Istraživači su stvorili robota sposobnog da efikasnije i održivije sprovodi eksperimente kako bi razvili niz novih poluprovodničkih materijala sa poželjnim atributima. Istraživači su već pokazali da nova tehnologija, nazvana RoboMapper, može brzo da identifikuje nove materijale perovskita sa poboljšanom stabilnošću i efikasnošću solarnih ćelija.
„RoboMapper nam omogućava da brže sprovedemo testiranje materijala, a istovremeno smanjujemo troškove i troškove energije – čineći ceo proces održivijim“, kaže Aram Amassian, odgovarajući autor rada o radu i profesor nauke o materijalima i inženjeringa na Državnom univerzitetu Severne Karoline. Rad „Platforma za ubrzanje održivih materijala otkriva stabilne i efikasne legure metalnog halida perovskita sa širokim razmakom“, objavljen je 25. jula u časopisu Matter.
Istraživanje konvencionalnih materijala zahteva od istraživača da pripremi uzorak, a zatim prođe kroz više koraka da testira svaki uzorak koristeći različite instrumente. Ovo uključuje postavljanje, poravnavanje i kalibraciju uzoraka po potrebi za prikupljanje podataka. Zamislite to kao montažnu liniju koja oduzima vreme i zahteva mnogo električne energije za napajanje relevantnih instrumenata.
Prethodni napori da se ovaj proces automatizuje uglavnom su se oslanjali na automatizaciju montažne linije sa jednim uzorkom po čipu koji se kreće kroz ceo proces prikupljanja podataka. Ovo poboljšava brzinu, ali svaki od koraka i dalje mora da se uradi sa jednim uzorkom u isto vreme.
„RoboMapper takođe automatizuje ovaj proces, ali postavlja desetine uzoraka na svaki čip minijaturizacijom uzoraka materijala uz pomoć modernog štampanja“, kaže Amassian. „I dalje obavlja svaki korak procesa prikupljanja podataka, ali to radi za više materijala paralelno, štedeći vreme i energiju.“
„Ovo čini potragu za novim materijalima daleko efikasnijom, isplativijom i održivijom u smislu našeg ugljičnog otiska“, kaže Tonghui Vang, glavni autor rada i dr. student u državi NC. „To je skoro 10 puta brže od prethodnih automatizovanih tehnika.“
Da bi to potvrdio, tim je procenio uticaj istraživanja tradicionalnih materijala i prikupljanja podataka na životnu sredinu i uporedio ga sa RoboMapper-om.
„Bilo je izvanredno otkriti da je karakterizacija glavni izvor emisije gasova staklene bašte u istraživanju materijala“, kaže ekonomista za životnu sredinu Lusija Serano-Lujan, koautorka rada i istraživač na Univerzitetu Rej Huan Karlos i Tehničkom univerzitetu u Kartaheni. „Sposobnost RoboMapper-a da pojednostavi proces prikupljanja podataka postavljanjem desetina materijala na isti čip smanjila je emisiju gasova staklene bašte deset puta.
Da bi demonstrirali korisnost RoboMappera, istraživači su se prvo fokusirali na materijale perovskita. Perovskiti, koji su definisani svojom kristalnom strukturom, bolji su od silicijuma u apsorpciji svetlosti. To znači da perovskitne solarne ćelije mogu biti tanje i lakše od silicijumskih solarnih ćelija bez žrtvovanja sposobnosti ćelije da pretvara svetlost u električnu energiju – što ih čini žarišnom tačkom za istraživanje solarnih tehnologija sledeće generacije.
Konkretno, istraživači su se fokusirali na stabilnost perovskita, što je jedan od najvećih izazova u ovoj oblasti.
„U osnovi, izazov je u tome što perovskitni materijali imaju tendenciju da se degradiraju kada su izloženi svetlosti, gubeći svojstva koja su ih učinila poželjnim na prvom mestu“, kaže Amassian. „Tražimo načine da konstruišemo ove materijale tako da budu stabilni – što znači da zadržavaju svoja poželjna svojstva dugo vremena, čak i kada su izloženi svetlosti.“
I istraživači su imali svoje prvo značajno otkriće sa RoboMapper-om tokom demonstracije dokaza koncepta tehnologije.
Istraživači su zadužili RoboMapper da napravi legure koristeći definisani skup elemenata. RoboMapper je zatim napravio uzorke sa 150 različitih sastava legura i sproveo optičku spektroskopiju i rendgenske strukturne procene i testove stabilnosti tih uzoraka.
RoboMapper-ovi testovi su dizajnirani da identifikuju da li je legura pogodna za tandem solarne ćelije, što znači: da li ima kristalnu strukturu perovskita; da li je imao poželjan skup optičkih karakteristika, poznatih kao pojas; i da li je bio stabilan kada je izložen intenzivnoj svetlosti. Ovi eksperimentalni podaci su zatim korišćeni za konstruisanje računarskog modela koji je identifikovao specifičnu kompoziciju legure za koju je predviđeno da će imati najbolju kombinaciju željenih atributa.
Istraživači su zatim napravili željenu leguru pomoću RoboMapper-a i koristeći konvencionalne laboratorijske tehnike, i testirali oboje.
„U mogućnosti smo da brzo identifikujemo najstabilniji sastav iz mogućeg skupa legura perovskita u ciljnom pojasu pomoću specifičnog skupa elemenata na koje smo se ograničili za ovaj rad na dokazu koncepta“, kaže Amassian. „Materijal koji smo identifikovali koristeći RoboMapper takođe se pokazao efikasnijim u pretvaranju svetlosti u električnu energiju u uređajima sa solarnim ćelijama. Naše konvencionalne tehnike potvrdile su rezultate RoboMapper-a.
„Jedan od razloga što su RoboMapper-ovi eksperimenti mogli da proizvedu tako korisne podatke je taj što je specifičan skup eksperimenata koji smo koristili zasnovan na prethodnom radu koji daje informacije o našem razumevanju odnosa između onoga što možemo da posmatramo u optičkim testovima i stabilnosti perovskitnih materijala.
„Sledeći koraci za ovaj rad uključuju proširenje spektra potencijalnih legura za testiranje u RoboMapper-u“, kaže Amassian. „Otvoreni smo za saradnju sa industrijskim partnerima na identifikaciji novih materijala za fotonaponske ili druge aplikacije. I uz podršku Kancelarije za pomorska istraživanja, već koristimo RoboMapper da unapredimo naše razumevanje materijala i za organske solarne ćelije i za štampanu elektroniku.“
Deset autora rada su deo grupe ORganic and Carbon Electronics Laboratories (ORaCEL) u državi NC, koja je interdisciplinarni tim istraživača fokusiranih na ubrzanje razvoja novih poluprovodničkih materijala za širok spektar primena.
