Mining Fool's Gold per Solar

L'oro degli sciocchi, chiamato anche pirite o solfuro di ferro, può essere portato alla luce un po' ovunque, dalle colline della California ai villaggi della provincia dello Yunnan in Cina. Ma invece di estrarre la pirite, il ricercatore Cyrus Wadia sta producendo nanoparticelle pure del composto da sali di ferro e zolfo nel suo laboratorio presso l'Università della California, a Berkeley. Il suo obiettivo finale è trasformare l'oro degli sciocchi in un vero tesoro: una cella solare economica.

Oggi, la maggior parte delle celle solari sono fatte di silicio, ma sono costose: sebbene il silicio sia abbondante, trasformarlo in fotovoltaico richiede un'elaborazione estensiva e ad alta intensità energetica. Materiali come il tellururo di cadmio e il diseleniuro di rame indio e gallio sono più semplici da lavorare, producendo celle a film sottile che costano meno da produrre. Ma gli elementi necessari per produrre questi composti, come il tellurio e il gallio, sono troppo rari per soddisfare il fabbisogno energetico globale.

Questa storia faceva parte del nostro numero di novembre 2009

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Così Wadia ha fatto uno studio sui possibili materiali delle celle solari, esaminando non solo la loro chimica e fisica, ma anche la loro disponibilità. Uno degli elementi di spicco era l'oro degli sciocchi: è abbondante ed economico e ha proprietà ottiche che gli consentono di convertire efficacemente la luce solare in elettricità. L'efficienza teorica del solfuro di ferro è del 31 percento. È buono come il silicio, dice Wadia. Inoltre, 20 nanometri di pirite possono assorbire tanta luce quanto 300 micrometri di silicio. Poiché assorbe molta più luce, può essere trasformato in celle più sottili, che richiedono meno materia prima.

Matthew Beard, uno scienziato senior presso il National Renewable Energy Laboratory a Golden, CO, pensa che Wadia e i suoi colleghi presentino un caso convincente per perseguire questi materiali. Sebbene la rarità degli elementi utilizzati nei nuovi film sottili non sia attualmente un problema, lo sarà a lungo termine, afferma Beard. Nel frattempo, pongono un problema più immediato: alcuni di loro sono tossici. Questi inconvenienti rendono le alternative come la pirite degne di essere sviluppate.

Gli sforzi precedenti per costruire celle solari con dispositivi prodotti dalla pirite che, nella migliore delle ipotesi, convertivano solo il 2,8 percento della luce solare in elettricità. Wadia pensa che la bassa efficienza sia dovuta a incongruenze nella struttura cristallina della pirite. È il primo a produrre nanoparticelle di pirite e il suo metodo produce cristalli di pirite con una struttura uniforme e favorevole. Il materiale risultante, secondo lui, supererà le prestazioni della pirite convenzionale nelle celle solari.

Creazioni cristalline
La struttura cristallina della pirite può assumere diverse forme. Tuttavia, solo uno di essi ha le proprietà elettriche che rendono la pirite un buon materiale solare, e ci vogliono solo il pH e la temperatura giusti per generare una soluzione di nanocristalli che esistono esclusivamente in quella forma. Per creare i cristalli, Wadia pipetta sali di ferro color gesso, sali di solfuro chiari e un tensioattivo frizzante e iridescente in un cilindro di metallo rivestito di teflon. Il tensioattivo impedisce alle particelle di aggregarsi durante la crescita. Sigilla il cilindro all'interno di un contenitore per autoclave e lo cuoce a 200 °C per quattro ore. Dopo averlo estratto, Wadia svita il contenitore, rivelando un liquido chiaro con uno strato nero sul fondo: nanocristalli di pirite pura di circa 100-500 nanometri di diametro.

Per convertire la luce solare in elettricità utilizzabile, le celle solari richiedono due diversi tipi di semiconduttori. Quando i fotoni colpiscono il solfuro di ferro, gli elettroni nel composto vengono eccitati, ma quelle cariche negative non possono fluire fuori dalla cella e in un circuito esterno a meno che un composto con proprietà elettriche diverse non elimini le cariche positive, chiamate buchi. Un candidato per il lavoro è il solfuro di rame, un altro materiale economico e abbondante che Wadia ha trasformato in nanocristalli in collaborazione con Yue Wu, ora assistente professore di ingegneria chimica alla Purdue University.

Wadia sintetizza i nanocristalli di solfuro di rame iniettando sali di rame e solfuro e un tensioattivo in un pallone a tre colli su una piastra calda; mentre un'ancoretta magnetica ruota all'interno, si formano nanoparticelle del composto. Dopo aver rimosso il tensioattivo e risospeso le nanoparticelle in cloroformio, le trasferisce in un vano portaoggetti. All'interno c'è una scheggia di vetro, di circa 2,5 centimetri quadrati, che è stata rivestita con un sottile strato di ossido di indio e stagno, che funge da contatto elettrico. Wadia posiziona il chip di vetro su un piccolo disco e pipetta su di esso la sospensione nera come l'inchiostro di nanocristalli di pirite. Fa girare il disco rapidamente per un minuto per distribuire i nanocristalli in uno strato uniforme. Quindi posiziona il chip su una piastra calda e lo riscalda per 10-15 minuti per fissare le particelle alla sua superficie.

Dopo che Wadia ha ripetuto il processo con la soluzione di solfuro di rame, il contatto elettrico inferiore è coperto dagli strati di nanoparticelle. Passa rapidamente al chip con un semplice batuffolo di cotone per riesporre una striscia di ossido di indio-stagno che funge da contatto elettrico inferiore per la cellula. Quindi copre il chip con una maschera, o stencil, che delinea due serie di quattro quadrati con code rettangolari. Wadia posiziona il chip e un piccolo pezzo di alluminio solido all'interno di un evaporatore termico che sembra una campana di metallo. Dopo aver sigillato il vaso, lo riscalda; l'alluminio evapora e raffreddandosi si deposita sulle parti esposte del truciolo. Questo crea otto contatti elettrici quadrati con code che portano al bordo del chip.

La pirite vede la luce
Il chip è ora pronto per il test. Wadia svita un tester per celle solari, inserisce il chip all'interno e lo riavvita. Quindi lo illumina con una luce che imita la distribuzione delle lunghezze d'onda che si trovano nella luce solare. Quando la luce colpisce il chip, il sistema misura la corrente, la tensione attraverso il chip e altre proprietà. Una schermata mostra un grafico della corrente che attraversa la cella rispetto alla tensione che la attraversa. Finora, le celle a base di pirite si sono rivelate deludenti nelle loro prestazioni, sebbene i ricercatori di Berkeley abbiano utilizzato solfuro di rame in combinazione con solfuro di cadmio per realizzare celle con un'efficienza dell'1,6%. Non è abbastanza buono per l'uso pratico, ma i risultati sono abbastanza promettenti da giustificare il proseguimento del lavoro sulla tecnologia.

Le celle che incorporano pirite sarebbero preferibili perché il materiale è meno tossico e più economico da recuperare rispetto ai composti di cadmio. Quando le nanoparticelle di pirite vengono fatte ruotare sul chip, tuttavia, tendono a formarsi fori di spillo su scala nanometrica. Per gli elettroni, tali minuscole lacune sembrano il Grand Canyon: non possono attraversare e migrare nel circuito elettrico esterno. Invece, gli elettroni scendono verso l'elettrodo inferiore, causando il cortocircuito della cella.

È difficile realizzare buoni film di pirite perché i nanocristalli tendono ad affondare sul fondo di qualsiasi liquido. Migliore è la sospensione di una particella, più liscia sarà la pellicola che formerà. Wadia ritiene che le particelle più piccole possano portare a sospensioni migliori: le particelle di pirite sono da 20 a 100 volte più grandi delle particelle di solfuro di rame, che hanno un diametro di circa cinque nanometri. Wadia sta provando tutto il possibile per ridurli, compresa la pressatura meccanica o la macinazione e armeggiare con le condizioni di reazione. Sta anche collaborando con i bioingegneri del Lawrence Berkeley National Laboratory per ingegnerizzare geneticamente i virus in modo che accumulino nanoparticelle di pirite sui loro cappotti; il passo successivo sarebbe quello di far allineare i virus in film uniformi.

Wadia riconosce che gli mancano ancora molti anni per realizzare una cella solare efficiente con nanocristalli di pirite. Alla fine, però, il suo obiettivo è produrre una cella abbastanza economica da rendere l'energia solare la fonte di energia dominante. Dice, ho solo bisogno che la scienza funzioni.

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