Los investigadores han creado un robot capaz de realizar experimentos de manera más eficiente y sostenible para desarrollar una gama de nuevos materiales semiconductores con propiedades deseables. Los investigadores ya han demostrado que una nueva tecnología, llamada RoboMapper, puede identificar rápidamente nuevos materiales de perovskita con mayor estabilidad y eficiencia para las células solares.
“RoboMapper nos permite ejecutar pruebas de materiales más rápido al tiempo que reduce los costos y los costos de energía, lo que hace que todo el proceso sea más sostenible”, dice Aram Amassian, autor correspondiente del artículo sobre el trabajo y profesor de ingeniería de materiales en la Universidad Estatal de Carolina del Norte. El artículo “Sustainable Materials Acceleration Platform Reveals Stable and Efficient Wide Bandgap Metal Halide Perovskite Alloys” se publicó el 25 de julio en la revista Material.
Las pruebas de materiales convencionales requieren que el investigador prepare una muestra y luego siga varios pasos para probar cada muestra utilizando diferentes instrumentos. Esto incluye colocar, alinear y calibrar muestras según sea necesario para recopilar datos. Piense en ello como una línea de ensamblaje que consume mucho tiempo y requiere mucha electricidad para alimentar los instrumentos respectivos.
Los intentos anteriores de automatizar este proceso dependían en gran medida de la automatización de la línea de montaje con una muestra por chip pasando por todo el proceso de recopilación de datos. Esto mejora la velocidad, pero cada uno de los pasos aún debe realizarse una muestra a la vez.
“RoboMapper también automatiza este proceso, pero coloca docenas de muestras en cada chip, miniaturizando las muestras de material con impresión moderna”, dice Amassian. “Todavía realiza cada paso del proceso de recopilación de datos, pero lo hace en paralelo en múltiples materiales, lo que ahorra tiempo y energía”.
“Esto hace que la búsqueda de nuevos materiales sea mucho más eficiente, más rentable y más sostenible en términos de nuestra huella de carbono”, dice Tonghui Wang, autor principal del artículo y estudiante de doctorado. estudiante en N.C. State. “Es casi 10 veces más rápido que las técnicas automatizadas anteriores”.
Para confirmar esto, el equipo evaluó el impacto ambiental de la investigación de materiales tradicionales y la recopilación de datos y luego lo comparó con RoboMapper.
“Fue notable encontrar que la caracterización es la principal fuente de emisiones de gases de efecto invernadero en la investigación de materiales”, dice la economista ambiental Lucía Serrano-Luján, coautora del artículo e investigadora de la Universidad Rey Juan Carlos y la Universidad Politécnica de Cartagena. “La capacidad de RoboMapper para agilizar el proceso de recopilación de datos colocando docenas de materiales en el mismo chip ha reducido las emisiones de gases de efecto invernadero en un factor de diez”.
Para demostrar la utilidad de RoboMapper, los investigadores primero se centraron en los materiales de perovskita. Las perovskitas, que se caracterizan por una estructura cristalina, absorben la luz mejor que el silicio. Esto significa que las células solares de perovskita se pueden hacer más delgadas y livianas que las células solares de silicio sin sacrificar la capacidad de la célula para convertir la luz en electricidad, lo que las convierte en un punto central de investigación en tecnologías solares de próxima generación.
En particular, los investigadores se centraron en la estabilidad de la perovskita, que es uno de los mayores desafíos en este campo.
“Básicamente, el desafío es que los materiales de perovskita tienden a degradarse cuando se exponen a la luz, perdiendo las propiedades que los hicieron deseables en primer lugar”, dice Amassian. “Estamos buscando formas de diseñar estos materiales para que sean estables, lo que significa que conservan sus propiedades deseadas durante mucho tiempo, incluso cuando se exponen a la luz”.
Los investigadores hicieron el primer descubrimiento significativo utilizando RoboMapper durante una demostración de prueba de concepto de la tecnología.
Los investigadores encargaron a RoboMapper que fabricara aleaciones utilizando un conjunto específico de elementos. RoboMapper luego hizo muestras con 150 composiciones de aleaciones diferentes y realizó espectroscopía óptica y evaluación estructural de rayos X y pruebas de estabilidad de estas muestras.
Las pruebas de RoboMapper tenían como objetivo determinar si la aleación es adecuada para las células solares en tándem, lo que significa: si tiene una estructura de cristal de perovskita; si tiene un conjunto deseable de propiedades ópticas, conocidas como banda prohibida; y si era estable bajo luz intensa. Estos datos experimentales luego se usaron para construir un modelo computacional que identificó la composición específica de la aleación que se predijo que tenía la mejor combinación de atributos deseados.
Luego, los investigadores crearon la aleación deseada utilizando RoboMapper y técnicas de laboratorio convencionales, y luego probaron ambas.
“Podemos identificar rápidamente la composición más estable del posible conjunto de aleaciones de perovskita en la banda prohibida objetivo utilizando el conjunto específico de elementos a los que nos limitamos en este trabajo de prueba de concepto”, dice Amassian. “El material que identificamos con RoboMapper también demostró ser más eficiente para convertir la luz en electricidad en dispositivos de células solares. Nuestras técnicas convencionales confirmaron los resultados de RoboMapper.
“Una de las razones por las que los experimentos de RoboMapper pudieron generar datos tan útiles es que el conjunto específico de experimentos que utilizamos se basa en trabajos anteriores que informan nuestra comprensión de la relación entre lo que podemos ver en las pruebas ópticas y la estabilidad de los materiales de perovskita.
“Los próximos pasos en este trabajo incluyen ampliar la gama de posibles aleaciones que se probarán en RoboMapper”, dice Amassian. “Estamos abiertos a trabajar con socios de la industria para identificar nuevos materiales para fotovoltaica u otras aplicaciones. Con el apoyo de la Oficina de Investigación Naval, ya estamos usando RoboMapper para avanzar en nuestra comprensión de los materiales tanto para las células solares orgánicas como para la electrónica impresa”.
Los diez autores del artículo forman parte del grupo Organic and Carbon Electronics Laboratories (ORaCEL) en Carolina del Norte, que es un equipo interdisciplinario de científicos centrado en acelerar el desarrollo de nuevos materiales semiconductores para una amplia gama de aplicaciones.
Más información:
Aram Amassian, Sustainable Materials Acceleration Platform, revela aleaciones de haluros metálicos de perovskita estables y eficientes con una amplia banda prohibida, Material (2023). DOI: 10.1016/j.matt.2023.06.040. www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(23)00344-2