微波炉烹饪太阳能电池材料

2019-02-23 18:06:54
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犹他大学冶金学家使用旧的微波炉快速生产纳米晶体半导体,使用廉价,丰富且毒性较低的金属,而不是其他半导体。他们希望它将用于更高效的光伏太阳能电池和LED灯,生物传感器和系统,将废热转化为电能。

使用微波“是制造这些颗粒的一种快速方法,具有广泛的应用,”冶金工程教授Michael Free说。“我们希望在未来五年内会有一些商业产品,我们将继续寻求应用和改进。这是一个很好的市场,但我们并不知道市场的确切位置。”

Free和该研究的主要作者,冶金工程研究助理Prashant Sarswat正在发表他们对微波光伏半导体的研究 - 被称为CZTS的铜,锌,锡和硫 - 在6月1日的期刊上发表。晶体生长。

在这项研究中,他们确定了生产最均匀的CZTS半导体晶体所需的最佳时间 - 在微波炉中18分钟 - 并通过使用各种测试证实材料确实是CZTS,例如X射线晶体学,电子显微镜,原子力显微镜和紫外光谱。他们还建造了一个小型光伏太阳能电池,以确认该材料的工作原理,并证明较小的纳米晶体显示出“量子限制”,这种特性使其具有多种用途,可用于不同用途。

“这不是一件容易制作的材料,”Sarswat说。“如果制作不当,可能会形成许多不需要的化合物。”

Sarswat表示,与使用剧毒镉和砷的光伏半导体相比,CZTS光伏材料的成分“更加环保”。

免费增加:“用于此的材料成本低得多,并且比替代品更有用”,例如半导体中常用的铟和镓。

更快速地制作旧材料

瑞士研究人员于1967年首次使用另一种方法发明了CZTS。其他研究人员在1998年发现它可以作为光伏材料。但直到最近,“人们还没有非常探索这种材料,”Sarswat说。CZTS属于一系列名为季铵盐的物质。

一开始不知道,Free和Sarswat一直在与俄勒冈州立大学的一组研究人员一起开发制作CZTS的微波方法。Sarswat在2011年使用微波合成了这种材料.Free和Sarswat在2012年1月就其方法提交了一项发明披露,但是另一组在2012年8月发表的一项研究中将其打印成印刷品。

Sarswat和Free开发的方法具有一些独特的功能,包括用于开始制造CZTS和不同溶剂(油胺代替乙二醇)的不同“前体”化学品(醋酸盐代替氯化物盐)。

Sarswat表示,许多有机化合物是用微波合成的,有时用于冶金的自由微波微波从矿石中提取金属进行分析。他们说使用微波处理材料很快并且经常抑制不需要的化学“副反应”,从而导致所需材料的更高产率。

CZTS以前是用各种方法制造的,但是许多采用多步骤和四到五个小时来制作薄膜材料,技术上称为“p型光伏吸收器”,这是太阳能电池中的有源层转换阳光照射到电。

最近被称为“胶体合成”的方法 - 通过加热大瓶中的成分将液体制成液体中的悬浮液或“胶体” - 将制备时间缩短至45至90分钟。

当犹他州大学冶金工程系决定为厨房加热午餐和煮咖啡时,Sarswat决定尝试微波炉生产CZTS。

“我们的部门秘书用微波炉扔掉了,”所以Sarswat说他用它取代了最近在其他实验室试验中烧毁的微波炉。

“最重要的是你可以用一个简单的微波炉制作CZTS半导体,”Free说道,并补充道:“不要在家里做。在微波炉中使用这些材料时必须小心。”

通过控制它们对成分微波的时间,冶金学家可以控制所得纳米晶体的尺寸,从而控制它们的可能用途。在微波炉中8分钟后开始形成CZTS,但研究人员发现它们在18分钟后出现的大小最均匀。

用于微波半导体

为了制备CZTS,将金属盐溶解在溶剂中,然后在微波中加热,形成含有悬浮的CZTS纳米晶体的“墨水”。然后可以将“墨水”涂在表面上并与其他涂层结合以形成太阳能电池。

“这[CZTS]是太阳能电池的核心,”Free说。“它是太阳能电池的吸收层 - 活性层。”

他说,易于制造的CZTS光伏半导体可用于更高效的多层太阳能电池设计。此外,根据Sarswat和Free的说法,CZTS还有其他潜在的用途:

- 热电转换为电能,包括来自汽车和工业的废热,或者来自地面的热量,为军营提供动力。

- 生物传感器,通过将纳米晶体“墨水”涂在表面上并用有机分子使晶体敏化,使其能够检测体内酶活化时产生的小电流。Sarswat说,这些生物传感器可能在未来的测试中发挥作用,以帮助诊断心血管疾病,糖尿病和肾脏疾病。

- 作为各种电子产品中的电路元件,包括将热量转换为电能的设备。

- 利用太阳能分解水,为燃料电池生产氢气。

微波方法产生的晶体尺寸范围为3纳米至20纳米,研究人员所寻求的最佳晶体为7纳米至12纳米,具体取决于晶体的预期用途。纳米是十亿分之一米,或大约一千五百万分之一英寸。

较大的CZTS晶体是一种良好的光伏材料。Sarswat表示,该研究还表明,较小的CZTS晶体 - 小于5纳米的晶体 - 具有所谓的“量子限制”,当晶体变得足够小时,材料的光学和电子特性发生变化。

量子限制意味着纳米晶体可以被“调谐”以发射特定的光,使得这种材料可能用于各种用途,包括更有效的LED或用于照明的发光二极管。具有量子限制的材料是通用的,因为它们具有“可调带隙”,即激活材料发射光或电所需的可调节能量。

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