Широкий класс материалов под названием перовскитов является одним из наиболее перспективных направлений для разработки новых, более эффективных солнечных батарей. Но практически безграничное количество возможных комбинаций из составляющих этих материалов элементов заставляет искать новые перспективные перовскиты медленный и кропотливый.
Теперь, команда исследователей из Массачусетского технологического института и ряда других учреждений ускорило процесс скрининга новых препаратов, достигая примерно десятикратное увеличение скорости синтеза и анализа новых соединений. В процессе, они уже открыли два комплекта новых перспективных перовскит-вдохновенные материалы, которые достойны дальнейшего изучения.
Их результаты описаны на этой неделе в журнале Джоуль, в работе научный сотрудник Массачусетского технологического института Шицзин Солнца, профессор машиностроения Buonassisi Тонио, и 16 другим Массачусетского технологического института в Сингапуре, и в Национальном институте стандартов и технологий в Мэриленде.
Несколько удивительно, хотя была применена частичная автоматизация, большинство улучшений в производительность, в результате эргономики рабочего процесса, говорит Buonassisi. Что включает в себя более традиционные системы эффективности, часто происходит за счет отслеживания и своевременного множество этапов: синтез новых соединений, осаждение их на подложке кристаллизоваться, а затем наблюдая и классифицируя полученную кристаллических образований с использованием нескольких методов.
“Есть необходимость ускорить разработку новых материалов”, — говорит Buonassisi, как мир продолжает двигаться по направлению к солнечной энергии, в том числе в регионах с ограниченным пространством для солнечных панелей. Но типичная система для разработки новых энергии-преобразование материалов может занять 20 лет, имеющие значительные первоначальные капитальные затраты, — говорит он. Цель его команды-вырезать, что срок разработки до двух лет.
По сути, исследователи разработали систему, которая позволяет широкий выбор материалов должны быть изготовлены и испытаны в параллель. “Теперь мы можем получить доступ к большой выбор различных композиций, используя тот же синтез платформа материалами. Это позволяет нам исследовать широкий спектр пространстве параметров”, — говорит он.
Перовскитных соединений состоят из трех отдельных компонентов, традиционно помечены как A, B и Х сайте ионов, каждый из которых может быть любым из списка элементов кандидата, образуя очень большие структурные семье с разнообразными физическими свойствами. В области и перовскит перовскит-вдохновил материалы для фотоэлектрических приложений, B-сайт Иона обычно ведет, но серьезные усилия в Перовский исследования состоит в выявлении жизнеспособного свинцово-бесплатные версии, которые могут соответствовать или превышать производительность на основе свинца сортов.
В то время как более тысячи потенциально полезных перовскит формулы были предсказаны теоретически, из многих теоретически возможных комбинаций, лишь малая часть из них выпускаются до сих пор экспериментально, что свидетельствует о необходимости ускорения процесса, говорят исследователи.
Для экспериментов, команда подобралась разнообразие различных композиций, каждая из которых они смешивают в растворе и осаждаются на подложку, где материал кристаллизуется в тонкой пленке. Затем фильм был осмотрен используя метод рентгеновской дифракции, который может раскрыть детали того, как атомы расположены в кристаллической структуре. Этих дифракционных картин были изначально классифицированы с помощью сверточных нейронных сетей системы, чтобы ускорить эту часть процесса. Классификация шагом в одиночку, Buonassisi говорит, сначала взяли трех до пяти часов, но за счет использования машинного обучения, в этом была снижена до 5,5 минут при сохранении точностью до 90%.
Уже в своих первоначальных испытаний системы, команда исследовали 75 различных составов примерно десятую часть времени он ранее взял бы синтезировать и охарактеризовать, что многие. Среди тех 75, они нашли два новых бессвинцовых систем перовскита, которые обладают перспективными свойствами, которые могут иметь потенциал для высокой эффективности солнечных батарей.
В процессе, они производят четыре соединения в тонкопленочной форме впервые; тонкие пленки являются желательным форме для использования в солнечных батареях. Они также нашли примеры “нелинейной перестройки запрещенной зоны” в некоторых материалов, неожиданная характеристика, которая относится к уровню энергии, необходимой для возбуждения электрона в материале, который они говорят, что открывают новые пути для потенциальных солнечных батарей.
Команда говорит, что с дальнейшей автоматизации части процесса, это должно быть возможным, чтобы продолжить, чтобы увеличить скорость обработки, что делает его в любом месте от 10 до 100 раз быстрее. В конечном счете, Buonassisi говорит, это все о получении солнечной энергии, чтобы как можно более дешевые, продолжая уже замечательной технологии вляпаться. Целью такого сотрудничества является обеспечение экономически устойчивого ценам ниже 2 центов за киловатт-час, говорит он, и становится там могло быть результатом одного прорыва в материалах: “все, что вам нужно сделать, это сделать один материал”, который имеет только правильное сочетание свойств — простота в изготовлении, невысокая стоимость материалов, а высокая эффективность в преобразовании солнечного света.
“Мы вкладываем все экспериментальные куски на месте, так что мы можем исследовать быстрее”, — говорит он.
Работа поддержана общая SA через энергетической инициативы Массачусетского технологического института, Национального научного фонда и Национального исследовательского фонда Сингапура через Сингапур-МТИ Альянса по исследованиям и технологиям.
