Een van de problemen voor Javier Vela en de chemici in zijn onderzoeksgroep aan de Iowa State University was dat een giftig materiaal zo goed werkte in zonnecellen.

En dus zou elke vervanging voor de loodhoudende perovskieten die in sommige zonnecellen worden gebruikt, echt moeten presteren. Maar wat konden ze vinden om de perovskiet-halfgeleiders te vervangen die zo veelbelovend en zo efficiënt waren in het omzetten van zonlicht in elektriciteit?

Welke materialen konden halfgeleiders produceren die net zo goed werkten, maar waren veilig en overvloedig en goedkoop te vervaardigen?

"Halfgeleiders zijn overal, toch?' zei Vela. 'Ze zitten in onze computers en onze mobiele telefoons. Ze zijn meestal in high-end, hoogwaardige producten. Hoewel halfgeleiders mogelijk geen zeldzame materialen bevatten, veel zijn giftig of erg duur."

Vela, een universitair hoofddocent scheikunde in de staat Iowa en een medewerker van het Ames Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie, geeft leiding aan een laboratorium dat gespecialiseerd is in het ontwikkelen van nieuwe, nanogestructureerde materialen. Bij het nadenken over het probleem van lood in zonnecellen, hij vond een presentatie op een conferentie van onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology die mogelijke vervangers voor perovskieten in halfgeleiders suggereerde.

Vela en Iowa State afgestudeerde studenten Bryan Rosales en Miles White besloten zich te concentreren op op natrium gebaseerde alternatieven en begonnen een 18 maanden durende zoektocht naar een nieuw soort halfgeleider.

Ze bedachten een verbinding met natrium, die goedkoop en overvloedig is; bismut, die relatief schaars is, maar overgeproduceerd wordt tijdens de winning van andere metalen en goedkoop is; en zwavel, het vijfde meest voorkomende element op aarde. De onderzoekers rapporteren hun ontdekking in een paper dat onlangs online is gepubliceerd door de Tijdschrift van de American Chemical Society .

De ondertitel van de krant is een goede samenvatting van hun werk:"Toward Earth-Abundant, Biocompatibele halfgeleiders."

"Onze synthese ontsluit een nieuwe klasse van goedkope en milieuvriendelijke ternaire (driedelige) halfgeleiders die interessante eigenschappen vertonen voor toepassingen in energieconversie, ’ schreven de chemici in hun krant.

In feite, Rosales werkt aan het maken van zonnecellen die gebruik maken van het nieuwe halfgeleidende materiaal.

Vela zei variaties in synthese - veranderende reactietemperatuur en tijd, keuze van metaalionprecursoren, door bepaalde liganden toe te voegen, kunnen scheikundigen de structuur van het materiaal en de grootte van de nanokristallen controleren. En dat stelt onderzoekers in staat om de eigenschappen van het materiaal te veranderen en te verfijnen.

Verschillende eigenschappen van het materiaal zijn al ideaal voor zonnecellen:de band gap van het materiaal - de hoeveelheid energie die een lichtdeeltje nodig heeft om een ​​elektron los te slaan - is ideaal voor zonnecellen. Het materiaal, in tegenstelling tot andere materialen die in zonnecellen worden gebruikt, is ook stabiel bij blootstelling aan lucht en water.

Dus, de chemici denken dat ze een materiaal hebben dat goed werkt in zonnecellen, maar zonder de giftigheid, schaarste of kosten.

"We geloven dat de hier gerapporteerde experimentele en computationele resultaten, schreven ze in hun krant, "zal helpen bij het bevorderen van de fundamentele studie en verkenning van deze en soortgelijke materialen voor apparaten voor energieconversie."