表面的时间间隔相比。

“我们在HZB的飞秒激光实验室有一种非常强大的实验方法，可以分析半导体中光激发电子的能量和动力学。我们可以证明氧化铜几乎不会在铂的界面流失，而是在晶体本身，”这项研究的发起人、飞秒光谱实验室负责人Rainer Eichberger说。

HZB太阳能燃料研究所负责人Roel van de克洛尔强调：“这些新见解是我们对柏林工业大学UniSysCat卓越集群的首次贡献，我们是合作伙伴。”UniSysCat专注于在非常不同的时间尺度上发生的催化过程：尽管电荷载体对光激发的反应非常快(飞秒到皮秒)，但化学过程(如电)催化需要多几个数量级的时间(毫秒)。有效的光化学转化需要两个过程一起优化。发表在《自然通讯》上的研究结果是朝着这个方向迈出的重要一步。

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