p Metalúrgicos da Universidade de Utah usaram um antigo forno de microondas para produzir um semicondutor nanocristal rapidamente usando barato, metais abundantes e menos tóxicos do que outros semicondutores. Eles esperam que seja usado para células solares fotovoltaicas e lâmpadas LED mais eficientes, sensores e sistemas biológicos para converter calor residual em eletricidade. p Usar microondas "é uma maneira rápida de fazer essas partículas que têm uma ampla gama de aplicações, "diz Michael Free, professor de engenharia metalúrgica. “Esperamos que nos próximos cinco anos haja alguns produtos comerciais a partir disso, e continuamos a buscar aplicativos e melhorias. É um bom mercado, mas não sabemos exatamente para onde o mercado irá. "

p Gratuito e o autor principal do estudo, Prashant Sarswat, um associado de pesquisa em engenharia metalúrgica, estão publicando seu estudo do semicondutor fotovoltaico por micro-ondas - conhecido como CZTS para cobre, zinco, estanho e enxofre - na edição de 1º de junho da Journal of Crystal Growth .

p No estudo, eles determinaram o tempo ideal necessário para produzir os cristais mais uniformes do semicondutor CZTS - 18 minutos no forno de microondas - e confirmaram que o material era de fato CZTS usando uma variedade de testes, como cristalografia de raios-X, microscópio eletrônico, microscopia de força atômica e espectroscopia ultravioleta. Eles também construíram uma pequena célula solar fotovoltaica para confirmar que o material funciona e demonstrar que os nanocristais menores exibem "confinamento quântico, "uma propriedade que os torna versáteis para diferentes usos.

p "Não é um material fácil de fazer, "Sarswat diz." Há muitos compostos indesejados que podem se formar se não for feito de forma adequada. "

p Sarswat diz que, em comparação com semicondutores fotovoltaicos que usam cádmio e arsênico altamente tóxicos, os ingredientes para o material fotovoltaico CZTS "são mais ecológicos".

p Adiciona grátis:"Os materiais usados ​​para isso são de custo muito mais baixo e muito mais disponíveis do que as alternativas, "como o índio e o gálio, frequentemente usados ​​em semicondutores.

p Fazendo um material antigo com mais rapidez

p Os pesquisadores suíços inventaram o CZTS pela primeira vez em 1967, usando outro método. Outros pesquisadores descobriram em 1998 que ele poderia servir como um material fotovoltaico. Mas até recentemente, "as pessoas não exploraram muito este material, "Sarswat diz. CZTS pertence a uma família de materiais chamados calcogenetos quaternários.

p Sem saber a princípio, Free e Sarswat estão em uma corrida para desenvolver o método de microondas para fazer CZTS com um grupo de pesquisadores da Oregon State University. Sarswat sintetizou o material usando microondas em 2011. Free e Sarswat apresentaram uma divulgação de invenção sobre seu método em janeiro de 2012, mas o outro grupo os imprimiu com um estudo publicado em agosto de 2012.

p O método desenvolvido pela Sarswat and Free tem alguns recursos exclusivos, incluindo diferentes produtos químicos "precursores" (sais de acetato em vez de sais de cloreto) usados ​​para iniciar o processo de fabricação de CZTS e um solvente diferente (oleilamina em vez de etilenoglicol).

p Sarswat diz que muitos compostos orgânicos são sintetizados com microondas, e as microondas às vezes são usadas na metalurgia para extrair metal do minério para análise. Eles dizem que o uso de microondas para processar materiais é rápido e muitas vezes suprime reações colaterais químicas indesejadas, "resultando em maiores rendimentos dos materiais desejados.

p CZTS anteriormente era feito usando vários métodos, mas muitos deram vários passos e quatro a cinco horas para fazer uma fina película do material, conhecido tecnicamente como um "absorvedor fotovoltaico tipo p, "que é a camada ativa em uma célula solar para converter a luz solar em eletricidade.

p Um método mais recente conhecido como "síntese coloidal" - preparar os cristais como uma suspensão ou "colóide" em um líquido aquecendo os ingredientes em um frasco grande - reduziu o tempo de preparação para 45 a 90 minutos.

p Sarswat decidiu experimentar a produção de microondas de CZTS quando o Departamento de Engenharia Metalúrgica da Universidade de Utah decidiu comprar um novo forno de microondas para a cozinha, onde os alunos aquecem seus almoços e fazem café.

p "Nossa secretária de departamento tinha um micro-ondas para jogar fora, "então Sarswat diz que o usou para substituir um que havia queimado recentemente durante outros experimentos de laboratório.

p "O resultado final é que você pode usar apenas um forno de micro-ondas simples para fazer o semicondutor CZTS, "Livre diz, acrescentando:"Não faça isso em casa. Você tem que ter cuidado ao usar esses tipos de materiais no microondas."

p Ao controlar por quanto tempo eles aquecem os ingredientes, os metalúrgicos podiam controlar o tamanho dos nanocristais resultantes e, portanto, seus possíveis usos. A formação de CZTS começou após 8 minutos no microondas, mas os pesquisadores descobriram que o tamanho ficou mais uniforme após 18 minutos.

p Usos para um semicondutor micro-ondas

p Para fazer CZTS, sais dos metais são dissolvidos em um solvente e, em seguida, aquecidos em um micro-ondas, formando uma "tinta" contendo nanocristais CZTS suspensos. A "tinta" pode então ser pintada sobre uma superfície e combinada com outros revestimentos para formar uma célula solar.

p "Este [CZTS] é o enchimento que é o coração das células solares, "diz Free." É a camada absorvente - a camada ativa - da célula solar. "

p Ele diz que o semicondutor fotovoltaico CZTS, fácil de fazer, pode ser usado de forma mais eficiente, projetos de células solares multicamadas. Além disso, CZTS tem outros usos potenciais, de acordo com Sarswat e Free:

• Conversão termoelétrica de calor em eletricidade, incluindo calor residual de automóveis e indústria, ou talvez o calor do solo para alimentar um acampamento militar.
• Biossensores, feito pintando a "tinta" nanocristal em uma superfície e sensibilizando os cristais com uma molécula orgânica que lhes permite detectar pequenas correntes elétricas que são criadas quando uma enzima no corpo se torna ativa. Esses biossensores podem desempenhar um papel em testes futuros para ajudar a diagnosticar doenças cardiovasculares, diabetes e doenças renais, Sarswat diz.
• Como componentes de circuito em uma ampla variedade de eletrônicos, incluir dispositivos para converter calor em eletricidade.
• Para usar a energia solar para quebrar a água e produzir hidrogênio para células de combustível.

p O método de microondas produziu cristais com tamanhos de 3 nanômetros a 20 nanômetros, e o ótimo procurado pelos pesquisadores estava entre 7 nanômetros e 12 nanômetros, dependendo do uso pretendido para os cristais. Um nanômetro é um bilionésimo de um metro, ou cerca de 25 milionésimos de polegada.

p Cristais maiores de CZTS são um bom material fotovoltaico. Sarswat diz que o estudo também demonstrou que cristais menores de CZTS - aqueles menores que 5 nanômetros - têm o que é chamado de "confinamento quântico, "uma mudança nas propriedades ópticas e eletrônicas de um material quando os cristais se tornam suficientemente pequenos.

p O confinamento quântico significa que os nanocristais podem ser "ajustados" para emitir luz específica, tornando esse material potencialmente útil para uma ampla variedade de usos, incluindo LEDs ou diodos emissores de luz mais eficientes para iluminação. Materiais com confinamento quântico são versáteis porque têm um "bandgap sintonizável, "uma quantidade ajustável de energia necessária para ativar um material para emitir luz ou eletricidade.