Metallurger vid University of Utah använde en gammal mikrovågsugn för att snabbt producera en nanokristallhalvledare med hjälp av billiga, rikligt med och mindre giftiga metaller än andra halvledare. De hoppas att den ska användas för effektivare solceller och LED-ljus, biologiska sensorer och system för att omvandla spillvärme till el.

Att använda mikrovågor "är ett snabbt sätt att göra dessa partiklar som har ett brett spektrum av applikationer, " säger Michael Free, professor i metallurgisk teknik. "Vi hoppas att det under de kommande fem åren kommer att finnas några kommersiella produkter från detta, och vi fortsätter att sträva efter tillämpningar och förbättringar. Det är en bra marknad, men vi vet inte exakt var marknaden kommer att ta vägen."

Free och studiens huvudförfattare, Prashant Sarswat, en forskarassistent inom metallurgisk teknik, publicerar sin studie av den fotovoltaiska halvledaren i mikrovågor – känd som CZTS för koppar, zink, tenn och svavel – i numret 1 juni av Journal of Crystal Growth .

I studien, de bestämde den optimala tiden som krävdes för att producera de mest enhetliga kristallerna av CZTS-halvledaren – 18 minuter i mikrovågsugnen – och bekräftade att materialet verkligen var CZTS genom att använda en mängd olika tester, såsom röntgenkristallografi, elektronmikroskopi, atomkraftsmikroskopi och ultraviolett spektroskopi. De byggde också en liten solcellssolcell för att bekräfta att materialet fungerar och visa att mindre nanokristaller visar "kvantinneslutning, "en egenskap som gör dem mångsidiga för olika användningsområden.

"Det är inte ett lätt material att göra, " Sarswat säger. "Det finns många oönskade föreningar som kan bildas om de inte görs ordentligt."

Sarswat säger att jämfört med solcellshalvledare som använder mycket giftigt kadmium och arsenik, ingredienser för CZTS solcellsmaterial "är mer miljövänliga."

Free tillägger:"Materialen som används för detta är mycket billigare och mycket mer tillgängliga än alternativ, " som indium och gallium som ofta används i halvledare.

Att göra ett gammalt material snabbare

Schweiziska forskare uppfann CZTS först 1967 med en annan metod. Andra forskare upptäckte 1998 att det kunde fungera som ett solcellsmaterial. Men tills nyligen, "Folk har inte utforskat det här materialet särskilt mycket, " säger Sarswat. CZTS tillhör en familj av material som heter kvartära kalkogenider.

Utan att först veta det, Free och Sarswat har varit i ett lopp för att utveckla mikrovågsmetoden för att göra CZTS med en grupp forskare vid Oregon State University. Sarswat syntetiserade materialet med hjälp av mikrovågor 2011. Free och Sarswat lämnade in en uppfinningsupplysning om sin metod i januari 2012, men den andra gruppen slog dem i tryck med en studie som publicerades i augusti 2012.

Metoden som utvecklats av Sarswat och Free har några unika egenskaper, inklusive olika "prekursor"-kemikalier (acetatsalter istället för kloridsalter) som används för att starta processen att tillverka CZTS och ett annat lösningsmedel (oleylamin istället för etylenglykol.)

Sarswat säger att många organiska föreningar syntetiseras med mikrovågor, och gratis anteckningar mikrovågor ibland används inom metallurgi för att extrahera metall från malm för analys. De säger att användningen av mikrovågor för att bearbeta material är snabb och ofta undertrycker oönskade kemiska "sidoreaktioner, " vilket resulterar i högre utbyten av de önskade materialen.

CZTS gjordes tidigare med olika metoder, men många tog flera steg och fyra till fem timmar för att göra en tunn film av materialet, känd tekniskt som en "p-typ fotovoltaisk absorbator, " som är det aktiva lagret i en solcell för att omvandla solljus till elektricitet.

En nyare metod känd som "kolloidal syntes" - framställning av kristallerna som en suspension eller "kolloid" i en vätska genom att värma ingredienserna i en stor kolv - reducerade beredningstiden till 45 till 90 minuter.

Sarswat bestämde sig för att testa mikrovågsproduktion av CZTS när University of Utahs avdelning för metallurgisk teknik bestämde sig för att skaffa en ny mikrovågsugn till köket där eleverna värmer upp sina luncher och kokar kaffe.

"Vår avdelningssekreterare hade en mikrovågsugn att slänga, Så Sarswat säger att han tog den för att ersätta en som nyligen hade brunnit upp under andra laboratorieexperiment.

"Samlet är att du bara kan använda en enkel mikrovågsugn för att göra CZTS-halvledaren, "Fri säger, tillägger:"Gör inte det hemma. Du måste vara försiktig när du använder den här typen av material i en mikrovågsugn."

Genom att kontrollera hur länge de mikrovågsugnar ingredienserna, metallurgerna kunde kontrollera storleken på de resulterande nanokristallerna och därmed deras möjliga användningsområden. Bildandet av CZTS började efter 8 minuter i mikrovågsugnen, men forskarna fann att de kom ut mest enhetliga i storlek efter 18 minuter.

Används för en halvledare i mikrovågsugn

För att göra CZTS, salter av metallerna löses i ett lösningsmedel och värms sedan upp i en mikrovågsugn, bildar ett "bläck" innehållande suspenderade CZTS nanokristaller. "Bläcket" kan sedan målas på en yta och kombineras med andra beläggningar för att bilda en solcell.

"Denna [CZTS] är fyllningen som är hjärtat av solceller, " säger Free. "Det är absorbatorskiktet – det aktiva skiktet – i solcellen."

Han säger att den lätttillverkade fotovoltaiska halvledaren CZTS kan användas på ett mer effektivt sätt, flerskikts solcellsdesign. Dessutom, CZTS har andra potentiella användningsområden, enligt Sarswat och Free:

• Termoelektrisk omvandling av värme till elektricitet, inklusive spillvärme från bilar och industri, eller kanske värme från marken för att driva ett militärläger.
• Biosensorer, gjord genom att måla nanokristallens "bläck" på en yta och sensibilisera kristallerna med en organisk molekyl som gör att de kan upptäcka små elektriska strömmar som skapas när ett enzym i kroppen blir aktivt. Dessa biosensorer kan spela en roll i framtida tester för att hjälpa till att diagnostisera kardiovaskulär sjukdom, diabetes och njursjukdomar, säger Sarswat.
• Som kretskomponenter i en mängd olika elektronik, inkluderar anordningar för att omvandla värme till el.
• Att använda solenergi för att bryta ner vatten för att producera väte till bränsleceller.

Mikrovågsmetoden producerade kristaller från 3 nanometer till 20 nanometer i storlek, och det optimum som forskarna sökte var mellan 7 nanometer och 12 nanometer, beroende på avsedd användning för kristallerna. En nanometer är en miljarddels meter, eller ungefär en 25-miljondels tum.

Större kristaller av CZTS är ett bra fotovoltaiskt material. Sarswat säger att studien också visade att mindre kristaller av CZTS - de som är mindre än 5 nanometer - har vad som kallas "kvantinneslutning, "en förändring i ett materials optiska och elektroniska egenskaper när kristallerna blir tillräckligt små.

Kvantinneslutning betyder att nanokristallerna kan "justeras" för att avge ljus av specifika, göra sådant material potentiellt användbart för en mängd olika användningsområden, inklusive effektivare lysdioder eller lysdioder för belysning. Material med kvantinneslutning är mångsidiga eftersom de har ett "avstämbart bandgap, " en justerbar mängd energi som krävs för att aktivera ett material för att avge ljus eller elektricitet.