Wydobycie złota głupców dla Solar

Złoto głupców, zwane również pirytem lub siarczkiem żelaza, można znaleźć praktycznie wszędzie, od wzgórz Kalifornii po wioski w prowincji Yunnan w Chinach. Ale zamiast kopać piryt, naukowiec Cyrus Wadia wytwarza czyste nanocząsteczki związku z soli żelaza i siarki w swoim laboratorium na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley. Jego ostatecznym celem jest przekształcenie złota głupców w prawdziwy skarb: niedrogie ogniwo słoneczne.

Obecnie większość ogniw słonecznych jest wykonana z krzemu, ale są one drogie: chociaż krzemu jest dużo, przekształcenie go w fotowoltaikę wymaga rozległego i energochłonnego przetwarzania. Materiały takie jak tellurek kadmu i diselenek miedziowo-indowo-galowy są prostsze w obróbce, co daje cienkowarstwowe ogniwa, których produkcja jest tańsza. Ale pierwiastki potrzebne do wytworzenia tych związków, takie jak tellur i gal, są zbyt rzadkie, aby zaspokoić globalne zapotrzebowanie na energię.

Ta historia była częścią naszego wydania z listopada 2009 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Dlatego Wadia przeprowadziła badanie możliwych materiałów ogniw słonecznych, badając nie tylko ich chemię i fizykę, ale także ich dostępność. Jednym z wyróżników było złoto głupców: jest obfite i tanie, a także ma właściwości optyczne, które pozwalają mu wydajnie przekształcać światło słoneczne w energię elektryczną. Teoretyczna wydajność siarczku żelaza wynosi 31 procent. To tak dobre, jak krzem, mówi Wadia. Co więcej, 20 nanometrów pirytu może zaabsorbować tyle światła, co 300 mikrometrów krzemu. Ponieważ pochłania o wiele więcej światła, można go przerobić na cieńsze komórki, które wymagają mniej surowca.

Matthew Beard, starszy naukowiec z National Renewable Energy Laboratory w Golden w stanie Kolorado, uważa, że ​​Wadia i jego koledzy przedstawiają przekonujące argumenty za poszukiwaniem tych materiałów. Chociaż rzadkość elementów używanych w nowszych cienkich foliach nie jest obecnie problemem, na dłuższą metę będzie jednym z nich, mówi Beard. Tymczasem stwarzają pilniejszy problem: niektóre z nich są toksyczne. Te wady sprawiają, że warto opracować alternatywy, takie jak piryt.

Wcześniejsze wysiłki na rzecz budowy ogniw słonecznych z pirytu wyprodukowały urządzenia, które w najlepszym przypadku przekształcały tylko 2,8 procent światła słonecznego w energię elektryczną. Wadia uważa, że ​​niska wydajność wynika z niespójności w strukturze krystalicznej pirytu. Jako pierwszy wytwarza nanocząstki pirytu, a jego metoda daje kryształy pirytu o jednorodnej, korzystnej strukturze. Jego zdaniem uzyskany materiał przewyższy konwencjonalny piryt w ogniwach słonecznych.

Krystaliczne kreacje
Struktura krystaliczna pirytu może przybierać różne formy. Jednak tylko jeden z nich ma właściwości elektryczne, które sprawiają, że piryt jest dobrym materiałem słonecznym, a do wygenerowania roztworu nanokryształów, które istnieją wyłącznie w tej formie, potrzebne jest odpowiednie pH i temperatura. Aby wytworzyć kryształy, Wadia pipetuje kredowo-pomarańczowe sole żelaza, czyste sole siarczków i musujący, opalizujący środek powierzchniowo czynny do metalowego cylindra pokrytego teflonem. Środek powierzchniowo czynny zapobiega zlepianiu się cząstek podczas wzrostu. Zamyka cylinder w autoklawie i piecze go w 200 °C przez cztery godziny. Po jego wyjęciu Wadia odkręca pojemnik, odsłaniając przezroczystą ciecz z czarną warstwą na dole: czyste nanokryształy pirytu o średnicy około 100 do 500 nanometrów.

Aby przekształcić światło słoneczne w użyteczną energię elektryczną, ogniwa słoneczne wymagają dwóch różnych rodzajów półprzewodników. Kiedy fotony uderzają w siarczek żelaza, elektrony w związku są wzbudzane – ale te ujemne ładunki nie mogą wypłynąć z komórki do obwodu zewnętrznego, chyba że związek o innych właściwościach elektrycznych odciągnie dodatnie ładunki, zwane dziurami. Jednym z kandydatów na to stanowisko jest siarczek miedzi, kolejny tani i powszechnie dostępny materiał, który Wadia przetworzyła na nanokryształy we współpracy z Yue Wu, obecnie adiunktem inżynierii chemicznej na Purdue University.

Wadia syntetyzuje nanokryształy siarczku miedzi przez wstrzyknięcie soli miedzi i siarczków oraz środka powierzchniowo czynnego do trójszyjnej kolby na gorącej płycie; gdy mieszadło magnetyczne kręci się w środku, nanocząstki w postaci związku. Po usunięciu środka powierzchniowo czynnego i zawieszeniu nanocząstek w chloroformie przenosi je do schowka. Wewnątrz znajduje się szklany chip o powierzchni około 2,5 centymetra kwadratowego, który został pokryty cienką warstwą tlenku indowo-cynowego, który pełni rolę styku elektrycznego. Wadia umieszcza szklany chip na małym krążku i pipetuje na niego atramentowoczarną zawiesinę nanokryształów pirytu. Rozpoczyna szybki obrót dysku przez minutę, aby rozłożyć nanokryształy w równej warstwie. Następnie kładzie chip na gorącej płycie i podgrzewa go przez 10 do 15 minut, aby przymocować cząsteczki do jego powierzchni.

Po tym, jak Wadia powtórzy proces z roztworem siarczku miedzi, dolny styk elektryczny jest pokryty warstwami nanocząstek. Szybko przeciera chip zwykłym bawełnianym wacikiem, aby ponownie odsłonić pasek tlenku indu i cyny, który działa jako dolny styk elektryczny ogniwa. Następnie pokrywa chip maską lub szablonem, który przedstawia dwa zestawy czterech kwadratów z prostokątnymi ogonami. Wadia umieszcza chip i mały kawałek litego aluminium w parowniku termicznym, który wygląda jak metalowy dzwonek. Po zamknięciu słoika podgrzewa go; aluminium odparowuje, a gdy się ochładza, osadza się na odsłoniętych częściach chipa. Tworzy to osiem kwadratowych styków elektrycznych z ogonami prowadzącymi do krawędzi chipa.

Piryt widzi światło
Chip jest teraz gotowy do testów. Wadia odkręca tester ogniw słonecznych, wkłada chip do środka i ponownie go skręca. Następnie oświetla go światłem, które naśladuje rozkład długości fal występujących w świetle słonecznym. Gdy światło pada na chip, system mierzy prąd, napięcie na chipie i inne właściwości. Ekran wyświetla wykres prądu przepływającego przez komórkę w funkcji napięcia przepływającego przez nią. Jak dotąd ogniwa na bazie pirytu okazały się rozczarowujące pod względem wydajności, chociaż naukowcy z Berkeley wykorzystali siarczek miedzi w połączeniu z siarczkiem kadmu, aby uzyskać ogniwa o wydajności 1,6 procent. Nie jest to wystarczająco dobre do praktycznego zastosowania, ale wyniki są na tyle obiecujące, że uzasadniają kontynuowanie prac nad technologią.

Preferowane byłyby komórki zawierające piryt, ponieważ materiał jest mniej toksyczny i tańszy do odzyskania niż związki kadmu. Jednakże, gdy nanocząstki pirytu są wirowane na chipie, mają tendencję do tworzenia się mikrootworów w nanoskali. Dla elektronów takie maleńkie szczeliny wyglądają jak Wielki Kanion – nie mogą przejść i migrować do zewnętrznego obwodu elektrycznego. Zamiast tego elektrony przechodzą w dół do dolnej elektrody, powodując zwarcie ogniwa.

Trudno jest zrobić dobre filmy pirytowe, ponieważ nanokryształy mają tendencję do opadania na dno każdej cieczy. Im lepiej zawieszona jest cząsteczka, tym gładszy będzie film. Wadia uważa, że ​​mniejsze cząstki mogą prowadzić do lepszych zawiesin: cząstki pirytu są od 20 do 100 razy większe od cząstek siarczku miedzi, które mają średnicę około pięciu nanometrów. Wadia robi wszystko, co w jego mocy, aby je zmniejszyć, w tym mechaniczne prasowanie lub mielenie i majstrowanie przy warunkach reakcji. Współpracuje również z bioinżynierami z Lawrence Berkeley National Laboratory, aby genetycznie modyfikować wirusy, aby gromadziły nanocząsteczki pirytu na swoich płaszczach; następnym krokiem byłoby ułożenie wirusów w jednorodne filmy.

Wadia przyznaje, że jeszcze wiele lat dzieli go od stworzenia wydajnego ogniwa słonecznego z nanokryształami pirytu. Ostatecznie jednak jego celem jest wyprodukowanie ogniwa, które byłoby wystarczająco tanie, aby energia słoneczna stała się dominującym źródłem energii. Mówi, że potrzebuję tylko nauki do pracy.

ukryć