Исследователи создали робота, способного проводить эксперименты более эффективно и устойчиво для разработки целого ряда новых полупроводниковых материалов с желаемыми свойствами. Исследователи уже продемонстрировали, что новая технология, получившая название RoboMapper, может быстро идентифицировать новые перовскитные материалы с улучшенной стабильностью и эффективностью солнечных элементов.
«RoboMapper позволяет нам проводить тестирование материалов быстрее, одновременно снижая затраты и энергопотребление, что делает весь процесс более устойчивым», — говорит Арам Амассиан, автор-корреспондент статьи об этой работе и профессор материаловедения и инженерии в Университете штата Северная Каролина. Статья «Платформа ускорения устойчивых материалов раскрывает стабильные и эффективные металлогалогенидно-перовскитные сплавы с широкой запрещенной зоной» была опубликована 25 июля в журнале Matter.
Традиционные исследования материалов требуют, чтобы исследователь подготовил образец, а затем прошел несколько этапов тестирования каждого образца с использованием различных инструментов. Это включает в себя размещение, выравнивание и калибровку образцов по мере необходимости для сбора данных. Думайте об этом как о сборочной линии, которая отнимает много времени и требует много электроэнергии для питания соответствующих приборов.
Предыдущие попытки автоматизировать этот процесс в значительной степени основывались на автоматизации сборочной линии с перемещением одного образца на чип в течение всего процесса сбора данных. Это повышает скорость, но каждый из этапов все равно приходится выполнять с одним образцом за раз.
«RoboMapper также автоматизирует этот процесс, но размещает десятки образцов на каждом чипе, уменьшая размеры образцов материала с помощью современной печати», — говорит Амассиан. «Он по-прежнему выполняет каждый этап процесса сбора данных, но делает это параллельно для нескольких материалов, экономя время и энергию».
«Это делает поиск новых материалов намного более эффективным, рентабельным и более устойчивым с точки зрения нашего углеродного следа», — говорит Тонгуэй Ван, ведущий автор статьи и аспирант университета Северной Каролины. «Это почти в 10 раз быстрее, чем предыдущие автоматизированные технологии».
Чтобы подтвердить это, команда оценила воздействие традиционных исследований материалов и сбора данных на окружающую среду и сравнила его с RoboMapper.
«Было замечательно обнаружить, что определение характеристик является основным источником выбросов парниковых газов при исследовании материалов», — говорит экономист-эколог Лусия Серрано-Лухан, соавтор статьи и исследователь из Университета Рей Хуан Карлос и Технического университета Картахены. «Способность RoboMapper оптимизировать процесс сбора данных путем размещения десятков материалов на одном чипе в десять раз сократила выбросы парниковых газов».
Чтобы продемонстрировать полезность RoboMapper, исследователи сначала сосредоточились на перовскитных материалах. Перовскиты, которые определяются их кристаллической структурой, лучше, чем кремний, поглощают свет. Это означает, что перовскитовые солнечные элементы могут быть тоньше и легче кремниевых солнечных элементов без ущерба для способности элемента преобразовывать свет в электричество, что делает их центром исследований солнечных технологий следующего поколения.
В частности, исследователи сосредоточились на стабильности перовскита, которая является одной из самых больших проблем в этой области.
«По сути, проблема заключается в том, что перовскитовые материалы имеют тенденцию разрушаться под воздействием света, теряя свойства, которые изначально делали их желательными», — говорит Амассиан. «Мы ищем способы сконструировать эти материалы таким образом, чтобы они были стабильными — это означает, что они сохраняют свои желаемые свойства в течение длительного времени, даже при воздействии света».
И исследователи сделали свое первое значительное открытие с помощью RoboMapper во время демонстрации концепции технологии.
Исследователи поручили RoboMapper изготовить сплавы с использованием определенного набора элементов. Затем RoboMapper изготовил образцы из 150 различных составов сплавов и провел оптическую спектроскопию и рентгенографическую оценку структуры и испытания на стабильность этих образцов.
Тесты RoboMapper были разработаны для того, чтобы определить, подходит ли сплав для тандемных солнечных элементов, а это означает: имеет ли он кристаллическую структуру перовскита; обладает ли он желаемым набором оптических характеристик, известных как ширина запрещенной зоны; и стабилен ли он при воздействии интенсивного света. Затем эти экспериментальные данные были использованы для построения вычислительной модели, которая определила конкретный состав сплава, который, по ее прогнозам, будет обладать наилучшей комбинацией желаемых свойств.
Затем исследователи изготовили желаемый сплав с помощью RoboMapper и с использованием обычных лабораторных методов и протестировали оба варианта.
«Мы можем быстро определить наиболее стабильный состав из возможного набора перовскитных сплавов с заданной шириной запрещенной зоны, используя конкретный набор элементов, которым мы ограничились для этой работы по проверке концепции», — говорит Амассиан. «Материал, который мы идентифицировали с помощью RoboMapper, также оказался более эффективным при преобразовании света в электричество в устройствах на солнечных батареях. Наши традиционные методы подтвердили результаты, полученные с помощью RoboMapper.
«Одна из причин, по которой эксперименты RoboMapper смогли получить такие полезные данные, заключается в том, что конкретный набор экспериментов, который мы использовали, основан на предыдущей работе, которая помогает нам понять взаимосвязь между тем, что мы можем наблюдать в оптических тестах, и стабильностью перовскитных материалов.
«Следующие шаги в этой работе включают расширение ассортимента потенциальных сплавов для тестирования в RoboMapper», — говорит Амассиан. «Мы открыты для сотрудничества с отраслевыми партнерами по поиску новых материалов для фотоэлектрических систем или других применений. И при поддержке Управления военно-морских исследований мы уже используем RoboMapper для улучшения нашего понимания материалов как для органических солнечных элементов, так и для печатной электроники».
Десять авторов статьи являются частью группы ORganic and Carbon Electronics Laboratories (ORaCEL) в штате Северная Каролина, которая представляет собой междисциплинарную команду исследователей, сосредоточенную на ускорении разработки новых полупроводниковых материалов для широкого спектра применений.