Mining Fool's Gold for Solar

Dårarnas guld, även kallat pyrit eller järnsulfid, kan grävas fram nästan var som helst, från kullarna i Kalifornien till byarna i Yunnan-provinsen i Kina. Men istället för att gräva upp pyrit tillverkar forskaren Cyrus Wadia rena nanopartiklar av föreningen från järn- och svavelsalter i sitt labb vid University of California, Berkeley. Hans slutmål är att förvandla dårarnas guld till en riktig skatt: en billig solcell.

Idag är de flesta solceller gjorda av kisel, men de är dyra: även om kisel är rikligt, kräver det omfattande, energikrävande bearbetning att förvandla det till solceller. Material som kadmiumtellurid och kopparindiumgalliumdiselenid är enklare att bearbeta, vilket ger tunnfilmsceller som kostar mindre att producera. Men de grundämnen som behövs för att tillverka dessa föreningar, såsom tellur och gallium, är för sällsynta för att möta globala energibehov.

Den här historien var en del av vårt novembernummer 2009

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Så Wadia gjorde en studie av möjliga solcellsmaterial och undersökte inte bara deras kemi och fysik utan också deras tillgänglighet. En av de framstående var dårarnas guld: det är rikligt och billigt, och det har optiska egenskaper som gör att det effektivt kan omvandla solljus till elektricitet. Den teoretiska effektiviteten för järnsulfid är 31 procent. Det är lika bra som kisel, säger Wadia. Dessutom kan 20 nanometer pyrit absorbera så mycket ljus som 300 mikrometer kisel. Eftersom den absorberar så mycket mer ljus kan den göras till tunnare celler, som kräver mindre råmaterial.

Matthew Beard, en senior forskare vid National Renewable Energy Laboratory i Golden, CO, tycker att Wadia och hans kollegor presenterar ett övertygande argument för att söka efter dessa material. Även om sällsyntheten hos de element som används i nyare tunna filmer för närvarande inte är ett problem, kommer det att vara ett på lång sikt, säger Beard. Samtidigt utgör de ett mer omedelbart problem: några av dem är giftiga. Dessa nackdelar gör alternativ som pyrit värda att utveckla.

Tidigare försök att bygga solceller med pyrit producerade enheter som i bästa fall omvandlade endast 2,8 procent av solljuset till elektricitet. Wadia tror att den låga effektiviteten beror på inkonsekvenser i pyritens kristallstruktur. Han är den första som tillverkar pyritnanopartiklar och hans metod resulterar i pyritkristaller med en enhetlig, gynnsam struktur. Det resulterande materialet, tror han, kommer att överträffa konventionell pyrit i solceller.

Kristallina skapelser
Pyrits kristallstruktur kan ta flera former. Endast en av dem har dock de elektriska egenskaperna som gör pyrit till ett bra solmaterial, och det krävs precis rätt pH och temperatur för att generera en lösning av nanokristaller som existerar enbart i den formen. För att göra kristallerna pipetterar Wadia kritorange järnsalter, klara sulfidsalter och ett bubbligt, iriserande ytaktivt ämne till en teflonfodrad metallcylinder. Det ytaktiva ämnet hindrar partiklarna från att klumpa ihop sig när de växer. Han försluter cylindern inuti en autoklavbehållare och gräddar den vid 200 °C i fyra timmar. Efter att han tagit ut den, skruvar Wadia av behållaren och avslöjar en klar vätska med ett svart lager i botten: rena pyritnanokristaller med en diameter på cirka 100 till 500 nanometer.

För att omvandla solljus till användbar el kräver solceller två olika typer av halvledare. När fotoner träffar järnsulfiden exciteras elektroner i föreningen - men de negativa laddningarna kan inte flöda ut ur cellen och in i en extern krets om inte en förening med olika elektriska egenskaper drar bort de positiva laddningarna, så kallade hål. En kandidat för jobbet är kopparsulfid, ett annat billigt och rikligt material som Wadia har gjort till nanokristaller i samarbete med Yue Wu, nu biträdande professor i kemiteknik vid Purdue University.

Wadia syntetiserar nanokristallerna av kopparsulfid genom att injicera koppar- och sulfidsalter och ett ytaktivt ämne i en trehalsad kolv över en värmeplatta; När en magnetisk omrörarstav snurrar inuti bildas nanopartiklar av föreningen. Efter att ha tagit bort det ytaktiva medlet och återsuspenderat nanopartiklarna i kloroform, överför han dem till ett handskfack. Inuti finns ett glasflis, cirka 2,5 centimeter i kvadrat, som har belagts med ett tunt lager indiumtennoxid, som fungerar som en elektrisk kontakt. Wadia placerar glasskivan på en liten skiva och pipetterar den bläcksvarta suspensionen av pyritnanokristaller på den. Han startar skivan att snurra snabbt i en minut för att sprida nanokristallerna i ett jämnt lager. Sedan placerar han chipet på en värmeplatta och värmer det i 10 till 15 minuter för att fixera partiklarna på ytan.

Efter att Wadia upprepat processen med kopparsulfidlösningen täcks den nedre elektriska kontakten av nanopartikelskikten. Han ger chippet ett snabbt svep med en vanlig bomullspinne för att återexponera en remsa av indiumtennoxiden som fungerar som den nedre elektriska kontakten för cellen. Han täcker sedan chipet med en mask, eller stencil, som skisserar två uppsättningar av fyra rutor med rektangulära svansar. Wadia placerar chipet och en liten bit av solid aluminium inuti en termisk förångare som ser ut som en metallklockburk. När han försluter burken värmer han upp den; aluminiumet avdunstar och när det svalnar lägger det sig på de exponerade delarna av chipet. Detta skapar åtta fyrkantiga elektriska kontakter med svansar som leder till kanten av chippet.

Pyrit ser ljuset
Chipet är nu klart för testning. Wadia skruvar loss en solcellstestare, placerar chippet inuti och skruvar ihop det igen. Han belyser den sedan med ljus som efterliknar fördelningen av våglängder som finns i solljus. När ljuset träffar chippet mäter systemet strömmen, spänningen över chippet och andra egenskaper. En skärm visar en plot av strömmen som går genom cellen mot spänningen som går över den. Hittills har de pyritbaserade cellerna visat sig vara en besvikelse i deras prestanda, även om Berkeley-forskarna har använt kopparsulfid i kombination med kadmiumsulfid för att göra celler som har en effektivitet på 1,6 procent. Det är inte tillräckligt bra för praktisk användning, men resultaten är tillräckligt lovande för att motivera fortsatt arbete med tekniken.

Celler som innehåller pyrit skulle vara att föredra eftersom materialet är mindre giftigt och billigare att utvinna än kadmiumföreningar. När pyritnanopartiklarna snurras på chipet tenderar dock nanoskaliga nålhål att bildas. För elektroner ser sådana små luckor ut som Grand Canyon - de kan inte korsa och migrera in i den externa elektriska kretsen. Istället tunnelerar elektronerna ner till bottenelektroden, vilket gör att cellen kortsluts.

Det är svårt att göra bra pyritfilmer eftersom nanokristallerna tenderar att sjunka till botten av vilken vätska som helst. Ju bättre en partikel är suspenderad, desto mjukare film kommer den att bilda. Wadia tror att mindre partiklar kan leda till bättre suspensioner: pyritpartiklarna är 20 till 100 gånger så stora som kopparsulfidpartiklarna, som är cirka fem nanometer i diameter. Wadia försöker allt han kan för att göra dem mindre, inklusive att mekaniskt pressa eller slipa dem och mixtra med reaktionsförhållandena. Han samarbetar också med bioingenjörer vid Lawrence Berkeley National Laboratory för att genmanipulera virus så att de samlar pyritnanopartiklar på sina pälsar; nästa steg skulle vara att få virusen att rada upp sig till enhetliga filmer.

Wadia erkänner att han fortfarande är många år ifrån att göra en effektiv solcell med pyrit nanokristaller. Men i slutändan är hans mål att producera en cell som är tillräckligt billig för att göra solenergi till den dominerande kraftkällan. Han säger, jag behöver bara vetenskapen för att fungera.

Dölj