Khas: Dari kerangka landak laut ke sel solar

Penyelidik mengkonversi kalsium karbonat ke dalam perovskit semikonduktor

Setakat ini, sel solar berasaskan semikonduktor biasanya dibuat berdasarkan silikon - tetapi itu boleh berubah tidak lama lagi. © Milos Muller / thinkstock
membaca dengan kuat

Peralihan Menakjubkan: Penyelidik telah menemui cara untuk menukar rangka elang laut di luar pantai menjadi salah satu bahan sel surya yang paling menjanjikan masa kita: Perovskite. Oleh itu, kalsium karbonat biogenik boleh ditukar menjadi sebatian kristal semikonduktor oleh pertukaran ion - tanpa kehilangan bentuk luaran mereka. Pendekatan ini menjanjikan bukan sahaja sel suria yang lebih cekap dan stabil tetapi juga aplikasi yang mungkin untuk teknologi LED.

Photovoltaics kini merupakan salah satu tenaga yang boleh diperbaharui yang paling pesat berkembang di seluruh dunia. Untuk "menuai" cahaya matahari, sel solar berasaskan silikon digunakan secara tradisional. Tetapi selama beberapa tahun, bahan lain telah beralih ke fokus penyelidik: Perovskit.

Strandgut sebagai bahan permulaan

Struktur kristal sebatian ini sangat baik untuk menukar cahaya matahari ke dalam elektrik. Sel solar berdasarkan perovskite mencapai kecekapan tinggi dan, sebagai tambahan, adalah lebih murah daripada model biasa. Oleh itu, tidak menghairankan bahawa para saintis di seluruh dunia berminat dengan "bahan ajaib" ini. "Perovskite adalah emas penyelidikan semikonduktor, " kata Willem Noorduin dari Institut Amolf di Amsterdam.

Beliau dan rakan-rakannya di sekitar pengarang pertama Tim Holtus kini telah mencapai sesuatu yang mengejutkan: mereka telah mengetahui bagaimana bahan sel solar yang dicari dapat dibuat dari bahan yang hampir di mana-mana: kalsium karbonat. Struktur karbonat sedemikian berlaku, misalnya, dalam kapur dan batu kapur, di terumbu karang atau dibasuh di pantai. Untuk bulu-bulu bulu laut atau sekolah yang disebut cumi-cumi diperbuat daripada kalsium karbonat.

Ia berfungsi seperti sihir: rangka pasir-dolar menjadi semikonduktor perovskite yang menyala hijau. © Noorduin Lab / AMOLF

Pertukaran ion kompleks

Tetapi bagaimana transformasi berlaku? Untuk membuat skeleton landak laut sebagai semikonduktor, struktur kristal bahan harus diubah secara fundamental. Dalam proses reaksi kompleks, para penyelidik menukar ion untuk tujuan ini. Pada mulanya, pertukaran kation berlaku: ion kalsium bermuatan positif digantikan oleh ion-ion utama. paparan

Dalam langkah kedua, pasukan menggunakan halida, seperti klorida. Ion-ionnya menggantikan ion-ion karbonat yang berkadar negatif dalam bahan. Akhir sekali, metanolium mengikuti bahan terakhir ini, mengubah susunan kristal dan mewujudkan struktur perovskite. Walau bagaimanapun, proses itu lebih mudah daripada yang berikut: "Keadaan reaksi seperti kepekatan dan pH mestilah betul-betul betul, jika tidak, struktur akan segera hancur, " kata Noorduin.

Bentuknya kekal

Ciri khas kaedah penyelidik adalah bahawa ia mengubah komposisi bahan dan mengubahnya menjadi semikonduktor tanpa kehilangan bentuknya. Sama ada helix atau bentuk seperti karang semua struktur ini boleh diubah menjadi perovskit semikonduktor, namun mengekalkan morfologi mereka, seperti yang ditunjukkan oleh eksperimen.

"Dengan menukarkan struktur yang diberikan kepada perovskite yang bekerja, kami mempunyai kawalan ke atas bentuk dan fungsi bahan, " jelas Noorduin. Pasukan percaya bahawa ini boleh menghasilkan sel suria yang lebih cekap kerana kini mungkin untuk mengubah bentuk dan struktur sel untuk "menuai" lebih banyak cahaya matahari.

Komposisi ion membolehkan warna mikrostruktur semikonduktor ditentukan. Noorduin Lab / AMOLF

Stabil dan berwarna-warni

Di samping itu, semikonduktor perovskite baru seolah-olah mempunyai hayat yang lebih baik daripada sel solar perovskite hari ini: "Kami percaya bahawa struktur perovskite kami adalah lebih stabil, membenarkan sel solar diperbuat daripada bahan ini untuk bertahan lebih lama ", Kata Noorduin.

Satu lagi kelebihan: melalui pemilihan komposisi ion yang disasarkan, saintis dapat menghasilkan semikonduktor dalam semua warna spektrum cahaya yang boleh dilihat. Oleh itu, memimpin metil ammonium klorida kelihatan biru. Jika klorida digantikan dengan bromida, sebaliknya, warna hijau berkembang dan dengan iodida bahan menjadi merah. "Ini bermakna bahan itu juga boleh digunakan untuk LED dalam pelbagai aplikasi, seperti skrin, " kata Noorduin.

Potensi masa depan

Pada prinsipnya, kaedah pertukaran ion penyelidik boleh dialihkan pada masa akan datang kepada sebatian lain ketika mereka melaporkan. Oleh itu, sebagai tambahan kepada kalsium karbonat, barium atau strontium karbonat, dan mungkin sulfat, juga sesuai untuk tindak balas.

Sekiranya terpulang kepada pasukan penyelidikan, tidak hanya menjanjikan semikonduktor akan dihasilkan pada masa akan datang, tetapi juga bahan-bahan lain. "Kami juga boleh menggunakan pendekatan untuk, sebagai contoh, bahan seperti pemangkin, " menyimpulkan penulis. (Alam Kimia, 2018; doi: 10.1038 / s41557-018-0064-1)

(AMOLF, 07/06/2018 - DAL)