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  • Le four à micro-ondes prépare le matériau des cellules solaires

    Un petit, prototype de cellule solaire utilisant le CZTS, un semi-conducteur photovoltaïque que les métallurgistes de l'Université de l'Utah ont produit dans un vieux four à micro-ondes qui chauffait autrefois les déjeuners des étudiants. Crédit :Lee J. Siegel, Université de l'Utah.

    Les métallurgistes de l'Université de l'Utah ont utilisé un vieux four à micro-ondes pour produire rapidement un nanocristal semi-conducteur à l'aide de métaux abondants et moins toxiques que les autres semi-conducteurs. Ils espèrent qu'il sera utilisé pour des cellules solaires photovoltaïques et des lampes LED plus efficaces, capteurs et systèmes biologiques pour convertir la chaleur résiduelle en électricité.

    L'utilisation des micro-ondes "est un moyen rapide de fabriquer ces particules qui ont un large éventail d'applications, " dit Michael Free, professeur de génie métallurgique. "Nous espérons que dans les cinq prochaines années, il y aura des produits commerciaux à partir de cela, et nous continuons à rechercher des applications et des améliorations. C'est un bon marché, mais nous ne savons pas exactement où ira le marché."

    Free et auteur principal de l'étude, Prashant Sarswat, chercheur associé en génie métallurgique, publient leur étude sur le semi-conducteur photovoltaïque micro-ondes – connu sous le nom de CZTS pour le cuivre, zinc, étain et soufre – dans le numéro du 1er juin du Journal de croissance cristalline .

    Dans l'étude, ils ont déterminé le temps optimal requis pour produire les cristaux les plus uniformes du semi-conducteur CZTS - 18 minutes dans le four à micro-ondes - et ont confirmé que le matériau était bien du CZTS en utilisant une variété de tests, comme la cristallographie aux rayons X, microscopie électronique, microscopie à force atomique et spectroscopie ultraviolette. Ils ont également construit une petite cellule solaire photovoltaïque pour confirmer que le matériau fonctionne et démontrer que les nanocristaux plus petits présentent un "confinement quantique, " une propriété qui les rend polyvalents pour différents usages.

    "Ce n'est pas un matériau facile à fabriquer, " Sarswat dit. " Il y a beaucoup de composés indésirables qui peuvent se former s'il n'est pas fabriqué correctement. "

    Sarswat dit que par rapport aux semi-conducteurs photovoltaïques qui utilisent du cadmium et de l'arsenic hautement toxiques, les ingrédients du matériau photovoltaïque CZTS "sont plus respectueux de l'environnement".

    Free ajoute :« Les matériaux utilisés pour cela sont beaucoup moins chers et beaucoup plus disponibles que les alternatives, " comme l'indium et le gallium souvent utilisés dans les semi-conducteurs.

    Fabriquer un vieux matériau plus rapidement

    Des chercheurs suisses ont inventé le CZTS en 1967 en utilisant une autre méthode. D'autres chercheurs ont découvert en 1998 qu'il pouvait servir de matériau photovoltaïque. Mais jusqu'à récemment, "les gens n'ont pas beaucoup exploré ce matériau, " dit Sarswat. Le CZTS appartient à une famille de matériaux appelés chalcogénures quaternaires.

    Sans le savoir d'abord, Free et Sarswat se sont lancés dans une course pour développer la méthode par micro-ondes de fabrication de CZTS avec un groupe de chercheurs de l'Oregon State University. Sarswat a synthétisé le matériau à l'aide de micro-ondes en 2011. Free et Sarswat ont déposé une divulgation d'invention sur leur méthode en janvier 2012, mais l'autre groupe les a battus dans la presse avec une étude publiée en août 2012.

    Cette image au microscope électronique à transmission montre un seul nanocristal du semi-conducteur CZTS dissous dans un solvant organique. Le nanocristal est faiblement visible au centre de la photo, en forme de raquette de ping-pong. Le CZTS a été produit par des chercheurs de l'Université de l'Utah à l'aide d'un vieux four à micro-ondes. Des chercheurs de l'Université de l'Oregon ont réalisé l'image pour leurs collègues de l'Utah. Crédit :Centre pour les matériaux avancés et la caractérisation de l'Oregon.

    La méthode développée par Sarswat et Free a des caractéristiques uniques, y compris différents produits chimiques "précurseurs" (sels d'acétate au lieu de sels de chlorure) utilisés pour démarrer le processus de fabrication du CZTS et d'un solvant différent (oléylamine au lieu d'éthylène glycol.)

    Sarswat dit que de nombreux composés organiques sont synthétisés avec des micro-ondes, et les micro-ondes de notes gratuites sont parfois utilisées en métallurgie pour extraire le métal du minerai à des fins d'analyse. Ils disent que l'utilisation de micro-ondes pour traiter les matériaux est rapide et supprime souvent les "réactions secondaires" chimiques indésirables, " résultant en des rendements plus élevés des matériaux souhaités.

    CZTS était auparavant fabriqué à l'aide de diverses méthodes, mais beaucoup ont pris plusieurs étapes et quatre à cinq heures pour faire un film mince du matériau, connu techniquement comme un "absorbeur photovoltaïque de type p, " qui est la couche active dans une cellule solaire pour convertir la lumière du soleil en électricité.

    Une méthode plus récente connue sous le nom de "synthèse colloïdale" - préparer les cristaux sous forme de suspension ou de "colloïde" dans un liquide en chauffant les ingrédients dans un grand flacon - a réduit le temps de préparation à 45 à 90 minutes.

    Sarswat a décidé d'essayer la production de CZTS par micro-ondes lorsque le département de génie métallurgique de l'Université de l'Utah a décidé d'acquérir un nouveau four à micro-ondes pour la cuisine où les étudiants chauffent leurs déjeuners et font du café.

    "Notre secrétaire de service avait un micro-onde à jeter, " alors Sarswat dit qu'il l'a pris pour remplacer celui qui avait récemment brûlé lors d'autres expériences en laboratoire.

    "En fin de compte, vous pouvez utiliser un simple four à micro-ondes pour fabriquer le semi-conducteur CZTS, " Libre dit, ajoutant:"Ne le faites pas à la maison. Vous devez être prudent lorsque vous utilisez ce genre de matériaux dans un micro-ondes."

    En contrôlant la durée pendant laquelle ils passent au micro-ondes les ingrédients, les métallurgistes pourraient contrôler la taille des nanocristaux résultants et donc leurs utilisations possibles. La formation de CZTS a commencé après 8 minutes au micro-ondes, mais les chercheurs ont découvert qu'ils étaient de taille plus uniforme après 18 minutes.

    Utilisations pour un semi-conducteur à micro-ondes

    Pour faire des CZTS, les sels des métaux sont dissous dans un solvant puis chauffés au micro-ondes, formant une « encre » contenant des nanocristaux de CZTS en suspension. L'« encre » peut ensuite être peinte sur une surface et combinée avec d'autres revêtements pour former une cellule solaire.

    "Ce [CZTS] est le remplissage qui est le cœur des cellules solaires, " dit Free. " C'est la couche absorbante - la couche active - de la cellule solaire. "

    Il dit que le semi-conducteur photovoltaïque CZTS facile à fabriquer peut être utilisé de manière plus efficace, conceptions de cellules solaires multicouches. En outre, CZTS a d'autres utilisations potentielles, selon Sarswat et Free :

    • Conversion thermo-électrique de la chaleur en électricité, y compris la chaleur résiduelle des automobiles et de l'industrie, ou peut-être la chaleur du sol pour alimenter un camp militaire.
    • Biocapteurs, fabriqué en peignant l'« encre » nanocristal sur une surface et en sensibilisant les cristaux avec une molécule organique qui leur permet de détecter les petits courants électriques qui sont créés lorsqu'une enzyme dans le corps devient active. Ces biocapteurs pourraient jouer un rôle dans de futurs tests pour aider à diagnostiquer les maladies cardiovasculaires, diabète et maladies rénales, dit Sarswat.
    • En tant que composants de circuit dans une grande variété d'électronique, inclure des dispositifs pour convertir la chaleur en électricité.
    • Utiliser l'énergie solaire pour décomposer l'eau afin de produire de l'hydrogène pour les piles à combustible.

    La méthode des micro-ondes a produit des cristaux allant de 3 nanomètres à 20 nanomètres, et l'optimum recherché par les chercheurs se situait entre 7 nanomètres et 12 nanomètres, en fonction de l'utilisation prévue pour les cristaux. Un nanomètre est un milliardième de mètre, ou environ un 25 millionième de pouce.

    Les plus gros cristaux de CZTS constituent un bon matériau photovoltaïque. Sarswat dit que l'étude a également démontré que les plus petits cristaux de CZTS - ceux plus petits que 5 nanomètres - ont ce qu'on appelle "le confinement quantique, " une modification des propriétés optiques et électroniques d'un matériau lorsque les cristaux deviennent suffisamment petits.

    Le confinement quantique signifie que les nanocristaux peuvent être « réglés » pour émettre une lumière spécifique, rendre ce matériau potentiellement utile pour une grande variété d'utilisations, y compris des LED ou des diodes électroluminescentes plus efficaces pour l'éclairage. Les matériaux à confinement quantique sont polyvalents car ils ont une "bande interdite réglable, " une quantité réglable d'énergie nécessaire pour activer un matériau pour émettre de la lumière ou de l'électricité.


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