Блог

Jul 28, 2023

Новый робот ищет материалы для солнечных батарей в 14 раз быстрее

Дина Генкина — 24 августа 2023 г., 15:09 UTC Ранее в этом году двухслойные солнечные элементы побили рекорды с эффективностью 33 процента. Элементы состоят из комбинации кремния и материала, называемого

Дина Генкина - 24 августа 2023 г., 15:09 UTC

Ранее в этом году двухслойные солнечные элементы побили рекорды с эффективностью 33 процента. Ячейки состоят из комбинации кремния и материала, называемого перовскитом. Однако эти тандемные солнечные элементы все еще далеки от теоретического предела эффективности, составляющего около 45 процентов, и они быстро разрушаются под воздействием солнца, что делает их полезность ограниченной.

Процесс совершенствования тандемных солнечных элементов включает в себя поиск идеальных материалов, которые можно накладывать друг на друга, при этом каждый из них улавливает часть солнечного света, которого не хватает другому. Одним из потенциальных материалов для этого являются перовскиты, которые характеризуются своей своеобразной кристаллической структурой «ромб в кубе». Эту структуру могут использовать многие химические вещества в различных пропорциях. Чтобы стать хорошим кандидатом на роль тандемных солнечных элементов, комбинация химических веществ должна иметь правильную ширину запрещенной зоны (свойство, отвечающее за поглощение правильной части солнечного спектра), быть стабильной при нормальных температурах и, что самое сложное, не разрушаться под воздействием освещения.

Число возможных перовскитных материалов огромно, и предсказать свойства, которыми будет обладать тот или иной химический состав, очень сложно. Испытание всех возможностей в лаборатории непомерно дорого и отнимает много времени. Чтобы ускорить поиск идеального перовскита, исследователи из Университета штата Северная Каролина решили заручиться помощью роботов.

«Мы сталкиваемся с вариантами материалов каждый раз, когда совершенствуем эту технологию», — сказал Арам Амассян, профессор NCSU и главный исследователь проекта. «Поэтому нам нужна способность создавать новые материалы и оценивать эти материалы. Любому человеку, просматривающему эти материалы, приходится выполнять повторяющуюся, очень трудоемкую работу».

Чтобы сократить эту работу, команда Амассиана создала робота, любовно названного RoboMapper. RoboMapper состоит из двух основных частей, работающих вместе. Первый — бот для подготовки чернил. Получив набор базовых химикатов, этот бот объединяет их в разных пропорциях и превращает в сотни чернил, которые потенциально могут образовывать перовскиты. Второй — печатающий бот, который наносит эти чернила сеткой на одну подложку.

Возможность разместить сотни крошечных образцов на одном чипе (задача, невыполнимая при человеческой ловкости) позволяет исследователям тестировать все эти образцы одновременно, используя различные диагностические инструменты. Исследователи говорят, что это ускоряет синтез и определение характеристик материалов в 14 раз по сравнению с ручным исследованием и в девять раз по сравнению с другими автоматизированными методами.

Чтобы продемонстрировать возможности RoboMapper, исследователи протестировали определенный набор потенциальных смесей перовскитов. Они использовали RoboMapper, чтобы смешать три основных ингредиента в сотнях различных пропорций и распечатать все образцы на одном чипе. Затем они протестировали эти образцы, чтобы определить их структуру, ширину запрещенной зоны и стабильность под воздействием света. На основе этих ускоренных испытаний они построили количественные модели, показывающие, как эти критические свойства изменяются в зависимости от изменяющегося состава. «Мы можем строить прогнозные модели и просматривать области между точками данных», — сказал Амассян. «Иногда лучшие составы могут находиться в неожиданных областях химического состава».

Используя рабочий процесс RoboMapper, исследовательская группа успешно определила «идеальную» смесь перовскитов, которая проявляла желаемые свойства для использования в тандемных солнечных элементах. Этот образец имел правильную ширину запрещенной зоны, а также медленно разрушался под воздействием света по сравнению с альтернативами.

Это открытие представляет собой предварительный шаг на пути к развитию технологии тандемных солнечных батарей. Команда Амассиана протестировала только сам перовскит и не объединила его с кремнием (или каким-либо другим субстратом) для создания тандемных ячеек. Но исследователи используют свой ускоренный инструмент для тестирования других потенциальных смесей и быстро находят новых многообещающих кандидатов.