Mining Fool's Gold saulės energijai

Kvailio auksas, dar vadinamas piritu arba geležies sulfidu, gali būti atkastas beveik bet kur – nuo ​​Kalifornijos kalvų iki Yunnan provincijos kaimų Kinijoje. Tačiau užuot kasęs piritą, mokslininkas Cyrusas Wadia savo laboratorijoje Kalifornijos universitete Berklyje iš geležies ir sieros druskų gamina grynas junginio nanodaleles. Jo galutinis tikslas yra kvailio auksą paversti tikru lobiu: nebrangiu saulės elementu.

Šiandien dauguma saulės elementų yra pagaminti iš silicio, tačiau jie yra brangūs: nors silicio yra gausu, norint jį paversti fotovoltiniais elementais, reikia didelio ir daug energijos reikalaujančio apdorojimo. Medžiagas, tokias kaip kadmio teluridas ir vario indžio galio diselenidas, apdirbti lengviau, todėl gaunamos plonasluoksnės ląstelės, kurių gamyba kainuoja pigiau. Tačiau šių junginių gamybai reikalingi elementai, tokie kaip telūras ir galis, yra per reti, kad patenkintų pasaulinius energijos poreikius.

Ši istorija buvo mūsų 2009 m. lapkričio mėn. numerio dalis

• Žr. likusią numerio dalį
• Prenumeruoti

Taigi Wadia atliko galimų saulės elementų medžiagų tyrimą, nagrinėdama ne tik jų chemiją ir fiziką, bet ir jų prieinamumą. Vienas iš išskirtinių buvo kvailas auksas: jo gausu ir pigu, be to, jis turi optinių savybių, leidžiančių efektyviai saulės šviesą paversti elektra. Geležies sulfido teorinis efektyvumas yra 31 proc. Tai taip pat gerai, kaip silicis, sako Wadia. Be to, 20 nanometrų pirito gali sugerti tiek šviesos, kiek 300 mikrometrų silicio. Kadangi jis sugeria daug daugiau šviesos, iš jo galima pagaminti plonesnes ląsteles, kurioms reikia mažiau žaliavos.

Matthew Beardas, vyresnysis mokslininkas iš Nacionalinės atsinaujinančios energijos laboratorijos Golden, CO, mano, kad Wadia ir jo kolegos pateikia įtikinamą pavyzdį, kaip ieškoti šių medžiagų. Nors naujesnėse plonose plėvelėse naudojamų elementų retumas šiuo metu nėra problema, ilgainiui tokia problema bus, sako Beardas. Tuo tarpu jie kelia tiesioginę problemą: kai kurie iš jų yra toksiški. Dėl šių trūkumų verta kurti tokias alternatyvas kaip piritas.

Ankstesnės pastangos statyti saulės elementus iš pirito gamino įrenginius, kurie geriausiu atveju tik 2,8 procento saulės šviesos pavertė elektra. Wadia mano, kad mažas efektyvumas yra dėl pirito kristalinės struktūros nenuoseklumo. Jis pirmasis pagamino pirito nanodaleles, o jo metodu gaunami vienodos, palankios struktūros pirito kristalai. Jo nuomone, gauta medžiaga pranoks įprastą piritą saulės elementuose.

Kristaliniai kūriniai
Pirito kristalinė struktūra gali būti kelių formų. Tačiau tik vienas iš jų turi elektrinių savybių, dėl kurių piritas yra gera saulės medžiaga, todėl reikia tik tinkamo pH ir temperatūros, kad susidarytų tik tokios formos nanokristalų tirpalas. Kad kristalai būtų pagaminti, Wadia pipete įpila kreidos oranžinės spalvos geležies druskas, skaidrias sulfido druskas ir burbuliuojančią, vaivorykštę paviršinio aktyvumo medžiagą į teflonu išklotą metalinį cilindrą. Paviršinio aktyvumo medžiaga neleidžia dalelėms susikaupti joms augant. Jis sandariai uždaro cilindrą autoklave esančioje talpykloje ir keturias valandas kepa 200 °C temperatūroje. Jį išėmęs Wadia atsuka kanistrą, atidengdamas skaidrų skystį su juodu sluoksniu apačioje: grynų pirito nanokristalų, kurių skersmuo yra apie 100–500 nanometrų.

Kad saulės šviesą paverstų naudojama elektros energija, saulės elementams reikia dviejų skirtingų tipų puslaidininkių. Kai fotonai patenka į geležies sulfidą, junginyje esantys elektronai sužadinami, tačiau tie neigiami krūviai negali ištekėti iš ląstelės ir į išorinę grandinę, nebent junginys, turintis skirtingas elektrines savybes, pašalina teigiamus krūvius, vadinamus skylėmis. Vienas kandidatas į šį darbą yra vario sulfidas, kita pigi ir gausi medžiaga, kurią Wadia, bendradarbiaudama su Yue Wu, dabar chemijos inžinerijos docentu Purdue universitete, pagamino į nanokristalus.

Wadia sintetina vario sulfido nanokristalus, įpurškdama vario ir sulfido druskas bei paviršinio aktyvumo medžiagą į trijų kaklelių kolbą virš kaitvietės; Kai magnetinis maišymo strypas sukasi viduje, susidaro junginio nanodalelės. Pašalinęs paviršinio aktyvumo medžiagą ir nanodaleles resuspendavęs chloroforme, jis perkelia jas į pirštinių dėžutę. Viduje yra maždaug 2,5 kvadratinio centimetro stiklo drožlė, padengta plonu indžio alavo oksido sluoksniu, kuris veikia kaip elektrinis kontaktas. Wadia uždeda stiklo drožlę ant mažo disko ir pipete įpila ant jo juodos spalvos pirito nanokristalų suspensiją. Jis paleidžia diską minutę greitai suktis, kad nanokristalai pasiskirstytų tolygiu sluoksniu. Tada jis deda lustą ant kaitvietės ir kaitina 10–15 minučių, kad dalelės prisitvirtintų prie paviršiaus.

Po to, kai Wadia pakartoja procesą su vario sulfido tirpalu, apatinis elektrinis kontaktas yra padengtas nanodalelių sluoksniais. Jis greitai perbraukia lustą paprastu vatos tamponu, kad vėl atidengtų indžio alavo oksido juostelę, kuri veikia kaip apatinis elemento elektrinis kontaktas. Tada jis uždengia lustą kauke arba trafaretu, kuris nubrėžia du keturių kvadratų rinkinius su stačiakampėmis uodegomis. Wadia įdeda lustą ir nedidelį kieto aliuminio gabalėlį į terminį garintuvą, kuris atrodo kaip metalinis indelis. Uždarius stiklainį, jis jį pašildo; aliuminis išgaruoja, o vėsdamas nusėda ant atvirų lusto dalių. Taip sukuriami aštuoni kvadratiniai elektriniai kontaktai su uodegomis, vedančiais į lusto kraštą.

Piritas mato šviesą
Lustas dabar paruoštas bandymui. Wadia atsuka saulės elementų testerį, įdeda lustą į vidų ir vėl sujungia. Tada jis apšviečia jį šviesa, kuri imituoja saulės spindulių bangų ilgių pasiskirstymą. Kai šviesa patenka į lustą, sistema matuoja srovę, įtampą per lustą ir kitas savybes. Ekrane rodomas srovės, einančios per elementą, ir per ją tekančios įtampos diagrama. Iki šiol pirito pagrindu pagamintos ląstelės buvo nuviliančios, nors Berklio tyrėjai naudojo vario sulfidą kartu su kadmio sulfidu, kad pagamintų ląsteles, kurių efektyvumas yra 1,6 proc. Tai nėra pakankamai gera praktiniam naudojimui, tačiau rezultatai yra pakankamai perspektyvūs, kad pateisintų tolesnį darbą su technologija.

Pirmenybė teikiama ląstelėms, kuriose yra pirito, nes medžiaga yra mažiau toksiška ir pigiau atgaunama nei kadmio junginiai. Tačiau, kai pirito nanodalelės susukamos ant lusto, linkusios susidaryti nanoskalės skylutės. Elektronams tokie nedideli tarpai atrodo kaip Didysis kanjonas – jie negali kirsti ir migruoti į išorinę elektros grandinę. Vietoj to, elektronai tuneliu žemyn iki apatinio elektrodo, sukeldami elementą trumpąjį jungimą.

Sunku padaryti geras pirito plėveles, nes nanokristalai linkę nuskęsti į bet kokio skysčio dugną. Kuo geriau dalelė bus suspenduota, tuo lygesnė plėvelė susidarys. Wadia mano, kad mažesnės dalelės gali lemti geresnę suspensiją: pirito dalelės yra 20–100 kartų didesnės už vario sulfido daleles, kurių skersmuo yra maždaug penki nanometrai. Wadia daro viską, ką gali, kad jie būtų mažesni, įskaitant mechaninį presavimą ar šlifavimą ir reakcijos sąlygas. Jis taip pat bendradarbiauja su Lawrence'o Berkeley nacionalinės laboratorijos bioinžinieriais, siekdamas genetiškai modifikuoti virusus, kad jie kauptų pirito nanodaleles ant savo kailio; Kitas žingsnis būtų priversti virusus susidėlioti į vienodas plėveles.

Wadia pripažįsta, kad jam dar daug metų reikia sukurti veiksmingą saulės elementą su pirito nanokristalais. Tačiau galiausiai jo tikslas yra pagaminti elementą, kuris būtų pakankamai pigus, kad saulės energija taptų dominuojančiu energijos šaltiniu. Jis sako, kad man tiesiog reikia mokslo, kad dirbčiau.

paslėpti