Mining Fool’s Gold saules enerģijas ieguvei

Muļķu zeltu, ko sauc arī par pirītu vai dzelzs sulfīdu, var atrast gandrīz jebkur, sākot no Kalifornijas pakalniem līdz Ķīnas Junaņas provinces ciemiem. Bet tā vietā, lai izraktu pirītu, pētnieks Sairuss Vadija savā laboratorijā Kalifornijas Universitātē Bērklijā no dzelzs un sēra sāļiem izgatavo tīras savienojuma nanodaļiņas. Viņa galvenais mērķis ir pārvērst muļķa zeltu par īstu dārgumu: lētu saules bateriju.

Mūsdienās lielākā daļa saules bateriju ir izgatavotas no silīcija, taču tās ir dārgas: lai gan silīcijs ir daudz, lai to pārvērstu par fotoelementu, ir nepieciešama plaša un energoietilpīga apstrāde. Materiālus, piemēram, kadmija telurīdu un vara indija gallija diselenīdu, ir vieglāk apstrādāt, iegūstot plānslāņa šūnas, kuru ražošana maksā lētāk. Taču elementi, kas nepieciešami šo savienojumu ražošanai, piemēram, telūrs un gallijs, ir pārāk reti, lai apmierinātu globālās enerģijas prasības.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2009. gada novembra numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Tāpēc Vadija veica pētījumu par iespējamiem saules bateriju materiāliem, pārbaudot ne tikai to ķīmiju un fiziku, bet arī to pieejamību. Viens no izcilākajiem bija muļķu zelts: tas ir bagātīgs un lēts, un tam ir optiskās īpašības, kas ļauj tai efektīvi pārvērst saules gaismu elektrībā. Dzelzs sulfīda teorētiskā efektivitāte ir 31 procents. Tas ir tikpat labi kā silīcijs, saka Vadija. Turklāt 20 nanometri pirīta var absorbēt tikpat daudz gaismas kā 300 mikrometri silīcija. Tā kā tas absorbē daudz vairāk gaismas, no tā var izgatavot plānākas šūnas, kurām nepieciešams mazāk izejvielu.

Metjū Bērds, vecākais zinātnieks Nacionālās atjaunojamās enerģijas laboratorijā Golden, CO, uzskata, ka Vadija un viņa kolēģi ir pārliecinoši pierādījumi šo materiālu meklēšanai. Lai gan jaunākās plānās plēvēs izmantoto elementu retums pašlaik nav problēma, ilgtermiņā tā būs problēma, saka Bērda. Tikmēr tie rada tūlītēju problēmu: daži no tiem ir toksiski. Šo trūkumu dēļ ir vērts izstrādāt tādas alternatīvas kā pirīts.

Iepriekšējie centieni būvēt saules baterijas ar pirītu radīja ierīces, kas labākajā gadījumā tikai 2,8 procentus saules gaismas pārveidoja elektrībā. Vadija domā, ka zemā efektivitāte ir saistīta ar pirīta kristāla struktūras neatbilstībām. Viņš ir pirmais, kas izgatavo pirīta nanodaļiņas, un viņa metodes rezultātā tiek iegūti pirīta kristāli ar viendabīgu, labvēlīgu struktūru. Pēc viņa domām, iegūtais materiāls pārspēs parasto pirītu saules baterijās.

Kristāliskie radījumi
Pirīta kristāliskajai struktūrai var būt vairākas formas. Tomēr tikai vienam no tiem ir elektriskās īpašības, kas padara pirītu par labu saules materiālu, un ir nepieciešams tikai pareizais pH un temperatūra, lai radītu nanokristālu šķīdumu, kas pastāv tikai šādā formā. Lai izveidotu kristālus, Wadia ar pipeti iepilina krīta-oranžu dzelzs sāļus, dzidrus sulfīda sāļus un burbuļojošu, zaigojošu virsmaktīvo vielu ar teflonu pārklātā metāla cilindrā. Virsmaktīvā viela neļauj daļiņām salipt, tām augot. Viņš noslēdz cilindru autoklāva traukā un cep to 200 °C četras stundas. Pēc tam, kad viņš to izņem, Vadija atskrūvē tvertni, atklājot dzidru šķidrumu ar melnu slāni apakšā: tīrus pirīta nanokristālus, kuru diametrs ir aptuveni 100 līdz 500 nanometri.

Lai saules gaismu pārvērstu izmantojamā elektroenerģijā, saules baterijām ir nepieciešami divu dažādu veidu pusvadītāji. Kad fotoni saskaras ar dzelzs sulfīdu, savienojumā esošie elektroni tiek satraukti, taču šie negatīvie lādiņi nevar izplūst no šūnas un nonākt ārējā ķēdē, ja vien savienojums ar atšķirīgām elektriskām īpašībām neizrauj pozitīvos lādiņus, ko sauc par caurumiem. Viens kandidāts šim darbam ir vara sulfīds, vēl viens lēts un bagātīgs materiāls, ko Wadia ir padarījusi nanokristālus sadarbībā ar Yue Wu, tagad Purdjū universitātes ķīmijas inženierijas docentu.

Wadia sintezē vara sulfīda nanokristālus, injicējot vara un sulfīda sāļus un virsmaktīvo vielu trīs kaklu kolbā virs sildvirsmas; magnētiskajam maisīšanas stienim griežoties iekšpusē, veidojas savienojuma nanodaļiņas. Pēc virsmaktīvās vielas noņemšanas un nanodaļiņu atkārtotas suspendēšanas hloroformā viņš pārvieto tās cimdu nodalījumā. Iekšpusē ir apmēram 2,5 centimetrus kvadrātveida stikla skaida, kas pārklāta ar plānu indija alvas oksīda kārtu, kas darbojas kā elektrisks kontakts. Vadija uzliek stikla šķembu uz maza diska un ar pipeti uzliek pirīta nanokristālu tintes melno suspensiju. Viņš uz minūti sāk disku strauji griezties, lai nanokristāli izplatītos vienmērīgā slānī. Pēc tam viņš uzliek mikroshēmu uz sildvirsmas un karsē to 10 līdz 15 minūtes, lai daļiņas nostiprinātos uz tās virsmas.

Pēc tam, kad Wadia atkārto procesu ar vara sulfīda šķīdumu, apakšējo elektrisko kontaktu pārklāj nanodaļiņu slāņi. Viņš ātri pavelk mikroshēmu ar vienkāršu vates tamponu, lai atkal atklātu indija alvas oksīda sloksni, kas darbojas kā šūnas apakšējais elektriskais kontakts. Pēc tam viņš pārklāj mikroshēmu ar masku vai trafaretu, kas iezīmē divus četru kvadrātu komplektus ar taisnstūrveida astēm. Wadia ievieto mikroshēmu un nelielu cieta alumīnija gabalu termiskā iztvaicētājā, kas izskatās kā metāla zvana burka. Pēc tam, kad viņš aizzīmogo burku, viņš to uzsilda; alumīnijs iztvaiko, un, atdziestot, tas nosēžas uz skaidas atklātajām daļām. Tādējādi tiek izveidoti astoņi kvadrātveida elektriskie kontakti ar astēm, kas ved uz mikroshēmas malu.

Pirīts redz gaismu
Tagad mikroshēma ir gatava pārbaudei. Wadia atskrūvē saules bateriju testeri, ievieto mikroshēmu un saskrūvē to kopā. Pēc tam viņš to apgaismo ar gaismu, kas atdarina saules gaismā sastopamo viļņu garumu sadalījumu. Kad gaisma skar mikroshēmu, sistēma mēra strāvu, spriegumu visā mikroshēmā un citas īpašības. Ekrāns parāda diagrammu, kurā strāva plūst cauri šūnai pret spriegumu, kas plūst pāri. Līdz šim pirīta bāzes šūnas ir izrādījušas vilšanos savā darbībā, lai gan Bērklija pētnieki ir izmantojuši vara sulfīdu kombinācijā ar kadmija sulfīdu, lai izveidotu šūnas, kuru efektivitāte ir 1,6%. Tas nav pietiekami labs praktiskai lietošanai, taču rezultāti ir pietiekami daudzsološi, lai attaisnotu turpināt darbu pie tehnoloģijas.

Priekšroka dodama šūnām, kurās ir pirīts, jo materiāls ir mazāk toksisks un lētāk atgūstams nekā kadmija savienojumi. Tomēr, kad pirīta nanodaļiņas tiek uzgrieztas uz mikroshēmas, mēdz veidoties nanomēroga caurumi. Elektroniem šādas nelielas spraugas izskatās kā Lielais kanjons — tie nevar šķērsot un migrēt ārējā elektriskā ķēdē. Tā vietā elektroni virzās uz leju līdz apakšējam elektrodam, izraisot šūnas īssavienojumu.

Ir grūti izveidot labas pirīta plēves, jo nanokristāliem ir tendence nogrimt jebkura šķidruma dibenā. Jo labāk daļiņa tiek suspendēta, jo gludāku plēvi tā veidos. Vadija uzskata, ka mazākas daļiņas var radīt labākas suspensijas: pirīta daļiņas ir 20 līdz 100 reizes lielākas par vara sulfīda daļiņām, kuru diametrs ir aptuveni pieci nanometri. Vadija dara visu iespējamo, lai padarītu tos mazākus, tostarp mehāniski presējot vai slīpējot un mainot reakcijas apstākļus. Viņš arī sadarbojas ar Lorensa Bērklija Nacionālās laboratorijas bioinženieriem, lai ģenētiski izstrādātu vīrusus tā, lai tie uzkrātu pirīta nanodaļiņas uz viņu apvalka; nākamais solis būtu panākt, lai vīrusi sakārtotos vienotās filmās.

Vadija atzīst, ka viņam vēl ir daudz gadu attālumā, lai izveidotu efektīvu saules bateriju ar pirīta nanokristāliem. Tomēr galu galā viņa mērķis ir ražot elementu, kas ir pietiekami lēts, lai padarītu saules enerģiju par dominējošo enerģijas avotu. Viņš saka: man tikai vajadzīga zinātne, lai strādātu.

paslēpties