微波炉产生的太阳能电池材料

另一个有趣的太阳科学故事，来自犹他大学的这则故事：

一种小型的原型太阳能电池，使用CZTS（一种由犹他州冶金学家在旧的微波炉中生产的光伏半导体）制成，该微波炉曾加热学生的午餐。Lee J. Siegel，犹他大学

犹他大学的冶金学家使用一台旧的微波炉，使用廉价，丰富且毒性较小的金属比其他半导体迅速生产出纳米晶体半导体。他们希望将其用于更高效的光伏太阳能电池和LED灯，生物传感器和系统，以将废热转化为电能。

冶金工程学教授迈克尔·弗里说，使用微波“是制造具有广泛应用范围的这些颗粒的快速方法”。“我们希望在未来五年中会从中获得一些商业产品，并且我们将继续追求应用和改进。这是一个很好的市场，但我们不知道确切的市场去向。”

Free，研究的主要作者，冶金工程研究助理Prashant Sarswat，在6月1日的晶体学报

在这项研究中，他们确定了产生最均匀的CZTS半导体晶体所需的最佳时间（在微波炉中为18分钟），并通过各种测试（例如X射线晶体学，电子学，显微镜，原子力显微镜和紫外光谱。他们还建造了一个小型光伏太阳能电池，以确认该材料有效，并证明较小的纳米晶体显示出“量子约束”，这一特性使其可以在不同的用途中通用。

犹他大学冶金工程师Prashant Sarswat和Michael Free使用一台旧的办公室微波炉生产了一种名为CZTS的纳米晶体半导体，该半导体由比其他半导体更便宜，毒性更小的材料制成，并有望实现更高效的太阳能电池和LED照明，或者发光二极管以及用于将余热转化为电能的医学检测和系统传感器。Lee J. Siegel，犹他大学

萨斯瓦特说：“这不是一件容易的材料。”“如果处理不当，可能会形成许多有害的化合物。”

Sarswat说，与使用剧毒的镉和砷的光伏半导体相比，CZTS光伏材料的成分“更加环保”。

免费添加：“用于此目的的材料与替代品相比，成本更低且可获得性更高”，例如半导体中经常使用的铟和镓。

更快地制作旧材料

瑞士研究人员于1967年首次使用另一种方法发明了CZTS。其他研究人员在1998年发现它可以用作光伏材料。但是直到最近，“人们对这种材料的研究还很少”，萨斯瓦特说。CZTS属于一种名为季硫属化物的材料。

最初，Free和Sarswat最初并不知道这一点，他们一直在与俄勒冈州立大学的一组研究人员一起开发微波技术来制造CZTS。Sarswat在2011年使用微波合成了这种材料。Free和Sarswat于2012年1月提交了有关其方法的发明公开，但另一小组在2012年8月发表的一项研究中击败了他们。

Sarswat and Free开发的方法具有一些独特的功能，包括用于启动CZTS制备过程的不同“前体”化学品（乙酸盐代替氯化物盐）和不同的溶剂（油胺代替乙二醇）。

萨斯瓦特说，许多有机化合物是通过微波合成的，而Free notes有时在冶金学中使用微波从矿石中提取金属进行分析。他们说，使用微波处理材料的速度很快，通常可以抑制不需要的化学“副反应”，从而提高所需材料的产量。

CZTS以前是用各种方法制得的，但许多方法要经过多个步骤和4到5个小时才能制成该材料的薄膜，在技术上称为“ p型光伏吸收剂”，它是太阳能电池中转化的活性层阳光到电。

最近一种称为“胶体合成”的方法-通过在大烧瓶中加热成分将晶体制成悬浮液或“胶体”形式的晶体-将制备时间减少到45至90分钟。

犹他大学冶金工程系决定为厨房购买一个新的微波炉，让学生加热午餐并煮咖啡时，萨斯瓦特决定尝试CZTS的微波生产。

“我们的部门秘书要扔掉微波炉，”萨斯瓦特说，他拿起微波炉来代替最近在其他实验室实验中烧毁的微波炉。

Free说：“最重要的是，您仅可以使用一个简单的微波炉来制作CZTS半导体。”“不要在家做。在微波炉中使用此类材料时，您必须谨慎。”

通过控制成分微波的时间，冶金学家可以控制所得纳米晶体的尺寸，从而控制其可能的用途。微波在8分钟后开始形成CZTS，但研究人员发现，在18分钟后它们的尺寸最均匀。

用于微波半导体

为了制备CZTS，将金属盐溶解在溶剂中，然后在微波中加热，形成含有悬浮CZTS纳米晶体的“油墨”。然后可以将“墨水”涂在表面上，并与其他涂层组合以形成太阳能电池。

“这种[CZTS]是太阳能电池的核心填充物，” Free说。“这是太阳能电池的吸收层–有源层。”

他说，易于制造的CZTS光伏半导体可用于更高效的多层太阳能电池设计中。此外，根据Sarswat和Free的说法，CZTS还有其他潜在用途：

–热电热转换为电，包括汽车和工业产生的废热，或者可能是地面提供的热量为军事营地供电。

–生物传感器，通过将纳米晶体的“墨水”涂在表面上并用有机分子使晶体敏感，从而使它们能够检测到体内酶变得活跃时产生的小电流而制成。Sarswat说，这些生物传感器可能会在将来的测试中发挥作用，以帮助诊断心血管疾病，糖尿病和肾脏疾病。

–作为各种电子设备中的电路组件，包括将热量转换为电能的设备。

–使用太阳能分解水以产生用于燃料电池的氢。

微波法生产的晶体尺寸为3纳米至20纳米，研究人员寻求的最佳范围是7纳米至12纳米，具体取决于晶体的预期用途。纳米是十亿分之一米，或大约一百万分之二十五英寸。

CZTS的较大晶体是一种很好的光伏材料。萨斯瓦特说，研究还表明，较小的CZTS晶体（小于5纳米）具有所谓的“量子限制”，即当晶体变得足够小时，材料的光学和电子性质发生变化。

量子限制意味着纳米晶体可以被“调谐”以发出特定的光，从而使这种材料潜在地可用于多种用途，包括更高效的LED或用于照明的发光二极管。具有量子限制的材料具有通用性，因为它们具有“可调带隙”，即激活材料发射光或电所需的可调节能量。