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Sintesi meccano-chimica e raffinamento di inchiostri fotovoltaici
La sintesi meccano-chimica è una reazione allo stato solido attivata dal trasferimento dell’energia meccanica e del calore per effetto dell’urto, del rotolamento e dello strofinamento di sfere di macinazione di opportuna dimensione e durezza contro polveri dei precursori opportunamente miscelate. Questa metodologia di sintesi sfrutta la termodinamica di non equilibrio con innalzamento delle temperature locali al momento dell’urto fino a 10000 K per indurre reazioni chimiche allo stato solido impossibili da ottenere con le tecniche di sintesi convenzionali. Il grande vantaggio della sintesi meccano-chimica sta nella possibilità di lavorare in condizioni ambientali di pressione e temperatura senza solventi o componenti chimiche tossiche. La semplicità del meccanismo di macinazione garantisce un bassissimo costo di processo (il costo è limitato di fatto al valore di mercato dei precursori utilizzati) e altissima resa di reazione (solitamente superiore al 90-95%). Essendo mediata dalla termodinamica locale di non-equilibrio, questo metodo di sintesi consente di ottenere fasi metastabili oppure attivare reazioni allo stato solido di componenti con caratteristiche fisiche incompatibili (reazioni tra composti o elementi basso fondenti con alto fondenti, ovvero materiali con temperature di fusione e tensioni di vapore diversissime). Nell’ambito delle tematiche della Green Energy, la sintesi meccano chimica viene applicata ai calcogenuri e nitruri per applicazioni fotovoltaiche, in particolare quelli con caratteristiche di alta gap diretta: solfuri e seleniuri di rame indio gallio e antimonio e nitruri di gallio e indio. Una volta che le polveri dei materiali ottenuti tramite sintesi meccanochimica vengono pressate e sinterizzate in forno, si possono ottenere i target di partenza per la deposizione di film sottili mediante le tecniche di Low-Temperature Pulsed Electron Deposition e RF-Sputtering. La macinazione planetaria viene anche utilizzata, una volta ottenuto il prodotto desiderato, per stabilizzare una sospensione submicrometrica di vernici/ inchiostri a concentrazione e dimensione granulare variabile al fine di depositare il prodotto tramite tecniche a basso costo e a vasto impatto come ink-jet printing, aerojet-printing, spin coating, dip coating oppure semplicemente mediante pittura con pennello su opportune superfici. Studiamo soluzioni di vernici con solventi biocompatibili come ad esempio l’acqua o gli alcooli semplici: etanolo, iso-propanolo e butanolo. Nel nostro laboratorio, le reazioni meccano-chimiche e le operazioni di raffinamento delle polveri vengono condotte con un parco di mulini planetari a sfere ad alta energia (Pulverisette 7 Classic Line e Pulverisette 7 Premium Line distribuiti da Fritsch GmbH, Fig. 1). A seconda della reazione allo stato solido desiderata, i materiali e le condizioni di macinazione vengono selezionati in maniera opportuna ed ottimizzati. Disponiamo di giare di durezza media (Agata/quarzo) ed elevata durezza (Zirconia), attrezzati con palle di diametro da 1 mm fino a 10 mm; la velocità di rotazione delle giare (fino a 1100 rpm), il rapporto in peso tra sfere e precursori (ball-to-powder ratio, BPR) e la durata e il numero di cicli della macinazione possono essere variati in un ampio range a seconda dello scopo e del prodotto del processo. Inoltre è possibile lavorare in liquido o a secco, wet or dry ball milling) e anche con atmosfera controllata fino a 20 bar di pressione (con Pulverisette 7 Premium Line).
Mulini planetari a sfere ad alta energia Pulverisette 7 Classic Line (sinistra) e Pulverisette 7 Premium Line (destra) distribuiti da Fritsch GmbH.