Un pequeño prototipo de célula solar que utiliza CZTS, un semiconductor fotovoltaico que los metalúrgicos de la Universidad de Utah producían en un viejo horno de microondas que alguna vez calentaba los almuerzos de los estudiantes. Crédito:Lee J. Siegel, Universidad de Utah.
Los metalúrgicos de la Universidad de Utah utilizaron un antiguo horno de microondas para producir un semiconductor de nanocristales rápidamente utilizando metales abundantes y menos tóxicos que otros semiconductores. Esperan que se utilice para células solares fotovoltaicas y luces LED más eficientes, sensores y sistemas biológicos para convertir el calor residual en electricidad.
El uso de microondas "es una forma rápida de producir estas partículas que tienen una amplia gama de aplicaciones, "dice Michael Free, profesor de ingeniería metalúrgica. "Esperamos que en los próximos cinco años haya algunos productos comerciales de esto, y seguimos buscando aplicaciones y mejoras. Es un buen mercado pero no sabemos exactamente a dónde irá el mercado ".
Free y autor principal del estudio, Prashant Sarswat, un investigador asociado en ingeniería metalúrgica, están publicando su estudio del semiconductor fotovoltaico de microondas, conocido como CZTS para cobre, zinc, estaño y azufre - en la edición del 1 de junio de la Diario de crecimiento cristalino .
En el estudio, Determinaron el tiempo óptimo requerido para producir los cristales más uniformes del semiconductor CZTS (18 minutos en el horno de microondas) y confirmaron que el material era CZTS mediante el uso de una variedad de pruebas. como la cristalografía de rayos X, microscopio de electrones, microscopía de fuerza atómica y espectroscopía ultravioleta. También construyeron una pequeña celda solar fotovoltaica para confirmar que el material funciona y demostrar que los nanocristales más pequeños muestran "confinamiento cuántico, "una propiedad que los hace versátiles para diferentes usos.
"No es un material fácil de hacer, "Dice Sarswat. Hay muchos compuestos no deseados que pueden formarse si no se fabrican correctamente".
Sarswat dice que en comparación con los semiconductores fotovoltaicos que usan cadmio y arsénico altamente tóxicos, Los ingredientes del material fotovoltaico CZTS "son más respetuosos con el medio ambiente".
Free agrega:"Los materiales utilizados para esto tienen un costo mucho menor y están mucho más disponibles que las alternativas, "como el indio y el galio, que se utilizan a menudo en semiconductores.
Hacer un material viejo más rápidamente
Los investigadores suizos inventaron el CZTS por primera vez en 1967 utilizando otro método. Otros investigadores descubrieron en 1998 que podría servir como material fotovoltaico. Pero hasta hace poco "la gente no ha explorado mucho este material, "Dice Sarswat. CZTS pertenece a una familia de materiales llamados calcogenuros cuaternarios.
Sin saberlo al principio Free y Sarswat han estado en una carrera para desarrollar el método de microondas para hacer CZTS con un grupo de investigadores de la Universidad Estatal de Oregon. Sarswat sintetizó el material usando microondas en 2011. Free y Sarswat presentaron una divulgación de invención sobre su método en enero de 2012, pero el otro grupo los imprimió con un estudio publicado en agosto de 2012.
Esta imagen de microscopio electrónico de transmisión muestra un solo nanocristal del semiconductor CZTS disuelto en un disolvente orgánico. El nanocristal es apenas visible en el centro de la foto, con forma de paleta de tenis de mesa. El CZTS fue producido por investigadores de la Universidad de Utah utilizando un antiguo horno de microondas. Los investigadores de la Universidad de Oregon hicieron la imagen para sus colegas de Utah. Crédito:Centro de Caracterización y Materiales Avanzados de Oregon.
El método desarrollado por Sarswat y Free tiene algunas características únicas, incluyendo diferentes productos químicos "precursores" (sales de acetato en lugar de sales de cloruro) que se utilizan para iniciar el proceso de fabricación de CZTS y un disolvente diferente (oleilamina en lugar de etilenglicol).
Sarswat dice que muchos compuestos orgánicos se sintetizan con microondas, y Free notes microondas a veces se utilizan en metalurgia para extraer metal del mineral para su análisis. Dicen que el uso de microondas para procesar materiales es rápido y, a menudo, suprime las reacciones secundarias químicas no deseadas. "resultando en mayores rendimientos de los materiales deseados.
CZTS anteriormente se hizo utilizando varios métodos, pero muchos tomaron varios pasos y de cuatro a cinco horas para hacer una película delgada del material, conocido técnicamente como un "absorbedor fotovoltaico tipo p, "que es la capa activa de una célula solar para convertir la luz solar en electricidad.
Un método más reciente conocido como "síntesis coloidal" - preparar los cristales como una suspensión o "coloide" en un líquido calentando los ingredientes en un matraz grande - redujo el tiempo de preparación a 45 a 90 minutos.
Sarswat decidió probar la producción de CZTS en microondas cuando el Departamento de Ingeniería Metalúrgica de la Universidad de Utah decidió comprar un nuevo horno de microondas para la cocina donde los estudiantes calientan sus almuerzos y preparan café.
"Nuestra secretaria de departamento tenía un microondas para tirar, "por lo que Sarswat dice que lo tomó para reemplazar uno que se había quemado recientemente durante otros experimentos de laboratorio.
"La conclusión es que puede usar un simple horno microondas para fabricar el semiconductor CZTS, "Gratis dice, y agrega:"No lo hagas en casa. Debes tener cuidado al usar este tipo de materiales en el microondas".
Al controlar cuánto tiempo se cocinan en el microondas los ingredientes, los metalúrgicos podían controlar el tamaño de los nanocristales resultantes y, por tanto, sus posibles usos. La formación de CZTS comenzó después de 8 minutos en el microondas, pero los investigadores descubrieron que tenían un tamaño más uniforme después de 18 minutos.
Usos de un semiconductor de microondas
Para hacer CZTS, las sales de los metales se disuelven en un disolvente y luego se calientan en un microondas, formando una "tinta" que contiene nanocristales CZTS suspendidos. Luego, la "tinta" se puede pintar sobre una superficie y combinar con otros recubrimientos para formar una celda solar.
"Este [CZTS] es el relleno que es el corazón de las células solares, "dice Free." Es la capa absorbente, la capa activa, de la célula solar ".
Él dice que el semiconductor fotovoltaico CZTS fácil de fabricar se puede utilizar de manera más eficiente, diseños de células solares multicapa. Además, CZTS tiene otros usos potenciales, según Sarswat y Free:
El método de microondas produjo cristales que van desde 3 nanómetros a 20 nanómetros de tamaño, y el óptimo buscado por los investigadores estaba entre 7 nanómetros y 12 nanómetros, dependiendo del uso previsto para los cristales. Un nanómetro es una mil millonésima parte de un metro, o aproximadamente una 25 millonésima de pulgada.
Los cristales más grandes de CZTS constituyen un buen material fotovoltaico. Sarswat dice que el estudio también demostró que los cristales más pequeños de CZTS, los de menos de 5 nanómetros, tienen lo que se llama "confinamiento cuántico". "un cambio en las propiedades ópticas y electrónicas de un material cuando los cristales se vuelven lo suficientemente pequeños.
El confinamiento cuántico significa que los nanocristales se pueden "ajustar" para emitir luz de hacer que dicho material sea potencialmente útil para una amplia variedad de usos, incluyendo LEDs o diodos emisores de luz más eficientes para iluminación. Los materiales con confinamiento cuántico son versátiles porque tienen una "banda prohibida sintonizable, "una cantidad ajustable de energía requerida para activar un material para que emita luz o electricidad.
