Mikrobølgeovn tilbereder solcellemateriale

University of Utah metallurger brugte en gammel mikrobølgeovn til at producere en nanokrystal halvleder hurtigt ved hjælp af billige, rigelige og mindre giftige metaller end andre halvledere. De håber, at det vil blive brugt til mere effektive solceller og LED-lys, biologiske sensorer og systemer til at omdanne spildvarme til elektricitet.

At bruge mikrobølger "er en hurtig måde at fremstille disse partikler, der har en bred vifte af anvendelser, " siger Michael Free, professor i metallurgisk teknik. "Vi håber, at der i de næste fem år vil være nogle kommercielle produkter fra dette, og vi fortsætter med at forfølge applikationer og forbedringer. Det er et godt marked, men vi ved ikke præcist, hvor markedet vil gå hen. "

Free og undersøgelsens hovedforfatter, Prashant Sarswat, en forskningsmedarbejder i metallurgisk teknik, udgiver deres undersøgelse af den mikrobølgede fotovoltaiske halvleder - kendt som CZTS for kobber, zink, tin og svovl – i 1. juni-udgaven af Journal of Crystal Growth .

I undersøgelsen, de bestemte den optimale tid, der krævedes for at producere de mest ensartede krystaller af CZTS-halvlederen – 18 minutter i mikrobølgeovnen – og bekræftede, at materialet faktisk var CZTS ved at bruge en række forskellige tests, såsom røntgenkrystallografi, elektronmikroskopi, atomkraftmikroskopi og ultraviolet spektroskopi. De byggede også en lille fotovoltaisk solcelle for at bekræfte, at materialet virker og demonstrere, at mindre nanokrystaller viser "kvanteindeslutning, "en egenskab, der gør dem alsidige til forskellige formål.

"Det er ikke et let materiale at lave, "Sarswat siger. "Der er en masse uønskede forbindelser, der kan dannes, hvis det ikke er lavet ordentligt."

Sarswat siger, at sammenlignet med fotovoltaiske halvledere, der bruger meget giftig cadmium og arsen, ingredienser til CZTS fotovoltaisk materiale "er mere miljøvenlige."

Free tilføjer:"De materialer, der bruges til dette, er meget lavere omkostninger og meget mere tilgængelige end alternativer, "såsom indium og gallium, der ofte bruges i halvledere.

Gør et gammelt materiale hurtigere

Schweiziske forskere opfandt først CZTS i 1967 ved hjælp af en anden metode. Andre forskere opdagede i 1998, at det kunne fungere som et solcellemateriale. Men indtil for nylig, "folk har ikke udforsket dette materiale særlig meget, " siger Sarswat. CZTS tilhører en familie af materialer, der hedder kvaternære chalcogenider.

Uden at vide det først, Free og Sarswat har været i et kapløb om at udvikle mikrobølgemetoden til fremstilling af CZTS med en gruppe forskere ved Oregon State University. Sarswat syntetiserede materialet ved hjælp af mikrobølger i 2011. Free og Sarswat indgav en afsløring af opfindelsen om deres metode i januar 2012, men den anden gruppe slog dem på tryk med en undersøgelse offentliggjort i august 2012.

Metoden udviklet af Sarswat og Free har nogle unikke funktioner, inklusive forskellige "precursor"-kemikalier (acetatsalte i stedet for chloridsalte), der bruges til at starte processen med at fremstille CZTS og et andet opløsningsmiddel (oleylamin i stedet for ethylenglycol.)

Sarswat siger, at mange organiske forbindelser syntetiseres med mikrobølger, og gratis noter mikrobølger nogle gange bruges i metallurgi til at udvinde metal fra malm til analyse. De siger, at det er hurtigt at bruge mikrobølger til at behandle materialer og ofte undertrykker uønskede kemiske "sidereaktioner, ", hvilket resulterer i højere udbytter af de ønskede materialer.

CZTS blev tidligere lavet ved hjælp af forskellige metoder, men mange tog flere skridt og fire til fem timer for at lave en tynd film af materialet, kendt teknisk som en "p-type fotovoltaisk absorber, "som er det aktive lag i en solcelle til at omdanne sollys til elektricitet.

En nyere metode kendt som "kolloid syntese" - fremstilling af krystallerne som en suspension eller "kolloid" i en væske ved opvarmning af ingredienserne i en stor kolbe - reducerede forberedelsestiden til 45 til 90 minutter.

Sarswat besluttede at prøve mikrobølgeproduktion af CZTS, da University of Utahs afdeling for metallurgisk teknik besluttede at anskaffe en ny mikrobølgeovn til køkkenet, hvor eleverne varmer deres frokost og laver kaffe.

"Vores afdelingssekretær havde en mikrobølgeovn at smide væk, Så Sarswat siger, at han tog det for at erstatte en, der for nylig var brændt op under andre laboratorieeksperimenter.

"Bundlinjen er, at du bare kan bruge en simpel mikrobølgeovn til at lave CZTS-halvlederen, "Fri siger, tilføjer:"Gør det ikke derhjemme. Du skal være forsigtig, når du bruger den slags materialer i en mikrobølgeovn."

Ved at kontrollere, hvor længe de mikroovne ingredienserne, metallurgerne kunne kontrollere størrelsen af ​​de resulterende nanokrystaller og dermed deres mulige anvendelser. Dannelsen af ​​CZTS begyndte efter 8 minutter i mikrobølgeovnen, men forskerne fandt ud af, at de kom mest ensartede ud efter 18 minutter.

Anvendes til en mikrobølgeovn halvleder

For at lave CZTS, salte af metallerne opløses i et opløsningsmiddel og opvarmes derefter i en mikrobølgeovn, danner et "blæk" indeholdende suspenderede CZTS nanokrystaller. "Blækket" kan derefter males på en overflade og kombineres med andre belægninger for at danne en solcelle.

"Dette [CZTS] er fyldningen, der er hjertet af solceller, " siger Free. "Det er det absorberende lag – det aktive lag – i solcellen."

Han siger, at den CZTS fotovoltaiske halvleder, der er nem at fremstille, kan bruges mere effektivt, flerlags solcelledesign. Ud over, CZTS har andre potentielle anvendelser, ifølge Sarswat og Free:

• Teromoelektrisk omdannelse af varme til elektricitet, herunder spildvarme fra biler og industri, eller måske varme fra jorden til at drive en militærlejr.
• Biosensorer, lavet ved at male nanokrystallet "blæk" på en overflade og sensibilisere krystallerne med et organisk molekyle, der gør det muligt for dem at detektere små elektriske strømme, der skabes, når et enzym i kroppen bliver aktivt. Disse biosensorer kan spille en rolle i fremtidige tests for at hjælpe med at diagnosticere kardiovaskulær sygdom, diabetes og nyresygdom, Sarswat siger.
• Som kredsløbskomponenter i en bred vifte af elektronik, omfatter enheder til at omdanne varme til elektricitet.
• At bruge solenergi til at nedbryde vand til at producere brint til brændselsceller.

Mikrobølgemetoden frembragte krystaller fra 3 nanometer til 20 nanometer i størrelse, og det optimale, forskerne søgte, var mellem 7 nanometer og 12 nanometer, afhængig af den påtænkte anvendelse af krystallerne. En nanometer er en milliarddel af en meter, eller omkring en 25-milliontedel af en tomme.

Større krystaller af CZTS er et godt fotovoltaisk materiale. Sarswat siger, at undersøgelsen også viste, at mindre krystaller af CZTS - dem, der er mindre end 5 nanometer - har det, der kaldes "kvanteindeslutning, "en ændring i et materiales optiske og elektroniske egenskaber, når krystallerne bliver tilstrækkeligt små.

Kvanteindeslutning betyder, at nanokrystallerne kan "tunes" til at udsende lys af specifikke, gør sådant materiale potentielt nyttigt til en lang række anvendelser, herunder mere effektive LED'er eller lysemitterende dioder til belysning. Materialer med kvanteindeslutning er alsidige, fordi de har et "afstembart båndgab, "en justerbar mængde energi, der kræves for at aktivere et materiale til udsendelse af lys eller elektricitet.