Onderzoekers van AMOLF hebben een manier gevonden om calciumcarbonaatstructuren geschikt te maken voor gebruik in elektronica. Dit doen ze door de samenstelling van het materiaal aan te passen, zodat het een halfgeleider wordt zonder zijn vorm te verliezen. Dit kan leiden tot efficiëntere en stabielere zonnecellen. Dit onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Natuurchemie op 4 juni, 2018.

In principe, het zou mogelijk zijn om het experiment op het strand uit te voeren met behulp van de witte ovale schaal van een inktvis of een skelet van een zee-egel, zegt Wim Noordduin, groepsleider Self Organizing Matter bij AMOLF. "Het experiment omvat niet meer dan het druppelen van twee vloeistoffen over de calciumcarbonaatstructuur. De conversie is binnen een paar minuten voltooid. Als je een UV-lamp op de structuur laat schijnen, je kunt de conversie voor je ogen zien plaatsvinden:het skelet van de zee-egel, die aanvankelijk blauw lijkt onder de lamp, verandert bij elke druppel in een heldergroene structuur."

Noorduin zet calciumcarbonaatstructuren zoals een zee-egelskelet om in perovskiet, een veelbelovend nieuw materiaal voor zonnecellen. "In werkelijkheid, dit is alchemie, " zegt Noorduin. "Midas veranderde alles in goud, en we veranderen nu calciumcarbonaat in perovskiet."

Calciumcarbonaat is zeer overvloedig op aarde, en is te vinden in krijtmijnen en dierlijke skeletten, bijvoorbeeld. Noorduin had eerder een manier gevonden om van calcium allerlei microstructuren te maken om te begrijpen hoe de natuur het doet. Maar het materiaal kent weinig toepassingen. Perovskiet, echter, biedt meer mogelijkheden, en het is een veelbelovend nieuw materiaal voor zonnecellen. Zonnecellen geproduceerd uit de halfgeleider perovskiet zijn efficiënter en goedkoper dan traditionele silicium zonnecellen. Ze zijn ook het onderwerp van steeds meer onderzoek. "Door een vooraf bepaalde structuur van calciumcarbonaat om te zetten in het functionele perovskiet, we hebben nu controle over zowel de vorm als de functie van het materiaal, ’ zegt Noordijn.

Noorduin verwacht dat het nieuwe materiaal zal leiden tot verbeterde zonnecellen. Omdat de onderzoekers nu controle hebben over de vorm van de zonnecel, ze kunnen een structuur produceren die zonlicht effectiever opvangt. Verder, de levensduur van de huidige generatie zonnecellen gemaakt van perovskiet is te kort omdat perovskiet te snel afbreekt. "We denken dat onze perovskiet-microstructuren veel stabieler zijn. Zonnecellen die van dit materiaal zijn gemaakt, moeten daarom langer meegaan, ", zegt Noorduin. "Daarnaast we kunnen perovskietstructuren in elke gewenste kleur produceren. Dit betekent dat het materiaal ook kan worden gebruikt voor leds in verschillende toepassingen, zoals schermen, ", zegt de onderzoeker.

Met het nieuwe proces ontwikkeld door Noorduin's Ph.D. onderzoekers Lukas Helmbrecht en Hans Hendrikse, het is mogelijk om elke calciumcarbonaatstructuur om te zetten, zoals een skelet van een zee-egel of de microstructuren van Noorduin, tot perovskiet. Dit proces betreft de gecontroleerde omzetting van de ene kristalstructuur in de andere, wat een moeilijk proces is in de chemie. Een kristalstructuur is vergelijkbaar met een verzameling gestapelde knikkers. De ionen in calciumcarbonaat zijn anders dan die in perovskiet, en het stapelen is ook anders. De onderzoekers vervangen alle ionen in het calciumcarbonaat - eerst, de positief geladen calciumionen met loodijzers, en dan de negatief geladen carbonaatijzers met chloride, bijvoorbeeld. Eindelijk, ze voegen nog een ion toe, methylammonium. Door dit laatste ingrediënt ontstaat een nieuw stapelpatroon waardoor perovskiet ontstaat.

Het experiment is eenvoudig, als je eenmaal weet hoe je het moet uitvoeren, zegt Noordijn. De moeilijkheid om calciumcarbonaat om te zetten in perovskiet is dat alles anders is:niet alleen de samenstelling van positief geladen kationen en negatief geladen anionen, maar ook de kristalstructuur, zegt Noordijn. "De reactieomstandigheden, zoals concentratie en pH-waarde, moet precies goed zijn, anders valt de structuur meteen uit elkaar. Het kostte ons zes maanden om die exacte voorwaarden te ontdekken."

Bijvoorbeeld, de uitwisseling van de kationen in de eerste stap moet perfect zijn. De tweede stap is nog moeilijker omdat de kristalstructuur moet veranderen. We vonden het ook essentieel om ervoor te zorgen dat deze laatste stap zeer snel gebeurt om te voorkomen dat de structuur uit elkaar valt.

Andere materialen

De ionenuitwisselingsmethode kan op een breed scala aan materialen worden gebruikt. Niet alleen calciumcarbonaat, maar ook bariumcarbonaat en strontiumcarbonaat zijn geschikt, en mogelijk ook sulfaten. 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."