Metallurgen van de Universiteit van Utah gebruikten een oude magnetron om snel een nanokristalhalfgeleider te produceren met goedkope, overvloedige en minder giftige metalen dan andere halfgeleiders. Ze hopen dat het zal worden gebruikt voor efficiëntere fotovoltaïsche zonnecellen en LED-verlichting, biologische sensoren en systemen om restwarmte om te zetten in elektriciteit.

Het gebruik van microgolven "is een snelle manier om deze deeltjes te maken die een breed scala aan toepassingen hebben, " zegt Michael Vrij, een professor in de metallurgische techniek. "We hopen dat er in de komende vijf jaar wat commerciële producten uit zullen komen, en we blijven toepassingen en verbeteringen nastreven. Het is een goede markt, maar we weten niet precies waar de markt heen zal gaan."

Free en de hoofdauteur van de studie, Prashant Sarswat, een onderzoeksmedewerker in metallurgische techniek, publiceren hun studie van de microgolf fotovoltaïsche halfgeleider - bekend als CZTS voor koper, zink, tin en zwavel – in het nummer van 1 juni van de Dagboek van kristalgroei .

In de studie, ze bepaalden de optimale tijd die nodig was om de meest uniforme kristallen van de CZTS-halfgeleider te produceren - 18 minuten in de magnetron - en bevestigden dat het materiaal inderdaad CZTS was door verschillende tests te gebruiken, zoals röntgenkristallografie, elektronenmicroscopie, atoomkrachtmicroscopie en ultraviolet spectroscopie. Ze bouwden ook een kleine fotovoltaïsche zonnecel om te bevestigen dat het materiaal werkt en om aan te tonen dat kleinere nanokristallen "kwantumopsluiting, " een eigenschap die ze veelzijdig maakt voor verschillende doeleinden.

"Het is geen gemakkelijk materiaal om te maken, " zegt Sarswat. "Er zijn veel ongewenste verbindingen die zich kunnen vormen als het niet goed wordt gemaakt."

Sarswat zegt dat in vergelijking met fotovoltaïsche halfgeleiders die zeer giftig cadmium en arseen gebruiken, ingrediënten voor CZTS fotovoltaïsch materiaal "zijn milieuvriendelijker".

Free vult aan:"De materialen die hiervoor worden gebruikt, zijn veel goedkoper en veel meer beschikbaar dan alternatieven, " zoals indium en gallium die vaak in halfgeleiders worden gebruikt.

Sneller een oud materiaal maken

Zwitserse onderzoekers vonden CZTS voor het eerst uit in 1967 met een andere methode. Andere onderzoekers ontdekten in 1998 dat het als fotovoltaïsch materiaal zou kunnen dienen. Maar tot voor kort, "mensen hebben dit materiaal niet veel onderzocht, " zegt Sarswat. CZTS behoort tot een familie van materialen die quaternaire chalcogeniden worden genoemd.

Zonder het eerst te weten, Free en Sarswat zijn met een groep onderzoekers van de Oregon State University in een wedloop geweest om de microgolfmethode voor het maken van CZTS te ontwikkelen. Sarswat heeft het materiaal in 2011 gesynthetiseerd met behulp van microgolven. Free en Sarswat hebben in januari 2012 een onthulling over hun methode ingediend. maar de andere groep versloeg ze in druk met een studie die in augustus 2012 werd gepubliceerd.

De door Sarswat en Free ontwikkelde methode heeft enkele unieke eigenschappen, waaronder verschillende "voorloper" chemicaliën (acetaatzouten in plaats van chloridezouten) die worden gebruikt om het proces van het maken van CZTS en een ander oplosmiddel (oleylamine in plaats van ethyleenglycol) te starten.

Sarswat zegt dat veel organische verbindingen worden gesynthetiseerd met microgolven, en gratis microgolven worden soms gebruikt in de metallurgie om metaal uit erts te extraheren voor analyse. Ze zeggen dat het gebruik van microgolven om materialen te verwerken snel is en vaak ongewenste chemische nevenreacties onderdrukt. " resulterend in hogere opbrengsten van de gewenste materialen.

CZTS werd voorheen op verschillende manieren gemaakt, maar velen namen meerdere stappen en vier tot vijf uur om een ​​dunne film van het materiaal te maken, technisch bekend als een "p-type fotovoltaïsche absorber, " dat is de actieve laag in een zonnecel om zonlicht om te zetten in elektriciteit.

Een meer recente methode die bekend staat als "colloïdale synthese" - het bereiden van de kristallen als een suspensie of "colloïde" in een vloeistof door de ingrediënten in een grote kolf te verwarmen - verminderde de bereidingstijd tot 45 tot 90 minuten.

Sarswat besloot de microgolfproductie van CZTS te proberen toen de afdeling Metallurgical Engineering van de Universiteit van Utah besloot een nieuwe magnetron voor de keuken te kopen waar studenten hun lunch opwarmen en koffie zetten.

"Onze afdelingssecretaris had een magnetron om weg te gooien, " dus Sarswat zegt dat hij het nam ter vervanging van een exemplaar dat onlangs was verbrand tijdens andere laboratoriumexperimenten.

"Het komt erop neer dat je gewoon een simpele magnetron kunt gebruiken om de CZTS-halfgeleider te maken, "Vrij zegt, toe te voegen:"Doe het niet thuis. Je moet voorzichtig zijn met dit soort materialen in een magnetron."

Door te bepalen hoe lang ze de ingrediënten in de magnetron zetten, de metallurgen konden de grootte van de resulterende nanokristallen en dus hun mogelijke toepassingen regelen. De vorming van CZTS begon na 8 minuten in de magnetron, maar de onderzoekers ontdekten dat ze na 18 minuten het meest uniform van grootte waren.

Gebruik voor een halfgeleider in de magnetron

Om CZTS te maken, zouten van de metalen worden opgelost in een oplosmiddel en vervolgens verwarmd in een magnetron, het vormen van een "inkt" die gesuspendeerde CZTS-nanokristallen bevat. De "inkt" kan dan op een oppervlak worden geverfd en gecombineerd met andere coatings om een ​​zonnecel te vormen.

"Deze [CZTS] is de vulling die het hart is van zonnecellen, " zegt Free. "Het is de absorberende laag - de actieve laag - van de zonnecel."

Hij zegt dat de eenvoudig te maken CZTS fotovoltaïsche halfgeleider kan worden gebruikt in efficiëntere, meerlagige zonnecelontwerpen. In aanvulling, CZTS heeft andere potentiële toepassingen, volgens Sarswat en Free:

• Thermo-elektrische omzetting van warmte in elektriciteit, inclusief restwarmte van auto's en industrie, of misschien warmte van de grond om een ​​militair kamp van stroom te voorzien.
• biosensoren, gemaakt door de nanokristal "inkt" op een oppervlak te schilderen en de kristallen te sensibiliseren met een organisch molecuul waardoor ze kleine elektrische stroompjes kunnen detecteren die worden gecreëerd wanneer een enzym in het lichaam actief wordt. Deze biosensoren kunnen een rol spelen in toekomstige tests om hart- en vaatziekten te diagnosticeren, diabetes en nierziekte, zegt Sarswat.
• Als circuitcomponenten in een breed scala aan elektronica, omvatten apparaten om warmte om te zetten in elektriciteit.
• Zonne-energie gebruiken om water af te breken tot waterstof voor brandstofcellen.

De microgolfmethode produceerde kristallen variërend van 3 nanometer tot 20 nanometer groot, en het door onderzoekers gezochte optimum lag tussen 7 nanometer en 12 nanometer, afhankelijk van het beoogde gebruik van de kristallen. Een nanometer is een miljardste van een meter, of ongeveer een 25-miljoenste van een inch.

Grotere kristallen van CZTS vormen een goed fotovoltaïsch materiaal. Sarswat zegt dat de studie ook aantoonde dat kleinere kristallen van CZTS - die kleiner dan 5 nanometer - hebben wat "kwantumopsluiting" wordt genoemd, " een verandering in de optische en elektronische eigenschappen van een materiaal wanneer de kristallen voldoende klein worden.

Kwantumopsluiting betekent dat de nanokristallen kunnen worden "afgestemd" om licht van specifieke, dergelijk materiaal potentieel bruikbaar te maken voor een breed scala aan toepassingen, inclusief efficiëntere LED's of light-emitting diodes voor verlichting. Materialen met kwantumopsluiting zijn veelzijdig omdat ze een "afstembare bandgap, " een instelbare hoeveelheid energie die nodig is om een ​​materiaal te activeren om licht of elektriciteit uit te zenden.