Нов робот подпомага проучванията в областта на соларната енергетика

Изследователи създадоха робот, способен да провежда експерименти по по-ефективен и устойчив начин, с цел развиване на гама от нови полупроводникови материали с желани характеристики. Учените вече са демонстрирали, че технологията, наречена RoboMapper, може бързо да идентифицира нови перовскитни материали с подобрени стабилност и ефективност на соларните клетки.

“RoboMapper ни позволява да провеждаме тестовете на материалите по-бързо, като същевременно редуцира и разходите, и потреблението на енергия, което прави целия процес по-устойчив”, каза Арам Амасян, автор на статия по темата и професор по материалознание и инженерство в Щатския университет на Северна Каролина.
Конвенционалното проучване на материали изисква ученият да подготви проба, след което да премине през множество стъпки, за да се тества всяка проба с помощта на различни инструменти. Това включва позициониране, подравняване и калибриране на пробите, както е необходимо с цел събиране на данни. Може да се направи аналогия с линия за асемблиране, която изисква много време и електроенергия за захранване на съответните инструменти.

10 пъти по-бързо

Предходните усилия за автоматизиране на този процес се опират до голяма степен на автоматизирането на линията на асемблиране, като един чип обработва една проба през целия процес на събиране на данни. Това подобрява скоростта, но все още е необходимо всеки един от етапите да се извършва проба по проба.
“RoboMapper също автоматизира този процес, но поставя няколко дузини проби за обработка от всеки чип, като ги миниатюризира с помощта на съвременно принтиране. Той още изпълнява всяка една стъпка от процеса на събиране на данни, но няколко материала се обработват едновременно, което спестява време и енергия”, казва Амасян.

“Това прави търсенето на нови материали много по-ефективно, по-рентабилно и по-устойчиво от гледна точка на въглероден отпечатък. Почти 10 пъти по-бързо е, отколкото с предходни техники за автоматизация”, казва Тонгхуй Уанг, водещ автор на статията и докторант в университета.
За да потвърди това, екипът оценява екологичното въздействие на традиционното проучване на материали и събиране на данни и го сравнява с RoboMapper.
“Беше забележително, че охарактеризирането е основният източник на емисии на парникови газове в рамките на проучването на материалите. Способността на RoboMapper да улесни процеса на събиране на данни редуцира тези емисии десетократно”, обяснява Лучия Серано-Луан, съавтор на статията и изследовател в Университета Рей Хуан Карлос и Техническия Университет в Картахена.

Следващо поколение соларни технологии

За да демонстрират ползата от RoboMapper, изследователите се фокусират първо върху перовскитни материали. Перовскитите, които се дефинират от тяхната кристална структура, са по-добри от силиция в поглъщането на светлина. Това означава, че перовскитните соларни клетки могат да бъдат по-тънки и леки от силициевите соларни клетки, без да се прави компромис със способността им да преобразуват светлина в електроенергия, което ги поставя във фокуса на проучванията на соларни технологии от следващо поколение.

По-специално, изследователите се фокусират върху стабилността на перовскитните материали, която е едно от най-големите предизвикателства в областта.
“Всъщност предизвикателството е, че перовскитните материали са склонни да деградират, когато са изложени на светлина, губейки свойствата си, които ги правят атрактивни на първо място. Търсим начини да направим тези материали стабилни, което означава да запазят желаните си характеристики за по-дълго време, дори когато са изложени на светлина”, пояснява Амасян.

Изследователите правят първото си съществено откритие с RoboMapper при демонстрацията за доказване на концепцията на технологията. Те дават на RoboMapper задачата да направи сплави, използвайки определен набор от елементи. Тогава RoboMapper създава проби със 150 различни състава на сплавите и ги оценява с помощта на оптична спектроскопия, рентгенов структурен анализ и изпитвания на стабилността им.

Тестовете на RoboMapper са предназначени да определят дали дадена сплав е подходяща за тандемни соларни клетки, тоест дали има кристалната структура на перовскит, дали притежава желания набор от оптични характеристики и дали е стабилна при експозиция на интензивна светлина. Тези експериментални данни след това се използват за изграждането на изчислителен модел, който идентифицира специфичен състав на сплав, за която се прогнозира, че има най-добрата комбинация от желани свойства.

След това изследователите създават желаната сплав с RoboMapper и чрез използването на конвенционални лабораторни техники и ги тестват.
“Имахме способността бързо да идентифицираме най-стабилния състав от възможен набор от перовскитни сплави с целеви характеристики като използвахме специфичен набор от елементи, до който се ограничихме за работата си по доказване на концепцията. Материалът, който идентифицирахме с RoboMapper, се оказа и по-ефективен в преобразуването на светлина в електроенергия в устройства със соларни клетки. Конвенционалните ни техники валидираха резултатите от RoboMapper”, казва Амасян.

Той допълва, че една от причините експериментите с RoboMapper да генерират толкова полезни данни е това, че специфичният набор от изследвания, който учените използват, е базиран на техен предходен труд, формиращ представата им за връзката между това, което могат да видят по време на оптичните тестове, и стабилността на перовскитните материали.

“Следващите стъпки са разширяване на диапазона от потенциални сплави за тестване в RoboMapper. Отворени сме за работа с индустриални партньори в посока идентифициране на нови материали за фотоволтаици или други приложения. С подкрепата на Научноизследователското управление на военноморските сили вече използваме RoboMapper, за да подобрим разбирането си за материали за органични соларни клетки и принтирани електронни компоненти”, обяснява Амасян.