Zonnecellen uit de magnetron

Metallurgen van de University of Utah hebben met een gewone, oude magnetronoven een nanokristal-halfgeleider gemaakt van goedkope overvloedig beschikbare en minder giftige metalen dan voor andere halfgeleiders. Ze hopen dat het wordt gebruikt voor meer efficiënte fotovoltaïsche zonnecellen, led's, biologische sensoren en systemen om afvalwarmte om te zetten in elektriciteit.

Het gebruik van microgolven "is een snelle manier om zulke deeltjes voor een breed scala aan toepassingen te maken", zegt metallurgie-hoogleraar Michael Free. "We hopen dat er binnen de komende vijf jaar een paar commerciële producten mee zullen worden gemaakt, en we gaan door met het zoeken naar toepassingen en verbeteringen. Het is een goede markt, maar we weten niet precies waar het heen zal gaan."

CZTS 

Free en zijn collega Prashant Sarswat beschrijven hun halfgeleider - CZTS genaamd, ofwel koper, zink, tin en zwavel - in de juni-editie van het Journal of Crystal Growth. Bij hun onderzoek bepaalden zij de optimale tijd die nodig is om de meest uniforme CZTS-kristallen te verkrijgen: 18 minuten in de magnetron. Ook moesten ze vaststellen of het materiaal inderdaad CZTS was; dat gebeurde met een aantal tests, zoals röntgenkristallografie, elektronenmicroscopie, atoomkrachtmicroscopie en UV-spectroscopie. Verder bouwden ze een kleine zonnecel om te bevestigen dat het materiaal werkt en om te demonstreren dat kleinere nanokristallen ‘kwantum-opsluiting'*) vertonen, een eigenschap met veel toepassingsmogelijkheden.

Milieuvriendelijk

"Het is niet makkelijk om het materiaal te maken", zegt Sarswat. "Er kunnen veel ongewenste samenstellingen ontstaan als het niet op de juiste manier gebeurt." De ingrediënten die worden gebruikt voor CZTS zijn volgens Sarswat veel milieuvriendelijker dan de materialen voor gangbare fotovoltaïsche halfgeleiders, waar uiterst toxisch cadmium en arseen in zit. En Free voegt daar aan toe dat ze ook veel goedkoper zijn en in vel grotere mate beschikbaar dan alternatieven als indium en gallium.

CZTS is niet nieuw, het is al in 1967 uitgevonden door Zwitserse onderzoekers, die echter een andere vervaardigingsmethode gebruikten. Andere onderzoekers ontdekten in 1998 dat het kan worden gebruikt als fotovoltaïsch materiaal. Maar tot voor kort is er niet veel aandacht aan het materiaal besteed, aldus Sarswat.

Competitie

Zonder het aanvankelijk zelf te weten, zaten Free en Sarswat in een competitiestrijd bij het ontwikkelen van de microgolfmethode. Ook een groep onderzoekers van de Oregon State University was er meer bezig. Sarswat gebruikte de magnetronmethode voor het eerst in 2011 en deponeerde de uitvinding samen met Free in 2012. Maar de andere groep was hen voor met publicatie, in augustus 2012.

CZTS werd voorheen op verschillende manieren gemaakt; bij de meeste daarvan duurde het vier tot vijf uur om een dunne film van het materiaal te maken, dat bekend is onder de technische term p-type fotovoltaïsche absorber en dat de actieve laag vormt in een zonnecel. Met een recentere methode, zogeheten colloïdale synthese, worden de kristallen bereid als een suspensie in een vloeistof door de ingrediënten te verhitten in een grote fles - en dat brengt de productietijd terug tot 45 tot 90 minuten. Met de magnetron beginne de eerste kristallen al te ontstaan na 8 minuten, 18 minuten bleek de optimale bereidingstijd.

Lunchruimte

Sarswat besloot om de magnetron te gebruiken toen er een nieuwe werd aangeschaft in de lunchruimte van zijn afdeling op de universiteit.

"Onze afdelingssecretaresse wilde de oude weggooien', zegt Sarswat. "En zo zie je maar dat een oude magnetron al voldoende is om de CZTS-halfgeleider te maken", constateert Free. "Maar probeer het niet thuis, je moet heel voorzichtig zijn als je dit soort materialen in een magnetron stopt."

*) Kwantumopsluiting betekent dat de nanokristallen kunnen worden ‘afgestemd' om licht uit te stralen op specifieke golflengten, waardoor dergelijk materiaal potentieel geschikt is voor een variëteit aan toepassingen, waaronder efficiëntere led's. Materialen met kwantumopsluiting zijn veelzijdig omdat ze een afstembare bandafstand hebben, een aanpasbare hoeveelheid energie die nodig is om het materiaal te activeren om licht of elektriciteit te genereren.