Un piccolo, prototipo di cella solare che utilizza CZTS, un semiconduttore fotovoltaico che i metallurgisti dell'Università dello Utah hanno prodotto in un vecchio forno a microonde che un tempo riscaldava i pranzi degli studenti. Credito:Lee J. Siegel, Università dell'Utah.
I metallurgisti dell'Università dello Utah hanno utilizzato un vecchio forno a microonde per produrre rapidamente un semiconduttore nanocristallino utilizzando metalli abbondanti e meno tossici rispetto ad altri semiconduttori. Sperano che sarà utilizzato per celle solari fotovoltaiche più efficienti e luci a LED, sensori e sistemi biologici per convertire il calore di scarto in elettricità.
L'uso delle microonde "è un modo rapido per produrre queste particelle che hanno una vasta gamma di applicazioni, "dice Michele Libero, un professore di ingegneria metallurgica. "Speriamo che nei prossimi cinque anni ci saranno dei prodotti commerciali da questo, e stiamo continuando a perseguire applicazioni e miglioramenti. È un buon mercato, ma non sappiamo esattamente dove andrà il mercato".
Free e l'autore principale dello studio, Prashant Sarswat, un ricercatore associato in ingegneria metallurgica, stanno pubblicando il loro studio sul semiconduttore fotovoltaico a microonde – noto come CZTS per il rame, zinco, stagno e zolfo – nel numero del 1 giugno del Diario della Crescita dei Cristalli .
Nello studio, hanno determinato il tempo ottimale necessario per produrre i cristalli più uniformi del semiconduttore CZTS - 18 minuti nel forno a microonde - e hanno confermato che il materiale era effettivamente CZTS utilizzando una varietà di test, come la cristallografia a raggi X, microscopio elettronico, microscopia a forza atomica e spettroscopia ultravioletta. Hanno anche costruito una piccola cella solare fotovoltaica per confermare che il materiale funziona e dimostrare che i nanocristalli più piccoli mostrano "confinamento quantico, " una proprietà che li rende versatili per diversi usi.
"Non è un materiale facile da realizzare, " Dice Sarswat. "Ci sono molti composti indesiderati che possono formarsi se non sono fatti correttamente".
Sarswat afferma che rispetto ai semiconduttori fotovoltaici che utilizzano cadmio e arsenico altamente tossici, gli ingredienti per il materiale fotovoltaico CZTS "sono più rispettosi dell'ambiente".
Free aggiunge:"I materiali utilizzati per questo sono molto più economici e molto più disponibili delle alternative, " come indio e gallio spesso usati nei semiconduttori.
Fare un vecchio materiale più velocemente
I ricercatori svizzeri hanno inventato per la prima volta CZTS nel 1967 utilizzando un altro metodo. Altri ricercatori hanno scoperto nel 1998 che potrebbe fungere da materiale fotovoltaico. Ma fino a poco tempo fa "la gente non ha esplorato molto questo materiale, " Dice Sarswat. CZTS appartiene a una famiglia di materiali chiamati calcogenuri quaternari.
Senza saperlo in un primo momento, Free e Sarswat hanno fatto una corsa per sviluppare il metodo a microonde per produrre CZTS con un gruppo di ricercatori dell'Oregon State University. Sarswat ha sintetizzato il materiale utilizzando le microonde nel 2011. Free e Sarswat hanno presentato una divulgazione dell'invenzione sul loro metodo nel gennaio 2012, ma l'altro gruppo li ha battuti nella stampa con uno studio pubblicato nell'agosto 2012.
Questa immagine al microscopio elettronico a trasmissione mostra un singolo nanocristallo del semiconduttore CZTS disciolto in un solvente organico. Il nanocristallo è appena visibile al centro della foto, a forma di pagaia da ping pong. Il CZTS è stato prodotto dai ricercatori dell'Università dello Utah utilizzando un vecchio forno a microonde. I ricercatori dell'Università dell'Oregon hanno realizzato l'immagine per i loro colleghi dello Utah. Credito:Centro per i materiali avanzati e la caratterizzazione dell'Oregon.
Il metodo sviluppato da Sarswat e Free ha alcune caratteristiche uniche, compresi diversi prodotti chimici "precursori" (sali di acetato invece di sali di cloruro) utilizzati per avviare il processo di produzione di CZTS e un diverso solvente (oleilamina invece di glicole etilenico).
Sarswat dice che molti composti organici sono sintetizzati con le microonde, e Note libere Le microonde a volte vengono utilizzate in metallurgia per estrarre il metallo dal minerale per l'analisi. Dicono che l'uso delle microonde per elaborare i materiali sia veloce e spesso sopprima "reazioni collaterali" chimiche indesiderate, " con conseguente maggiore resa dei materiali desiderati.
CZTS in precedenza è stato realizzato utilizzando vari metodi, ma molti hanno impiegato più passaggi e quattro o cinque ore per fare un film sottile del materiale, tecnicamente noto come "assorbitore fotovoltaico di tipo p, " che è lo strato attivo in una cella solare per convertire la luce solare in elettricità.
Un metodo più recente noto come "sintesi colloidale" - preparare i cristalli come una sospensione o "colloide" in un liquido riscaldando gli ingredienti in un grande pallone - ha ridotto il tempo di preparazione a 45-90 minuti.
Sarswat ha deciso di provare la produzione a microonde di CZTS quando il Dipartimento di ingegneria metallurgica dell'Università dello Utah ha deciso di acquistare un nuovo forno a microonde per la cucina dove gli studenti riscaldano i pranzi e preparano il caffè.
"La nostra segretaria di dipartimento aveva un forno a microonde da buttare via, " così Sarswat dice di averlo preso per sostituire uno che si era recentemente bruciato durante altri esperimenti di laboratorio.
"La linea di fondo è che puoi usare solo un semplice forno a microonde per realizzare il semiconduttore CZTS, "Libero dice, aggiungendo:"Non farlo a casa. Devi essere cauto quando usi questo tipo di materiali nel microonde".
Controllando per quanto tempo mettono a microonde gli ingredienti, i metallurgisti potrebbero controllare la dimensione dei nanocristalli risultanti e quindi i loro possibili usi. La formazione di CZTS è iniziata dopo 8 minuti nel microonde, ma i ricercatori hanno scoperto che sono usciti di dimensioni più uniformi dopo 18 minuti.
Usi per un semiconduttore a microonde
Per fare CZTS, i sali dei metalli vengono sciolti in un solvente e poi riscaldati in microonde, formando un "inchiostro" contenente nanocristalli CZTS sospesi. L'"inchiostro" può quindi essere dipinto su una superficie e combinato con altri rivestimenti per formare una cella solare.
"Questo [CZTS] è il ripieno che è il cuore delle celle solari, " dice Free. "È lo strato assorbente - lo strato attivo - della cella solare."
Dice che il semiconduttore fotovoltaico CZTS di facile realizzazione può essere utilizzato in modo più efficiente, progetti di celle solari multistrato. Inoltre, CZTS ha altri potenziali usi, secondo Sarswat e Free:
Il metodo a microonde ha prodotto cristalli di dimensioni comprese tra 3 nanometri e 20 nanometri, e l'optimum cercato dai ricercatori era tra 7 nanometri e 12 nanometri, a seconda della destinazione d'uso dei cristalli. Un nanometro è un miliardesimo di metro, o circa un 25 milionesimo di pollice.
Cristalli più grandi di CZTS fanno un buon materiale fotovoltaico. Sarswat afferma che lo studio ha anche dimostrato che i cristalli più piccoli di CZTS - quelli più piccoli di 5 nanometri - hanno quello che viene chiamato "confinamento quantistico, "un cambiamento nelle proprietà ottiche ed elettroniche di un materiale quando i cristalli diventano sufficientemente piccoli.
Confinamento quantistico significa che i nanocristalli possono essere "sintonizzati" per emettere luce di specifici, rendere tale materiale potenzialmente utile per un'ampia varietà di usi, compresi LED più efficienti o diodi emettitori di luce per l'illuminazione. I materiali con confinamento quantistico sono versatili perché hanno un "bandgap sintonizzabile, " una quantità regolabile di energia necessaria per attivare un materiale per emettere luce o elettricità.
