RoboMapper — революционная технология поиска перовскитовых материалов с повышенной стабильностью

Исследователи создали робота, способного более эффективно и устойчиво проводить эксперименты по разработке ряда новых полупроводниковых материалов с желаемыми характеристиками.

Исследователи уже продемонстрировали, что новая технология, получившая название RoboMapper, позволяет быстро находить новые перовскитовые материалы с повышенной стабильностью и эффективностью солнечных элементов.

RoboMapper позволяет нам быстрее проводить испытания материалов, снижая при этом затраты и энергозатраты, что делает весь процесс более устойчивым, — говорит Арам Амассиан, соответствующий автор статьи о работе и профессор материаловедения и инженерии в Университете штата Северная Каролина.

Традиционные исследования материалов требуют от исследователя подготовки образца и последующего многоступенчатого тестирования каждого образца с помощью различных приборов. При этом образцы размещаются, выравниваются и калибруются по мере необходимости для сбора данных. Это можно представить как сборочный конвейер, который отнимает много времени и требует большого количества электроэнергии для питания соответствующих приборов.

Предыдущие попытки автоматизировать этот процесс в основном сводились к автоматизации сборочной линии, когда один образец на чипе проходит весь процесс сбора данных. Это повышает скорость, но каждый из этапов все равно приходится выполнять по одному образцу за раз.

RoboMapper также автоматизирует этот процесс, но размещает на каждом чипе десятки образцов, миниатюризируя образцы материала с помощью современной печати, — говорит Амассиан.

Он по-прежнему выполняет каждый этап сбора данных, но делает это для нескольких материалов параллельно, экономя время и энергию.

«Это делает поиск новых материалов гораздо более эффективным, экономичным и экологичным с точки зрения выбросов углекислого газа», — говорит Тонхуи Ванг, ведущий автор статьи и аспирант NC State. „Это почти в 10 раз быстрее, чем предыдущие автоматизированные методы“.

Чтобы подтвердить это, команда оценила воздействие на окружающую среду традиционных методов исследования материалов и сбора данных и сравнила их с RoboMapper.

Было удивительно обнаружить, что определение характеристик является основным источником выбросов парниковых газов при исследовании материалов, — говорит экономист-эколог Люсия Серрано-Лухан, соавтор работы и научный сотрудник Университета Рей-Хуан-Карлос и Технического университета Картахены.

Способность RoboMapper оптимизировать процесс сбора данных за счет размещения десятков материалов на одном чипе позволила сократить выбросы парниковых газов в десять раз.

Для демонстрации возможностей RoboMapper исследователи в первую очередь обратили внимание на перовскитовые материалы. Перовскиты, которые определяются их кристаллической структурой, лучше кремния поглощают свет. Это означает, что перовскитовые солнечные элементы могут быть тоньше и легче кремниевых без ущерба для способности элементов преобразовывать свет в электроэнергию, что делает их одним из основных направлений исследований в области солнечных технологий нового поколения.

В частности, исследователи сосредоточили внимание на стабильности перовскита, что является одной из самых больших проблем в данной области.

В основном, проблема заключается в том, что перовскитовые материалы имеют тенденцию разрушаться под воздействием света, теряя те свойства, которые изначально делали их привлекательными, — говорит Амассиан.

Мы ищем способы создания таких материалов, чтобы они были стабильными — то есть сохраняли свои свойства в течение длительного времени, даже под воздействием света.

Первый значительный результат работы RoboMapper был получен исследователями во время демонстрации технологии в режиме концепта (proof-of-concept).

Исследователи поставили перед RoboMapper задачу создания сплавов с использованием определенного набора элементов. Затем RoboMapper изготовил образцы сплавов 150 различных составов и провел их оптическую спектроскопию, рентгеноструктурную оценку и испытания на стабильность.

Тесты RoboMapper были направлены на определение пригодности сплава для использования в тандемных солнечных батареях: наличие кристаллической структуры перовскита; наличие желаемого набора оптических характеристик, называемых полосовой щелью; стабильность при воздействии интенсивного света. Полученные экспериментальные данные были использованы для построения вычислительной модели, которая позволила определить состав сплава, обладающего наилучшим сочетанием необходимых характеристик.

Затем исследователи изготовили нужный сплав с помощью RoboMapper и с помощью обычных лабораторных методов и провели испытания.

Мы можем быстро определить наиболее стабильный состав из возможного набора перовскитовых сплавов с заданной полосовой щелью, используя конкретный набор элементов, которым мы ограничились в этой работе для доказательства концепции, — говорит Амассиан.

Материал, который мы определили с помощью RoboMapper, оказался также более эффективным при преобразовании света в электричество в солнечных батареях. Наши традиционные методы подтвердили результаты, полученные с помощью RoboMapper.

Одна из причин, по которой эксперименты RoboMapper позволили получить столь полезные данные, заключается в том, что конкретный набор экспериментов, который мы использовали, основан на предыдущей работе, которая позволяет понять взаимосвязь между тем, что мы можем наблюдать в оптических тестах, и стабильностью перовскитовых материалов».

Следующие шаги в этой работе включают расширение диапазона потенциальных сплавов для тестирования в RoboMapper, — говорит Амассиан.

Мы готовы сотрудничать с промышленными партнерами для поиска новых материалов для фотовольтаики или других применений. При поддержке Управления военно-морских исследований мы уже используем RoboMapper для углубления понимания материалов для органических солнечных батарей и печатной электроники.

Результаты опубликованы в издании Matter.

25.07.2023