Een brede klasse van materialen, perovskieten genaamd, wordt beschouwd als een van de meest veelbelovende wegen voor de ontwikkeling van nieuwe, efficiëntere zonnecellen. Maar het vrijwel onbeperkte aantal mogelijke combinaties van de samenstellende elementen van deze materialen maakt de zoektocht naar veelbelovende nieuwe perovskieten traag en nauwgezet.

Nutsvoorzieningen, een team van onderzoekers van het MIT en verschillende andere instellingen heeft het proces van het screenen van nieuwe formuleringen versneld, het bereiken van een ongeveer tienvoudige verbetering in de snelheid van de synthese en analyse van nieuwe verbindingen. In het proces, ze hebben al twee reeksen veelbelovende nieuwe perovskiet-geïnspireerde materialen ontdekt die verder onderzoek waard zijn.

Hun bevindingen worden deze week beschreven in het tijdschrift Joule , in een paper van MIT-onderzoeker Shijing Sun, hoogleraar werktuigbouwkunde Tonio Buonassisi, en 16 anderen bij MIT, in Singapore, en bij het National Institute of Standards and Technology in Maryland.

Enigszins verrassend, hoewel gedeeltelijke automatisering werd toegepast, de meeste verbeteringen in de doorvoersnelheid waren het gevolg van ergonomie van de workflow, zegt Buonassisi. Dat brengt meer traditionele systeemefficiëntie met zich mee, vaak afgeleid door het volgen en timen van de vele stappen:het synthetiseren van nieuwe verbindingen, ze op een substraat afzetten om te kristalliseren, en vervolgens de resulterende kristalformaties observeren en classificeren met behulp van meerdere technieken.

"Er is behoefte aan versnelde ontwikkeling van nieuwe materialen, " zegt Buonasisi, terwijl de wereld steeds meer richting zonne-energie gaat, ook in regio's met beperkte ruimte voor zonnepanelen. Maar het typische systeem voor het ontwikkelen van nieuwe materialen voor energieconversie kan 20 jaar duren, met aanzienlijke initiële kapitaalkosten, hij zegt. Het doel van zijn team is om die ontwikkeltijd terug te brengen tot minder dan twee jaar.

Eigenlijk, de onderzoekers ontwikkelden een systeem waarmee een grote verscheidenheid aan materialen parallel kan worden gemaakt en getest. "We hebben nu toegang tot een groot aantal verschillende composities, gebruikmakend van hetzelfde materiaalsyntheseplatform. Het stelt ons in staat om een ​​breed scala aan parameterruimte te verkennen, " hij zegt.

Perovskietverbindingen bestaan ​​uit drie afzonderlijke bestanddelen, traditioneel bestempeld als A, B, en X-site-ionen, die elk een van een lijst van kandidaat-elementen kunnen zijn, vormen een zeer grote structurele familie met diverse fysieke eigenschappen. Op het gebied van perovskiet en perovskiet-geïnspireerde materialen voor fotovoltaïsche toepassingen, de B-site ion is typisch lood, maar een grote inspanning in het onderzoek naar perovskiet is om levensvatbare loodvrije versies te vinden die de prestaties van de op lood gebaseerde variëteiten kunnen evenaren of overtreffen.

Hoewel theoretisch meer dan duizend potentieel bruikbare perovskietformuleringen zijn voorspeld, uit miljoenen theoretisch mogelijke combinaties, slechts een klein deel daarvan is tot nu toe experimenteel geproduceerd, wijst op de noodzaak van een versneld proces, zeggen de onderzoekers.

Voor de experimenten, het team selecteerde verschillende composities, die ze elk in een oplossing vermengden en vervolgens op een substraat afzetten, waar het materiaal kristalliseerde tot een dunne film. De film werd vervolgens onderzocht met behulp van een techniek genaamd röntgendiffractie, die details kan onthullen over hoe de atomen in de kristalstructuur zijn gerangschikt. Deze röntgendiffractiepatronen werden vervolgens in eerste instantie geclassificeerd met behulp van een convolutioneel neuraal netwerksysteem om dat deel van het proces te versnellen. Die classificatiestap alleen, Buonassisi zegt, duurde aanvankelijk drie tot vijf uur, maar door machine learning toe te passen, dit werd teruggebracht tot 5,5 minuten met behoud van een nauwkeurigheid van 90 procent.

Nu al, bij hun eerste testen van het systeem, het team onderzocht 75 verschillende formuleringen in ongeveer een tiende van de tijd die het voorheen zou hebben gekost om zoveel te synthetiseren en te karakteriseren. Onder die 75, ze vonden twee nieuwe loodvrije perovskietsystemen die veelbelovende eigenschappen vertonen die mogelijk potentieel hebben voor hoogrenderende zonnecellen.

In het proces, ze produceerden voor het eerst vier verbindingen in dunnefilmvorm; dunne films zijn de gewenste vorm voor gebruik in zonnecellen. Ze vonden ook voorbeelden van "niet-lineaire bandgap-afstembaarheid" in sommige materialen, een onverwachte eigenschap die betrekking heeft op het energieniveau dat nodig is om een ​​elektron in het materiaal te exciteren, waarvan ze zeggen dat het nieuwe wegen opent voor potentiële zonnecellen.

Het team zegt dat met verdere automatisering van delen van het proces, het moet mogelijk zijn om de verwerkingssnelheid te blijven verhogen, waardoor het overal 10 tot 100 keer zo snel is. uiteindelijk, Buonassisi zegt, het gaat erom dat zonne-energie zo goedkoop mogelijk is, voortzetting van de toch al opmerkelijke duik van de technologie. Het doel is om economisch houdbare prijzen onder de 2 cent per kilowattuur te brengen, hij zegt, en om daar te komen zou het resultaat kunnen zijn van een enkele doorbraak in materialen:"Alles wat je hoeft te doen is één materiaal te maken" dat precies de juiste combinatie van eigenschappen heeft, inclusief het gemak van fabricage, lage materiaalkosten, en hoog rendement bij het omzetten van zonlicht.

"We zetten alle experimentele stukken op hun plaats zodat we sneller kunnen verkennen, " hij zegt.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.