Cómo acelerar el descubrimiento de nuevos materiales para células solares



Una amplia clase de materiales llamados perovskitas se considera una de las formas más prometedoras para desarrollar células solares nuevas y más eficientes. Pero el número prácticamente ilimitado de combinaciones posibles de los elementos constitutivos de estos materiales hace que la búsqueda de nuevas perovskitas prometedoras sea lenta y laboriosa.

Ahora, un equipo de investigadores del MIT y varias otras instituciones ha acelerado el proceso de selección de nuevas formulaciones, lo que resulta en un aumento de diez veces en el tiempo necesario para sintetizar y analizar nuevos compuestos. Durante este proceso, ya han descubierto dos conjuntos de nuevos materiales prometedores, inspirados en la perovskita, que merecen una mayor investigación.

Sus hallazgos se describen esta semana en el periódico. jouleen un artículo de Shijing Sun, investigador del MIT, profesor de ingeniería mecánica, Tonio Buonassisi, y otros 16 en el MIT, Singapur y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de Maryland.

Sorprendentemente, aunque se utilizó la automatización parcial, la mayoría de las mejoras en la velocidad de procesamiento resultaron de la ergonomía del flujo de trabajo, explica Buonassisi. Esto implica eficiencias de sistemas más tradicionales, a menudo obtenidos siguiendo y cronometrando los muchos pasos involucrados: sintetizar nuevos compuestos, depositarlos en un sustrato para cristalizarlos, y luego observar y clasificar las formaciones cristalinas resultantes con la ayuda de múltiples técnicas.

"Existe la necesidad de acelerar el desarrollo de nuevos materiales", dice Buonassisi, a medida que el mundo continúa avanzando hacia la energía solar, incluso en áreas donde el espacio para paneles solares es limitado. Pero el sistema típico de desarrollar nuevos materiales de conversión de energía puede llevar 20 años, con costos de inversión iniciales considerables, dice. El objetivo de su equipo es reducir este tiempo de desarrollo a menos de dos años.

Los investigadores han desarrollado esencialmente un sistema para la fabricación y prueba paralelas de una amplia variedad de materiales. "Ahora podemos acceder a una amplia gama de composiciones diferentes, utilizando la misma plataforma de síntesis de material. Esto nos permite explorar una amplia gama de parámetros ", dice.

Los compuestos de perovskita consisten en tres constituyentes distintos, tradicionalmente etiquetados como iones de sitio A, B y X, cada uno de los cuales puede ser cualquiera de una lista de elementos. candidatos, formando una familia estructural muy grande con propiedades físicas variadas. En el campo de la perovskita y los materiales inspirados en perovskita para aplicaciones fotovoltaicas, el sitio B generalmente es el plomo, pero uno de los principales objetivos de la investigación de perovskita es encontrar versiones viables sin plomo que puedan cumplir o exceder El rendimiento del producto líder. variedades.

Aunque teóricamente se han predicho más de mil formulaciones de perovskita potencialmente útiles, sobre millones de combinaciones teóricamente posibles, solo una pequeña fracción de ellas se ha producido hasta la fecha como experimental, destacando el necesidad de un proceso acelerado, dicen los investigadores.

Para los experimentos, el equipo seleccionó varias composiciones, que luego mezclaron en una solución, y luego depositaron en un sustrato, donde el material cristalizó en una película delgada. Luego se examinó la película con la ayuda de una técnica llamada difracción de rayos X, que puede revelar detalles de cómo se ordenan los átomos en la estructura cristalina. Estos patrones de difracción de rayos X se clasificaron utilizando un sistema de red neuronal convolucional para acelerar esta parte del proceso. Según Buonassisi, este paso de clasificación solo inicialmente tomó de tres a cinco horas, pero al aplicar el aprendizaje automático, se redujo a 5.5 minutos mientras se mantenía una precisión del 90%.

En sus primeras pruebas del sistema, el equipo ya había explorado 75 formulaciones diferentes aproximadamente una décima parte del tiempo que le habría llevado antes sintetizarlas y caracterizarlas tanto. Entre estas 75 personas, descubrieron dos nuevos sistemas de perovskita sin plomo con propiedades prometedoras que podrían ofrecer células solares de alta eficiencia.

Durante el proceso, produjeron por primera vez cuatro compuestos en forma de película delgada; Las películas delgadas son la forma deseable para su uso en células solares. También encontraron ejemplos de "sintonización de banda prohibida no lineal" en algunos materiales, una característica inesperada relacionada con el nivel de energía necesaria para excitar un electrón en el material, abriendo así nuevos caminos a las células potencial solar

El equipo dijo que con una mayor automatización de algunas partes del proceso, debería ser posible continuar aumentando la velocidad de procesamiento de 10 a 100 veces más rápido. Según Buonassisi, el objetivo final es hacer que la energía solar sea lo más económica posible, a raíz del ya notable salto de la tecnología. El objetivo es reducir los precios económicamente viables a menos de 2 centavos por kilovatio hora, dijo, y esto podría ser el resultado de un avance único en el campo de los materiales: "Simplemente haga un solo material con la combinación correcta ". propiedades, incluida la facilidad de fabricación, el bajo costo de los materiales y la alta eficiencia de conversión de la luz solar.

"Ponemos todas las piezas experimentales en su lugar para explorar más rápidamente", dice.

El trabajo fue apoyado por Total SA a través de la Iniciativa de Energía MIT, la Fundación Nacional de Ciencia y la Fundación Nacional de Investigación de Singapur por la Alianza Singapur-MIT para Investigación y Tecnología.

Deja un comentario

A %d blogueros les gusta esto: