Forskare vid AMOLF har hittat ett sätt att göra kalciumkarbonatstrukturer lämpliga för användning inom elektronik. Det gör de genom att modifiera materialets sammansättning så att det blir en halvledare utan att förlora sin form. Detta kan leda till mer effektiva och stabila solceller. Denna forskning publicerades i tidskriften Naturkemi den 4 juni, 2018.

I princip, det skulle vara möjligt att utföra experimentet på stranden med hjälp av det vita ovala skalet av en bläckfisk eller ett sjöborrskelett, säger Wim Noorduin, gruppledare Self Organizing Matter på AMOLF. "Experimentet innebär inte mer än att droppa två vätskor över kalciumkarbonatstrukturen. Omvandlingen är klar inom ett par minuter. Om du lyser med en UV-lampa på strukturen, du kan se omvandlingen som sker framför dina ögon:sjöborre -skelettet, som till en början visas blå under lampan, ändras till en ljusgrön struktur för varje droppe. "

Noorduin omvandlar kalciumkarbonatstrukturer som ett sjöborreskelett till perovskit, ett mycket lovande nytt material för solceller. "I själva verket, detta är alkemi, "säger Noorduin." Midas förändrade allt till guld, och vi ändrar nu kalciumkarbonat till perovskit. "

Kalciumkarbonat är mycket rikligt på jorden, och kan hittas i kalkgruvor och djurskelett, till exempel. Noorduin hade tidigare hittat ett sätt att göra en rad mikrostrukturer från kalcium för att förstå hur naturen gör det. Men materialet har få tillämpningar. Perovskite, dock, ger fler möjligheter, och det är ett mycket lovande nytt material för solceller. Solceller som produceras från halvledaren perovskit är effektivare och billigare än traditionella kiselsolceller. De är också föremål för ökande mängder forskning. "Genom att omvandla en förutbestämd struktur av kalciumkarbonat till den funktionella perovskiten, vi har nu kontroll över både materialets form och funktion, " säger Noorduin.

Noorduin räknar med att det nya materialet kommer att leda till förbättrade solceller. Eftersom forskarna nu har kontroll över formen på solcellen, de kan producera en struktur som fångar solljus mer effektivt. Vidare, livslängden för den nuvarande generationen solceller gjorda av perovskit är för kort eftersom perovskit bryts ned för snabbt. "Vi tror att våra perovskitmikrostrukturer är mycket mer stabila. Solceller tillverkade av detta material bör därför hålla längre, "säger Noorduin." Dessutom, vi kan producera perovskitstrukturer i varje önskad färg. Detta innebär att materialet även kan användas för lysdioder i olika applikationer, som skärmar, säger forskaren.

Med den nya processen, utvecklad av Noorduins doktorand forskarna Lukas Helmbrecht och Hans Hendrikse, det är möjligt att omvandla varje kalciumkarbonatstruktur, såsom ett sjöborrskelett eller Noorduins mikrostrukturer, till perovskit. Denna process avser kontrollerad omvandling av en kristallstruktur till en annan, vilket är en svår process inom kemi. En kristallstruktur liknar en samling staplade marmor. Jonerna i kalciumkarbonat skiljer sig från de i perovskit, och staplingen är också annorlunda. Forskarna ersätter alla joner i kalciumkarbonatet — först, de positivt laddade kalciumjonerna med blyjärn, och sedan de negativt laddade karbonatjärnen med klorid, till exempel. Till sist, de lägger till en till jon, metylammonium. Denna sista ingrediens ger upphov till ett nytt staplingsmönster som resulterar i att perovskit produceras.

Experimentet är enkelt, när du vet hur man utför det, säger Noorduin. Svårigheten att omvandla kalciumkarbonat till perovskit är att allt är annorlunda:inte bara sammansättningen av positivt laddade katjoner och negativt laddade anjoner, men också kristallstrukturen, säger Noorduin. "Reaktionsförhållandena, som koncentration och pH-nivå, måste vara helt rätt, eftersom annars strukturen faller isär omedelbart. Det tog oss sex månader att upptäcka de exakta förhållandena."

Till exempel, utbytet av katjonerna i det första steget måste vara perfekt. Det andra steget är ännu svårare eftersom kristallstrukturen måste förändras. Vi fann också att det var viktigt att se till att detta sista steg sker väldigt snabbt för att förhindra att strukturen faller sönder.

Andra material

Jonbytesmetoden kan användas på en mängd olika material. Inte bara kalciumkarbonat, but also barium carbonate and strontium carbonate are suitable, and possibly sulfates as well. The AMOLF researchers expect that the reaction can also be expanded to other types of perovskite to make a wide range of applications possible. "We can apply the principles to other materials such as catalysts. In those cases, you want to be able to control the material's surface shape and composition as well."