211service.com
Těžba Fool’s Gold pro Solar
Bláznovo zlato, nazývané také pyrit nebo sulfid železa, lze objevit téměř kdekoli, od kopců v Kalifornii po vesnice provincie Yunnan v Číně. Ale místo aby vykopal pyrit, výzkumník Cyrus Wadia vyrábí čisté nanočástice sloučeniny ze solí železa a síry ve své laboratoři na University of California v Berkeley. Jeho konečným cílem je proměnit bláznovo zlato ve skutečný poklad: levný solární článek.
Dnes je většina solárních článků vyrobena z křemíku, ale jsou drahé: ačkoli je křemíku hojné, jeho přeměna na fotovoltaiku vyžaduje rozsáhlé a energeticky náročné zpracování. Materiály, jako je telurid kadmia a diselenid mědi a india a galia, se jednodušeji zpracovávají a poskytují tenkovrstvé články, jejichž výroba je levnější. Ale prvky potřebné k výrobě těchto sloučenin, jako je telur a gallium, jsou příliš vzácné na to, aby pokryly globální energetické požadavky.
Tento příběh byl součástí našeho vydání z listopadu 2009
- Viz zbytek čísla
- předplatit
Wadia tedy provedla studii možných materiálů solárních článků a zkoumala nejen jejich chemii a fyziku, ale také jejich dostupnost. Jednou z předností bylo bláznivé zlato: je hojné a levné a má optické vlastnosti, které mu umožňují účinně přeměňovat sluneční světlo na elektřinu. Teoretická účinnost sulfidu železa je 31 procent. To je stejně dobré jako křemík, říká Wadia. A co víc, 20 nanometrů pyritu dokáže absorbovat tolik světla jako 300 mikrometrů křemíku. Protože absorbuje mnohem více světla, lze z něj vyrobit tenčí články, které vyžadují méně suroviny.
Matthew Beard, vedoucí vědec z National Renewable Energy Laboratory v Golden, CO, si myslí, že Wadia a jeho kolegové představují přesvědčivý případ pro pronásledování těchto materiálů. Ačkoli vzácnost prvků používaných v novějších tenkých filmech není v současné době problémem, z dlouhodobého hlediska to bude, říká Beard. Mezitím představují bezprostřednější problém: některé z nich jsou toxické. Díky těmto nevýhodám stojí za to vyvinout alternativy, jako je pyrit.
Předchozí snahy o vybudování solárních článků s pyritem produkovaly zařízení, která v nejlepším případě přeměnila pouze 2,8 procenta slunečního světla na elektřinu. Wadia si myslí, že nízká účinnost je způsobena nekonzistentností v krystalové struktuře pyritu. Je první, kdo vyrábí nanočástice pyritu a jeho metoda vede k krystalům pyritu s jednotnou, příznivou strukturou. Věří, že výsledný materiál překoná konvenční pyrit v solárních článcích.
Krystalické výtvory
Krystalová struktura pyritu může mít několik podob. Pouze jeden z nich má elektrické vlastnosti, díky nimž je pyrit dobrým solárním materiálem, a k vytvoření roztoku nanokrystalů, které existují pouze v této formě, je zapotřebí správné pH a teplota. K výrobě krystalů Wadia pipetuje křídově oranžové železité soli, čiré sulfidové soli a bublinkovou, duhovou povrchově aktivní látku do teflonem potaženého kovového válce. Povrchově aktivní látka zabraňuje shlukování částic při jejich růstu. Válec uzavře do autoklávové nádoby a peče jej při 200 °C po dobu čtyř hodin. Poté, co ji vyjme, Wadia odšroubuje nádobku a objeví se čirá kapalina s černou vrstvou na dně: čisté pyritové nanokrystaly o průměru asi 100 až 500 nanometrů.
K přeměně slunečního světla na použitelnou elektřinu vyžadují solární články dva různé typy polovodičů. Když fotony narazí na sulfid železa, elektrony ve sloučenině jsou excitovány – ale tyto negativní náboje nemohou proudit z buňky do vnějšího obvodu, pokud sloučenina s odlišnými elektrickými vlastnostmi neodtáhne kladné náboje, nazývané díry. Jedním z kandidátů na tuto práci je sulfid mědi, další levný a hojný materiál, který Wadia vytvořila na nanokrystaly ve spolupráci s Yue Wu, nyní docentem chemického inženýrství na Purdue University.
Wadia syntetizuje nanokrystaly sulfidu měďnatého vstřikováním mědi a sulfidových solí a povrchově aktivní látky do tříhrdlé baňky přes horkou desku; když se uvnitř otáčí magnetické míchadlo, tvoří se nanočástice sloučeniny. Po odstranění povrchově aktivní látky a resuspendování nanočástic v chloroformu je přemístí do schránky na rukavice. Uvnitř je skleněný čip o velikosti asi 2,5 centimetru čtverečních, který byl potažen tenkou vrstvou oxidu india a cínu, který funguje jako elektrický kontakt. Wadia umístí skleněný čip na malý disk a napipetuje na něj inkoustově černou suspenzi nanokrystalů pyritu. Začne se disk minutu rychle otáčet, aby se nanokrystaly rozprostřely v rovnoměrné vrstvě. Poté čip položí na plotýnku a 10 až 15 minut zahřívá, aby se částice zafixovaly na jeho povrchu.
Poté, co Wadia opakuje proces s roztokem sulfidu mědi, je spodní elektrický kontakt pokryt vrstvami nanočástic. Rychlým dotykem čipu obyčejným vatovým tamponem znovu odkryje proužek oxidu india a cínu, který funguje jako spodní elektrický kontakt článku. Poté zakryje čip maskou nebo šablonou, která načrtne dvě sady čtyř čtverců s obdélníkovými ocasy. Wadia umístí čip a malý kousek pevného hliníku do tepelného výparníku, který vypadá jako kovová zvonová nádoba. Poté, co uzavře nádobu, zahřeje ji; hliník se vypařuje a při ochlazování se usazuje na odkrytých částech čipu. Vznikne tak osm čtvercových elektrických kontaktů s ocasy, které vedou k okraji čipu.
Pyrit vidí světlo
Čip je nyní připraven k testování. Wadia odšroubuje tester solárních článků, umístí čip dovnitř a přišroubuje jej zpět k sobě. Poté jej osvětlí světlem, které napodobuje rozložení vlnových délek slunečního světla. Když světlo dopadne na čip, systém změří proud, napětí na čipu a další vlastnosti. Na obrazovce se zobrazí graf proudu procházejícího článkem proti napětí, které přes něj prochází. Články na bázi pyritu se zatím ukázaly jako zklamání ve svém výkonu, i když vědci z Berkeley použili sulfid mědi v kombinaci se sulfidem kademnatým k výrobě článků, které mají účinnost 1,6 procenta. To není dost dobré pro praktické použití, ale výsledky jsou dostatečně slibné, aby ospravedlnily pokračující práci na technologii.
Články obsahující pyrit by byly výhodnější, protože materiál je méně toxický a jeho regenerace je levnější než sloučeniny kadmia. Když se však pyritové nanočástice stočí na čip, mají tendenci se tvořit nanočástice. Pro elektrony takové nepatrné mezery vypadají jako Grand Canyon – nemohou se křížit a migrovat do vnějšího elektrického obvodu. Místo toho se elektrony tunelují dolů ke spodní elektrodě, což způsobuje zkrat článku.
Je obtížné vytvořit dobré pyritové filmy, protože nanokrystaly mají tendenci klesat na dno jakékoli kapaliny. Čím lépe je částice suspendována, tím hladší film vytvoří. Wadia věří, že menší částice by mohly vést k lepším suspenzím: částice pyritu jsou 20 až 100krát větší než částice sulfidu mědi, které mají průměr asi pět nanometrů. Wadia zkouší vše, co může, aby je zmenšil, včetně mechanického lisování nebo broušení a pohrává si s reakčními podmínkami. Spolupracuje také s bioinženýry v Lawrence Berkeley National Laboratory na genetickém inženýrství virů tak, aby hromadily pyritové nanočástice na svých pláštích; dalším krokem by bylo přimět viry, aby se seřadily do jednotných filmů.
Wadia uznává, že je ještě mnoho let od výroby účinného solárního článku s pyritovými nanokrystaly. Nakonec je však jeho cílem vyrobit článek, který je dostatečně levný na to, aby se solární energie stala dominantním zdrojem energie. Říká, jen potřebuji, aby věda fungovala.