Fra søpindsvinskelet til solceller

Forskere ved AMOLF har fundet en måde at gøre calciumcarbonatstrukturer velegnede til brug i elektronik. Det gør de ved at ændre materialets sammensætning, så det bliver en halvleder uden at miste sin form. Dette kan føre til mere effektive og stabile solceller. Denne undersøgelse blev offentliggjort i tidsskriftet Naturkemi den 4. juni, 2018.

I princippet, det ville være muligt at udføre forsøget på stranden ved hjælp af den hvide ovale skal af en blæksprutte eller et søpindsvinskelet, siger Wim Noorduin, gruppeleder Self Organizing Matter hos AMOLF. "Forsøget involverer ikke mere end at dryppe to væsker over calciumcarbonatstrukturen. Konverteringen er fuldført inden for et par minutter. Hvis du skinner en UV -lampe på strukturen, du kan se konverteringen foregå foran dine øjne:søpindsvinets skelet, der oprindeligt fremstår blå under lampen, ændres til en lysegrøn struktur for hver dråbe. "

Noorduin omdanner calciumcarbonatstrukturer såsom et søpindsvinskelet til perovskit, et meget lovende nyt materiale til solceller. "Træde i kræft, dette er alkymi, "siger Noorduin." Midas ændrede alt til guld, og vi ændrer nu calciumcarbonat til perovskit. "

Calciumcarbonat er meget rigeligt på Jorden, og kan findes i kridtminer og dyreskeletter, for eksempel. Noorduin havde tidligere fundet en måde at lave en række mikrostrukturer fra calcium for at forstå, hvordan naturen gør det. Men materialet har få applikationer. Perovskite, imidlertid, giver flere muligheder, og det er et meget lovende romanmateriale til solceller. Solceller produceret fra halvlederperovskitten er mere effektive og billigere end traditionelle siliciumsolceller. De er også genstand for stigende mængder forskning. "Ved at omdanne en forudbestemt struktur af calciumcarbonat til den funktionelle perovskit, vi har nu kontrol over både materialets form og funktion, "siger Noorduin.

Noorduin forventer, at det nye materiale vil føre til forbedrede solceller. Da forskerne nu har kontrol over solcellens form, de kan producere en struktur, der fanger sollys mere effektivt. Desuden, levetiden for den nuværende generation af solceller fremstillet af perovskit er for kort, da perovskit nedbrydes for hurtigt. "Vi synes, at vores perovskit -mikrostrukturer er langt mere stabile. Solceller fremstillet af dette materiale bør derfor vare længere, "siger Noorduin." Desuden vi kan producere perovskitstrukturer i hver ønsket farve. Dette betyder, at materialet også kan bruges til lysdioder i forskellige applikationer, såsom skærme, «siger forskeren.

Med den nye proces, udviklet af Noorduins ph.d. forskere Lukas Helmbrecht og Hans Hendrikse, det er muligt at omdanne enhver calciumcarbonatstruktur, såsom et søpindsvinskelet eller Noorduins mikrostrukturer, til perovskit. Denne proces vedrører den kontrollerede omdannelse af en krystalstruktur til en anden, hvilket er en vanskelig proces inden for kemi. En krystalstruktur ligner en samling af stablede kugler. Ionerne i calciumcarbonat er forskellige fra dem i perovskit, og stablingen er også anderledes. Forskerne erstatter alle ionerne i calciumcarbonatet - først, de positivt ladede calciumioner med blyjern, og derefter de negativt ladede carbonatjern med chlorid, for eksempel. Endelig, de tilføjer en anden ion, methylammonium. Denne sidste ingrediens giver anledning til et nyt stablingsmønster, som resulterer i, at der produceres perovskit.

Eksperimentet er enkelt, når du ved, hvordan du udfører det, siger Noorduin. Vanskeligheden ved at omdanne calciumcarbonat til perovskit er, at alt er anderledes:ikke kun sammensætningen af ​​positivt ladede kationer og negativt ladede anioner, men også krystalstrukturen, siger Noorduin. "Reaktionsbetingelserne, såsom koncentration og pH -niveau, skal være helt rigtigt, da strukturen ellers falder fra hinanden med det samme. Det tog os seks måneder at opdage de nøjagtige forhold. "

For eksempel, udvekslingen af ​​kationer i det første trin skal være perfekt. Det andet trin er endnu vanskeligere, fordi krystalstrukturen skal ændres. Vi fandt også, at det var vigtigt at sikre, at dette sidste trin sker meget hurtigt for at forhindre, at strukturen falder fra hinanden.

Andre materialer

Ionbytningsmetoden kan bruges på en lang række materialer. Ikke kun calciumcarbonat, men også bariumcarbonat og strontiumcarbonat er egnede, og muligvis også sulfater. The AMOLF researchers expect that the reaction can also be expanded to other types of perovskite to make a wide range of applications possible. "We can apply the principles to other materials such as catalysts. In those cases, you want to be able to control the material's surface shape and composition as well."