Hvordan man fremskynder opdagelsen af ​​nye solcellematerialer

En bred klasse af materialer kaldet perovskites betragtes som en af ​​de mest lovende veje til at udvikle nye, mere effektive solceller. Men det praktisk talt ubegrænsede antal mulige kombinationer af disse materialers bestanddele gør søgen efter lovende nye perovskitter langsom og omhyggelig.

Nu, et team af forskere ved MIT og flere andre institutioner har fremskyndet processen med at screene nye formuleringer, at opnå en omkring ti gange forbedring i hastigheden af ​​syntese og analyse af nye forbindelser. I processen, de har allerede opdaget to sæt lovende nye perovskit-inspirerede materialer, som er værdige til yderligere undersøgelse.

Deres resultater er beskrevet i denne uge i tidsskriftet Joule , i et papir af MIT-forsker Shijing Sun, professor i maskinteknik Tonio Buonassisi, og 16 andre på MIT, i Singapore, og ved National Institute of Standards and Technology i Maryland.

Lidt overraskende, selvom der blev anvendt delvis automatisering, de fleste af forbedringerne i gennemløbshastigheden skyldtes workflow-ergonomi, siger Buonassisi. Det involverer mere traditionelle systemeffektiviteter, ofte afledt af sporing og timing af de mange involverede trin:syntetisering af nye forbindelser, aflejre dem på et substrat for at krystallisere, og derefter observere og klassificere de resulterende krystalformationer ved brug af flere teknikker.

"Der er behov for accelereret udvikling af nye materialer, " siger Buonassisi, som verden fortsætter med at bevæge sig mod solenergi, herunder i regioner med begrænset plads til solpaneler. Men det typiske system til udvikling af nye energikonverteringsmaterialer kan tage 20 år, med betydelige forudgående kapitalomkostninger, han siger. Hans teams mål er at reducere udviklingstiden til under to år.

I det væsentlige, forskerne udviklede et system, der gør det muligt at fremstille og afprøve en lang række materialer parallelt. "Vi har nu adgang til en lang række forskellige sammensætninger, bruger den samme materialesynteseplatform. Det giver os mulighed for at udforske en bred vifte af parameterrum, " han siger.

Perovskitforbindelser består af tre separate bestanddele, traditionelt mærket som A, B, og X-sted ioner, som hver kan være et hvilket som helst af en liste over kandidatelementer, danner en meget stor strukturel familie med forskellige fysiske egenskaber. Inden for perovskit og perovskit-inspirerede materialer til fotovoltaiske applikationer, B-stedet ionen er typisk bly, men en stor indsats inden for perovskitforskning er at finde levedygtige blyfri versioner, der kan matche eller overgå ydeevnen af ​​de blybaserede varianter.

Mens mere end tusind potentielt nyttige perovskitformuleringer er blevet forudsagt teoretisk, ud af millioner af teoretisk mulige kombinationer, kun en lille del af dem er blevet fremstillet eksperimentelt indtil videre, fremhæve behovet for en fremskyndet proces, siger forskerne.

Til eksperimenterne, holdet udvalgte en række forskellige sammensætninger, hver af dem blandes i en opløsning og derefter aflejret på et substrat, hvor materialet krystalliserede til en tynd film. Filmen blev derefter undersøgt ved hjælp af en teknik kaldet røntgendiffraktion, som kan afsløre detaljer om, hvordan atomerne er arrangeret i krystalstrukturen. Disse røntgendiffraktionsmønstre blev derefter oprindeligt klassificeret ved hjælp af et konvolutionelt neuralt netværkssystem for at fremskynde den del af processen. Alene det klassificeringstrin, Buonassisi siger, det tog først tre til fem timer, men ved at anvende maskinlæring, dette blev skåret ned til 5,5 minutter, mens 90 procents nøjagtighed blev bibeholdt.

Allerede, i deres indledende test af systemet, holdet udforskede 75 forskellige formuleringer på omkring en tiendedel af den tid, det tidligere ville have taget at syntetisere og karakterisere så mange. Blandt de 75, de fandt to nye blyfri perovskitsystemer, der udviser lovende egenskaber, der kan have potentiale til højeffektive solceller.

I processen, de producerede fire forbindelser i tyndfilmform for første gang; tynde film er den ønskede form til brug i solceller. De fandt også eksempler på "ikke-lineær bandgap tunability" i nogle af materialerne, en uventet egenskab, der relaterer sig til det energiniveau, der er nødvendigt for at excitere en elektron i materialet, som de siger åbner op for nye veje for potentielle solceller.

Teamet siger, at med yderligere automatisering af dele af processen, det skal være muligt at fortsætte med at øge behandlingshastigheden, gør det alt fra 10 til 100 gange så hurtigt. Ultimativt, Buonassisi siger, det handler om at få solenergi til at være så billig som muligt, fortsætter teknologiens allerede bemærkelsesværdige dyk. Målet er at bringe økonomisk bæredygtige priser under 2 cents per kilowatt-time, han siger, og at komme dertil kan være resultatet af et enkelt gennembrud inden for materialer:"Alt du skal gøre er at lave ét materiale", der har den helt rigtige kombination af egenskaber - inklusive nem fremstilling, lave materialepriser, og høj effektivitet ved omdannelse af sollys.

"Vi sætter alle de eksperimentelle dele på plads, så vi kan udforske hurtigere, " han siger.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.