研究人员创造了一种能够更有效和可持续地进行实验的机器人，以开发一系列具有理想属性的新型半导体材料。研究人员已经证明，这种名为RoboMapper的新技术可以快速识别新的钙钛矿材料，同时提高稳定性和太阳能电池效率。
“RoboMapper使我们能够更快地进行材料测试，同时也降低了成本和能源开销，使整个过程更具可持续性，”Aram Amassian说，他是一篇关于这项工作的论文的通讯作者，也是北卡罗来纳州立大学材料科学与工程教授。这篇题为“可持续材料加速平台揭示了稳定高效的宽禁带金属卤化物钙钛矿合金”的论文发表在7月25日的《物质》杂志上。
传统的材料研究需要研究人员准备一个样品，然后经过多个步骤，使用不同的仪器测试每个样品。这包括根据需要放置、对准和校准样品以收集数据。把它想象成一条既耗时又需要大量电力来驱动相关仪器的装配线。
以前自动化这一过程的努力在很大程度上依赖于自动化装配线，每个芯片一个样本通过整个数据收集过程。这提高了速度，但每个步骤仍然必须一次完成一个样本。
“RoboMapper也自动化了这一过程，但在现代印刷技术的帮助下，通过将材料样品小型化，在每个芯片上放置了数十个样品，”Amassian说。“它仍然执行数据收集过程的每一步，但它可以并行处理多种材料，从而节省时间和能源。”
“这使得寻找新材料更加高效，更具成本效益，并且在碳足迹方面更具可持续性，”该论文的主要作者，北卡罗来纳州立大学的博士生王同辉说。“它比以前的自动化技术快近10倍。”
为了证实这一点，该团队评估了传统材料研究和数据收集对环境的影响，并将其与RoboMapper进行了比较。
该论文的合著者、雷胡安卡洛斯大学和卡塔赫纳技术大学的研究员环境经济学家Lucía Serrano-Luján说:“发现表征是材料研究中温室气体排放的主要来源，这是值得注意的。”“RoboMapper通过在同一芯片上放置数十种材料来简化数据收集过程，从而将温室气体排放量减少了十倍。”
为了展示RoboMapper的实用性，研究人员首先关注了钙钛矿材料。钙钛矿，由其晶体结构决定，在吸收光方面比硅更好。这意味着钙钛矿太阳能电池可以比硅太阳能电池更薄、更轻，而不会牺牲电池将光转化为电的能力——这使它们成为下一代太阳能技术研究的焦点。
具体来说，研究人员关注的是钙钛矿的稳定性，这是该领域最大的挑战之一。
“基本上，挑战在于钙钛矿材料暴露在光线下往往会降解，失去最初使它们成为理想的特性，”Amassian说。“我们正在寻找设计这些材料的方法，使它们稳定-这意味着它们即使暴露在光线下也能长时间保持其理想的性能。”
在RoboMapper的概念验证演示中，研究人员获得了第一个重大发现。
研究人员要求RoboMapper使用一组确定的元素制造合金。然后，RoboMapper制作了150种不同合金成分的样品，并对这些样品进行了光谱学和x射线结构评估以及稳定性测试。
RoboMapper的测试旨在确定合金是否适合用于串联太阳能电池，这意味着:它是否具有钙钛矿的晶体结构;它是否具有一组理想的光学特性，即带隙;以及它在强光下是否稳定。然后，这些实验数据被用来构建一个计算模型，该模型可以确定特定的合金成分，并预测该合金成分将具有所需属性的最佳组合。
然后，研究人员使用RoboMapper和传统的实验室技术制作了所需的合金，并对两者进行了测试。
Amassian说:“我们能够快速地从一组可能的钙钛矿合金中识别出最稳定的成分，这些成分位于目标带隙中，使用的是我们在这个概念验证工作中限制自己使用的特定元素。”“我们使用RoboMapper发现的材料在太阳能电池设备中将光能更有效地转化为电能。我们的常规技术验证了RoboMapper的结果。
“RoboMapper的实验能够产生如此有用的数据的一个原因是，我们使用的特定实验套件是基于以前的工作，这让我们了解了我们在光学测试中观察到的结果与钙钛矿材料稳定性之间的关系。
“这项工作的下一步包括扩大在RoboMapper中测试的潜在合金的范围，”Amassian说。“我们愿意与行业合作伙伴合作，为光伏或其他应用寻找新材料。在海军研究办公室的支持下，我们已经在使用RoboMapper来推进我们对有机太阳能电池和印刷电子材料的理解。”
这篇论文的10位作者是北卡罗来纳州立大学有机和碳电子实验室(ORaCEL)小组的成员，这是一个跨学科的研究团队，专注于加速开发新的半导体材料，用于广泛的应用。
更多信息:Aram Amassian，可持续材料加速平台揭示稳定和高效的宽禁带金属卤化物钙钛矿合金，物质(2023)。DOI: 10.1016 / j.matt.2023.06.040。www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(23)00344-2期刊信息:Matter
北卡罗来纳州立大学提供
引用:新型机器人推动太阳能研究(2023,July 25) 2023年7月25日检索自https://techxplore.com/news/2023-07-robot-boosts-solar-energy.html本文档
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