Mijnbouw Fool's Gold voor zonne-energie

Fool's gold, ook wel pyriet of ijzersulfide genoemd, kan bijna overal worden opgegraven, van de heuvels van Californië tot de dorpen van de provincie Yunnan in China. Maar in plaats van pyriet op te graven, maakt onderzoeker Cyrus Wadia pure nanodeeltjes van de verbinding uit ijzer- en zwavelzouten in zijn laboratorium aan de University of California, Berkeley. Zijn uiteindelijke doel is om van het goud van de dwaas een echte schat te maken: een goedkope zonnecel.

Tegenwoordig zijn de meeste zonnecellen gemaakt van silicium, maar ze zijn duur: hoewel silicium in overvloed aanwezig is, vereist het omzetten ervan in fotovoltaïsche cellen een uitgebreide, energie-intensieve verwerking. Materialen zoals cadmiumtelluride en koper-indium-galliumdiselenide zijn eenvoudiger te verwerken, wat resulteert in dunnefilmcellen die minder kosten om te produceren. Maar de elementen die nodig zijn om deze verbindingen te maken, zoals tellurium en gallium, zijn te zeldzaam om aan de wereldwijde energiebehoefte te voldoen.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van november 2009

• Zie de rest van het probleem
• Abonneren

Dus deed Wadia een studie van mogelijke zonnecelmaterialen, waarbij hij niet alleen hun scheikunde en natuurkunde onderzocht, maar ook hun beschikbaarheid. Een van de hoogtepunten was het goud van de dwaas: het is overvloedig en goedkoop, en het heeft optische eigenschappen waarmee het zonlicht efficiënt kan omzetten in elektriciteit. Het theoretische rendement van ijzersulfide is 31 procent. Dat is zo goed als silicium, zegt Wadia. Bovendien kan 20 nanometer pyriet evenveel licht absorberen als 300 micrometer silicium. Omdat het zoveel meer licht absorbeert, kunnen er dunnere cellen van worden gemaakt, waarvoor minder grondstof nodig is.

Matthew Beard, een senior wetenschapper bij het National Renewable Energy Laboratory in Golden, CO, denkt dat Wadia en zijn collega's een overtuigend argument presenteren voor het nastreven van deze materialen. Hoewel de zeldzaamheid van de elementen die in nieuwere dunne films worden gebruikt, momenteel geen probleem is, zal dit op de lange termijn wel het geval zijn, zegt Beard. Ondertussen vormen ze een meer direct probleem: sommige zijn giftig. Deze nadelen maken het de moeite waard om alternatieven zoals pyriet te ontwikkelen.

Eerdere pogingen om zonnecellen te bouwen met pyriet produceerden apparaten die op zijn best slechts 2,8 procent van het zonlicht in elektriciteit konden omzetten. Wadia denkt dat het lage rendement te wijten is aan inconsistenties in de kristalstructuur van het pyriet. Hij maakt als eerste nanodeeltjes van pyriet en zijn methode levert pyrietkristallen op met een uniforme, gunstige structuur. Het resulterende materiaal zal volgens hem beter presteren dan conventioneel pyriet in zonnecellen.

Kristallijne creaties
De kristalstructuur van pyriet kan verschillende vormen aannemen. Slechts één ervan heeft echter de elektrische eigenschappen die pyriet tot een goed materiaal voor zonne-energie maken, en er zijn precies de juiste pH en temperatuur nodig om een ​​oplossing van nanokristallen te genereren die uitsluitend in die vorm bestaan. Om de kristallen te maken pipettert Wadia krijt-oranje ijzerzouten, heldere sulfidezouten en een sprankelende, iriserende oppervlakteactieve stof in een met teflon beklede metalen cilinder. De oppervlakteactieve stof zorgt ervoor dat de deeltjes niet klonteren terwijl ze groeien. Hij sluit de cilinder af in een autoclaafcontainer en bakt deze vier uur op 200 °C. Nadat hij het eruit heeft gehaald, schroeft Wadia de bus los en onthult een heldere vloeistof met een zwarte laag aan de onderkant: pure pyriet-nanokristallen met een diameter van ongeveer 100 tot 500 nanometer.

Om zonlicht om te zetten in bruikbare elektriciteit hebben zonnecellen twee verschillende soorten halfgeleiders nodig. Wanneer fotonen het ijzersulfide raken, worden elektronen in de verbinding geëxciteerd, maar die negatieve ladingen kunnen niet uit de cel en in een extern circuit stromen tenzij een verbinding met verschillende elektrische eigenschappen de positieve ladingen, gaten genaamd, wegtrekt. Een kandidaat voor de baan is kopersulfide, een ander goedkoop en overvloedig materiaal dat Wadia tot nanokristallen heeft gemaakt in samenwerking met Yue Wu, nu een assistent-professor chemische technologie aan de Purdue University.

Wadia synthetiseert de nanokristallen van kopersulfide door koper- en sulfidezouten en een oppervlakteactieve stof te injecteren in een driehalskolf boven een hete plaat; terwijl een magnetische roerstaaf naar binnen draait, vormen nanodeeltjes van de samengestelde vorm. Nadat hij de oppervlakteactieve stof heeft verwijderd en de nanodeeltjes opnieuw heeft gesuspendeerd in chloroform, brengt hij ze over in een handschoenenkastje. Binnenin zit een glaschip, ongeveer 2,5 centimeter in het vierkant, die is bedekt met een dunne laag indiumtinoxide, die als elektrisch contact fungeert. Wadia plaatst de glaschip op een schijfje en pipetteert de inktzwarte suspensie van pyriet-nanokristallen erop. Hij laat de schijf een minuut snel draaien om de nanokristallen in een gelijkmatige laag te verspreiden. Vervolgens legt hij de chip op een hete plaat en verwarmt deze gedurende 10 tot 15 minuten om de deeltjes aan het oppervlak te fixeren.

Nadat Wadia het proces met de kopersulfideoplossing heeft herhaald, wordt het onderste elektrische contact bedekt door de nanodeeltjeslagen. Hij geeft de chip een snelle veegbeweging met een gewoon wattenstaafje om een ​​strook van het indiumtinoxide dat als het onderste elektrische contact voor de cel fungeert, opnieuw bloot te leggen. Vervolgens bedekt hij de chip met een masker, of stencil, dat twee sets van vier vierkanten met rechthoekige staarten omlijnt. Wadia plaatst de chip en een klein stukje massief aluminium in een thermische verdamper die eruitziet als een metalen stolp. Nadat hij de pot heeft verzegeld, verwarmt hij hem; het aluminium verdampt en terwijl het afkoelt, bezinkt het op de blootgestelde delen van de chip. Hierdoor ontstaan ​​acht vierkante elektrische contacten met staarten die naar de rand van de chip leiden.

Pyriet ziet het licht
De chip is nu klaar om getest te worden. Wadia schroeft een zonneceltester los, plaatst de chip erin en schroeft hem weer in elkaar. Vervolgens verlicht hij het met licht dat de verdeling van golflengten in zonlicht nabootst. Wanneer het licht de chip raakt, meet het systeem de stroom, de spanning over de chip en andere eigenschappen. Een scherm toont een grafiek van de stroom die door de cel loopt tegen de spanning die erover loopt. Tot nu toe zijn de op pyriet gebaseerde cellen teleurstellend gebleken in hun prestaties, hoewel de Berkeley-onderzoekers kopersulfide in combinatie met cadmiumsulfide hebben gebruikt om cellen te maken met een efficiëntie van 1,6 procent. Dat is niet goed genoeg voor praktisch gebruik, maar de resultaten zijn veelbelovend genoeg om voortzetting van het werk aan de technologie te rechtvaardigen.

Cellen waarin pyriet is verwerkt verdienen de voorkeur omdat het materiaal minder toxisch is en goedkoper te winnen is dan cadmiumverbindingen. Wanneer de pyriet-nanodeeltjes op de chip worden gesponnen, hebben zich echter gaatjes op nanoschaal gevormd. Voor elektronen zien zulke minuscule openingen eruit als de Grand Canyon - ze kunnen niet oversteken en migreren naar het externe elektrische circuit. In plaats daarvan tunnelen de elektronen naar de onderste elektrode, waardoor de cel kortsluit.

Het is moeilijk om goede pyrietfilms te maken omdat de nanokristallen de neiging hebben naar de bodem van een vloeistof te zinken. Hoe beter een deeltje is gesuspendeerd, hoe gladder de film die het zal vormen. Wadia denkt dat kleinere deeltjes tot betere suspensies kunnen leiden: de pyrietdeeltjes zijn 20 tot 100 keer zo groot als de kopersulfidedeeltjes, die ongeveer vijf nanometer groot zijn. Wadia doet er alles aan om ze kleiner te maken, onder andere door ze mechanisch te persen of te malen en te sleutelen aan reactiecondities. Hij werkt ook samen met bio-ingenieurs van het Lawrence Berkeley National Laboratory om virussen genetisch te manipuleren, zodat ze pyriet-nanodeeltjes op hun jassen verzamelen; de volgende stap zou zijn om de virussen op één lijn te krijgen in uniforme films.

Wadia erkent dat hij nog vele jaren verwijderd is van het maken van een efficiënte zonnecel met nanokristallen van pyriet. Maar uiteindelijk is zijn doel om een ​​cel te produceren die goedkoop genoeg is om van zonne-energie de dominante energiebron te maken. Hij zegt: ik heb alleen de wetenschap nodig om te werken.

zich verstoppen