Mining Fool's Gold for Solar

Fool's guld, også kaldet pyrit eller jernsulfid, kan graves næsten overalt, fra bakkerne i Californien til landsbyerne i Yunnan-provinsen i Kina. Men i stedet for at grave pyrit op, laver forskeren Cyrus Wadia rene nanopartikler af forbindelsen ud fra jern- og svovlsalte i sit laboratorium ved University of California, Berkeley. Hans ultimative mål er at gøre fjols guld til en ægte skat: en billig solcelle.

I dag er de fleste solceller lavet af silicium, men de er dyre: Selvom silicium er rigeligt, kræver det en omfattende, energikrævende behandling at omdanne det til solceller. Materialer som cadmiumtellurid og kobberindiumgalliumdiselenid er nemmere at behandle, hvilket giver tyndfilmsceller, der koster mindre at producere. Men de grundstoffer, der er nødvendige for at fremstille disse forbindelser, såsom tellur og gallium, er for sjældne til at opfylde globale energibehov.

Denne historie var en del af vores november 2009-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Så Wadia lavede en undersøgelse af mulige solcellematerialer og undersøgte ikke kun deres kemi og fysik, men også deres tilgængelighed. En af de fremtrædende var fjols guld: det er rigeligt og billigt, og det har optiske egenskaber, der gør det muligt effektivt at omdanne sollys til elektricitet. Den teoretiske effektivitet af jernsulfid er 31 procent. Det er så godt som silicium, siger Wadia. Hvad mere er, kan 20 nanometer pyrit absorbere så meget lys som 300 mikrometer silicium. Fordi det absorberer så meget mere lys, kan det laves til tyndere celler, som kræver mindre råmateriale.

Matthew Beard, en seniorforsker ved National Renewable Energy Laboratory i Golden, CO, mener, at Wadia og hans kolleger fremlægger en overbevisende argumentation for at forfølge disse materialer. Selvom sjældenheden af ​​de elementer, der bruges i nyere tynde film, ikke er et problem i øjeblikket, vil det være et på lang sigt, siger Beard. I mellemtiden udgør de et mere umiddelbart problem: nogle af dem er giftige. Disse ulemper gør alternativer som pyrit værd at udvikle.

Tidligere bestræbelser på at bygge solceller med pyrit producerede enheder, der i bedste fald kun omdannede 2,8 procent af sollys til elektricitet. Wadia mener, at den lave effektivitet skyldes uoverensstemmelser i pyrittens krystalstruktur. Han er den første til at lave pyritnanopartikler, og hans metode resulterer i pyritkrystaller med en ensartet, gunstig struktur. Det resulterende materiale, mener han, vil overgå konventionel pyrit i solceller.

Krystallinske kreationer
Pyrits krystalstruktur kan antage flere former. Kun én af dem har dog de elektriske egenskaber, der gør pyrit til et godt solmateriale, og det kræver den helt rigtige pH og temperatur at generere en opløsning af nanokrystaller, der udelukkende eksisterer i den form. For at lave krystallerne pipetterer Wadia kalk-orange jernsalte, klare sulfidsalte og et boblende, iriserende overfladeaktivt stof i en teflon-foret metalcylinder. Det overfladeaktive middel forhindrer partiklerne i at klumpe sig, når de vokser. Han forsegler cylinderen inde i en autoklavebeholder og bager den ved 200 °C i fire timer. Efter at han har taget den ud, skruer Wadia beholderen af, og afslører en klar væske med et sort lag i bunden: rene pyrit nanokrystaller omkring 100 til 500 nanometer på tværs.

For at omdanne sollys til brugbar elektricitet kræver solceller to forskellige typer halvledere. Når fotoner rammer jernsulfidet, exciteres elektroner i forbindelsen - men de negative ladninger kan ikke strømme ud af cellen og ind i et eksternt kredsløb, medmindre en forbindelse med forskellige elektriske egenskaber trækker de positive ladninger væk, kaldet huller. En kandidat til jobbet er kobbersulfid, et andet billigt og rigeligt materiale, som Wadia har lavet til nanokrystaller i samarbejde med Yue Wu, nu assisterende professor i kemiteknik ved Purdue University.

Wadia syntetiserer nanokrystallerne af kobbersulfid ved at indsprøjte kobber- og sulfidsalte og et overfladeaktivt stof i en trehalset kolbe over en varmeplade; Når en magnetisk rørestang drejer indeni, dannes nanopartikler af forbindelsen. Efter at have fjernet det overfladeaktive stof og resuspenderet nanopartiklerne i chloroform, overfører han dem til en handskeboks. Indeni er en glaschip, cirka 2,5 centimeter kvadratisk, der er blevet belagt med et tyndt lag indiumtinoxid, der fungerer som en elektrisk kontakt. Wadia placerer glaschippen på en lille skive og pipetterer den blæksorte suspension af pyrit nanokrystaller på den. Han starter skiven med at dreje hurtigt i et minut for at sprede nanokrystallerne i et jævnt lag. Derefter sætter han chippen på en varmeplade og opvarmer den i 10 til 15 minutter for at fiksere partiklerne til overfladen.

Efter Wadia gentager processen med kobbersulfidopløsningen, er den nederste elektriske kontakt dækket af nanopartikellagene. Han giver chippen et hurtigt stryg med en almindelig vatpind for at genudsætte en strimmel af indiumtinoxid, der fungerer som den nederste elektriske kontakt til cellen. Han dækker derefter chippen med en maske eller stencil, der skitserer to sæt af fire firkanter med rektangulære haler. Wadia placerer chippen og et lille stykke massivt aluminium inde i en termisk fordamper, der ligner en metalklokke. Efter at han har lukket krukken, opvarmer han den; aluminiumet fordamper, og efterhånden som det afkøles, sætter det sig på de udsatte dele af chippen. Dette skaber otte firkantede elektriske kontakter med haler, der fører til kanten af ​​chippen.

Pyrit ser lyset
Chippen er nu klar til test. Wadia skruer en solcelletester af, placerer chippen indeni og skruer den sammen igen. Han oplyser den derefter med lys, der efterligner fordelingen af ​​bølgelængder, der findes i sollys. Når lyset rammer chippen, måler systemet strømmen, spændingen over chippen og andre egenskaber. En skærm viser et plot af strømmen, der løber gennem cellen i forhold til spændingen, der løber over den. Indtil videre har de pyritbaserede celler vist sig at være skuffende i deres ydeevne, selvom Berkeley-forskerne har brugt kobbersulfid i kombination med cadmiumsulfid til at lave celler, der har en effektivitet på 1,6 procent. Det er ikke godt nok til praktisk brug, men resultaterne er lovende nok til at retfærdiggøre fortsat arbejde med teknologien.

Celler, der inkorporerer pyrit, ville være at foretrække, fordi materialet er mindre giftigt og billigere at udvinde end cadmiumforbindelser. Når pyritnanopartiklerne spindes på chippen, har der dog en tendens til, at der dannes nålehuller i nanoskala. For elektroner ligner sådanne små huller Grand Canyon - de kan ikke krydse og migrere ind i det eksterne elektriske kredsløb. I stedet tunneler elektronerne ned til den nederste elektrode, hvilket får cellen til at kortslutte.

Det er svært at lave gode pyritfilm, fordi nanokrystallerne har tendens til at synke til bunden af ​​enhver væske. Jo bedre en partikel er suspenderet, jo glattere film vil den danne. Wadia mener, at mindre partikler kan føre til bedre suspensioner: pyritpartiklerne er 20 til 100 gange så store som kobbersulfidpartiklerne, som er omkring fem nanometer på tværs. Wadia forsøger alt, hvad han kan, for at gøre dem mindre, inklusive mekanisk presning eller slibning af dem og pille ved reaktionsbetingelser. Han samarbejder også med bioingeniører ved Lawrence Berkeley National Laboratory for at genmanipulere vira, så de ophober pyritnanopartikler på deres pels; det næste skridt ville være at få vira til at stille sig op i ensartede film.

Wadia erkender, at han stadig er mange år fra at lave en effektiv solcelle med pyrit nanokrystaller. I sidste ende er hans mål dog at producere en celle, der er billig nok til at gøre solenergi til den dominerende strømkilde. Han siger, jeg har bare brug for videnskaben for at virke.

skjule