Mining Fool's Gold für Solar

Narrengold, auch Pyrit oder Eisensulfid genannt, kann fast überall ausgegraben werden, von den Hügeln Kaliforniens bis zu den Dörfern der Provinz Yunnan in China. Doch anstatt Pyrit auszugraben, stellt der Forscher Cyrus Wadia in seinem Labor an der University of California, Berkeley, reine Nanopartikel der Verbindung aus Eisen- und Schwefelsalzen her. Sein ultimatives Ziel ist es, aus dem Gold der Narren einen wahren Schatz zu machen: eine preiswerte Solarzelle.

Heutzutage bestehen die meisten Solarzellen aus Silizium, aber sie sind teuer: Obwohl Silizium im Überfluss vorhanden ist, erfordert die Umwandlung in die Photovoltaik eine aufwendige und energieintensive Verarbeitung. Materialien wie Cadmiumtellurid und Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid sind einfacher zu verarbeiten und ergeben Dünnschichtzellen, deren Herstellung kostengünstiger ist. Aber die für die Herstellung dieser Verbindungen benötigten Elemente wie Tellur und Gallium sind zu selten, um den weltweiten Energiebedarf zu decken.

Diese Geschichte war Teil unserer November-Ausgabe 2009

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Wadia untersuchte daher mögliche Solarzellenmaterialien und untersuchte nicht nur ihre Chemie und Physik, sondern auch ihre Verfügbarkeit. Eines der herausragenden Merkmale war das Gold der Narren: Es ist reichlich vorhanden und billig und hat optische Eigenschaften, die es ermöglichen, Sonnenlicht effizient in Strom umzuwandeln. Die theoretische Effizienz von Eisensulfid beträgt 31 Prozent. Das ist so gut wie Silizium, sagt Wadia. Außerdem können 20 Nanometer Pyrit so viel Licht absorbieren wie 300 Mikrometer Silizium. Da es viel mehr Licht absorbiert, kann es zu dünneren Zellen verarbeitet werden, die weniger Rohstoffe benötigen.

Matthew Beard, ein leitender Wissenschaftler am National Renewable Energy Laboratory in Golden, CO, ist der Meinung, dass Wadia und seine Kollegen überzeugende Argumente für die Erforschung dieser Materialien darstellen. Obwohl die Seltenheit der in neueren Dünnschichten verwendeten Elemente derzeit kein Thema ist, wird es auf lange Sicht eines sein, sagt Beard. Inzwischen stellen sie ein unmittelbareres Problem dar: Einige von ihnen sind giftig. Diese Nachteile machen es wert, Alternativen wie Pyrit zu entwickeln.

Frühere Bemühungen, Solarzellen mit Pyrit zu bauen, produzierten Geräte, die bestenfalls nur 2,8 Prozent des Sonnenlichts in Strom umwandelten. Wadia glaubt, dass die geringe Effizienz auf Inkonsistenzen in der Kristallstruktur des Pyrits zurückzuführen ist. Er ist der erste, der Pyrit-Nanopartikel herstellt, und seine Methode führt zu Pyritkristallen mit einer einheitlichen, günstigen Struktur. Das resultierende Material, so glaubt er, wird herkömmliches Pyrit in Solarzellen übertreffen.

Kristalline Kreationen
Die Kristallstruktur von Pyrit kann verschiedene Formen annehmen. Nur einer von ihnen hat jedoch die elektrischen Eigenschaften, die Pyrit zu einem guten Solarmaterial machen, und es braucht nur den richtigen pH-Wert und die richtige Temperatur, um eine Lösung aus Nanokristallen zu erzeugen, die nur in dieser Form existieren. Um die Kristalle herzustellen, pipettiert Wadia kreidig-orange Eisensalze, klare Sulfidsalze und ein sprudelndes, schillerndes Tensid in einen mit Teflon ausgekleideten Metallzylinder. Das Tensid verhindert, dass die Partikel beim Wachsen verklumpen. Er versiegelt den Zylinder in einem Autoklavenbehälter und backt ihn vier Stunden lang bei 200 °C. Nachdem er es herausgenommen hat, schraubt Wadia den Kanister auf und zeigt eine klare Flüssigkeit mit einer schwarzen Schicht am Boden: reine Pyrit-Nanokristalle mit einem Durchmesser von etwa 100 bis 500 Nanometern.

Um Sonnenlicht in nutzbaren Strom umzuwandeln, benötigen Solarzellen zwei verschiedene Arten von Halbleitern. Wenn Photonen auf das Eisensulfid treffen, werden Elektronen in der Verbindung angeregt – aber diese negativen Ladungen können nicht aus der Zelle in einen externen Stromkreis fließen, es sei denn, eine Verbindung mit anderen elektrischen Eigenschaften zieht die positiven Ladungen, sogenannte Löcher, weg. Ein Kandidat für den Job ist Kupfersulfid, ein weiteres billiges und reichlich vorhandenes Material, das Wadia in Zusammenarbeit mit Yue Wu, heute Assistenzprofessor für Chemieingenieurwesen an der Purdue University, zu Nanokristallen verarbeitet hat.

Wadia synthetisiert die Nanokristalle von Kupfersulfid, indem es Kupfer- und Sulfidsalze und ein Tensid in einen Dreihalskolben über einer Heizplatte injiziert; Während sich im Inneren ein Magnetrührstäbchen dreht, bilden sich Nanopartikel der Verbindung. Nachdem er das Tensid entfernt und die Nanopartikel in Chloroform resuspendiert hat, überführt er sie in eine Handschuhbox. Im Inneren befindet sich ein etwa 2,5 Quadratzentimeter großer Glaschip, der mit einer dünnen Schicht Indium-Zinn-Oxid beschichtet ist, die als elektrischer Kontakt dient. Wadia legt den Glaschip auf eine kleine Scheibe und pipettiert die tintenschwarze Suspension von Pyrit-Nanokristallen darauf. Er lässt die Scheibe eine Minute lang schnell rotieren, um die Nanokristalle in einer gleichmäßigen Schicht zu verteilen. Dann legt er den Chip auf eine heiße Platte und erhitzt ihn 10 bis 15 Minuten lang, um die Partikel an seiner Oberfläche zu fixieren.

Nachdem Wadia den Vorgang mit der Kupfersulfidlösung wiederholt hat, wird der untere elektrische Kontakt von den Nanopartikelschichten bedeckt. Er streicht mit einem Wattestäbchen kurz über den Chip, um einen Streifen des Indium-Zinn-Oxids zu reflexen, der als unterer elektrischer Kontakt für die Zelle dient. Dann bedeckt er den Chip mit einer Maske oder Schablone, die zwei Sätze von vier Quadraten mit rechteckigen Schwänzen umreißt. Wadia platziert den Chip und ein kleines Stück massives Aluminium in einem thermischen Verdampfer, der wie eine Metallglocke aussieht. Nachdem er das Glas verschlossen hat, erhitzt er es; das Aluminium verdampft und setzt sich beim Abkühlen auf den freiliegenden Teilen des Chips ab. Dadurch entstehen acht quadratische elektrische Kontakte mit Enden, die zum Rand des Chips führen.

Pyrit sieht das Licht
Der Chip ist nun bereit zum Testen. Wadia schraubt einen Solarzellentester ab, legt den Chip hinein und schraubt ihn wieder zusammen. Anschließend beleuchtet er es mit Licht, das die Wellenlängenverteilung des Sonnenlichts nachahmt. Wenn das Licht auf den Chip trifft, misst das System den Strom, die Spannung am Chip und andere Eigenschaften. Auf einem Bildschirm wird ein Diagramm des durch die Zelle fließenden Stroms gegen die über sie fließende Spannung angezeigt. Bisher haben sich die auf Pyrit basierenden Zellen in ihrer Leistung als enttäuschend erwiesen, obwohl die Berkeley-Forscher Kupfersulfid in Kombination mit Cadmiumsulfid verwendet haben, um Zellen mit einem Wirkungsgrad von 1,6 Prozent herzustellen. Für die Praxis reicht das nicht, aber die Ergebnisse sind vielversprechend genug, um die weitere Arbeit an der Technologie zu rechtfertigen.

Pyrit enthaltende Zellen wären vorzuziehen, da das Material weniger toxisch und billiger in der Gewinnung als Cadmiumverbindungen ist. Wenn die Pyrit-Nanopartikel auf den Chip geschleudert werden, neigen jedoch dazu, sich nanoskalige Pinholes zu bilden. Für Elektronen sehen solche winzigen Lücken wie der Grand Canyon aus – sie können den externen Stromkreis nicht überqueren und in ihn wandern. Stattdessen tunneln die Elektronen zur unteren Elektrode, wodurch die Zelle kurzgeschlossen wird.

Es ist schwierig, gute Pyritfilme herzustellen, da die Nanokristalle dazu neigen, auf den Boden jeder Flüssigkeit zu sinken. Je besser ein Partikel suspendiert ist, desto glatter wird der Film, den es bildet. Wadia glaubt, dass kleinere Partikel zu besseren Suspensionen führen könnten: Die Pyrit-Partikel sind 20- bis 100-mal so groß wie die Kupfersulfid-Partikel, die etwa fünf Nanometer groß sind. Wadia versucht alles, um sie kleiner zu machen, einschließlich mechanischer Pressen oder Schleifen und Herumbasteln an Reaktionsbedingungen. Er arbeitet auch mit Bioingenieuren des Lawrence Berkeley National Laboratory zusammen, um Viren genetisch so zu verändern, dass sie Pyrit-Nanopartikel auf ihren Mänteln ansammeln. der nächste Schritt wäre, die Viren zu einheitlichen Filmen aneinanderzureihen.

Wadia räumt ein, dass er noch viele Jahre davon entfernt ist, eine effiziente Solarzelle mit Pyrit-Nanokristallen herzustellen. Letztendlich ist es sein Ziel, eine Zelle herzustellen, die billig genug ist, um Solarenergie zur dominierenden Energiequelle zu machen. Er sagt, ich brauche nur die Wissenschaft, um zu funktionieren.

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