如何加快新型太阳能电池材料的发现



一大类叫做钙钛矿材料被认为是最有希望的途径用于开发新的,更高效的太阳能电池之一。但这些材料构成元素的可能组合的几乎无限数量使得为有前途的新的钙钛矿缓慢和艰难搜索。

图描述了在新的简化的流程用来合成基于钙钛矿的材料,它们沉积在基片上以产生薄膜,然后用X射线衍射和其它观测方法分析该膜的特性的步骤序列。新的工艺比以前的方法快十倍左右。研究人员礼貌插图

现在,一队在MIT的研究人员和其他几个机构的加速筛选新配方,实现了合成新化合物的分析速度的大约10倍的改善的过程。在这个过程中,他们已经发现了两套,是值得进一步研究的有前途的新钙钛矿启发材料。

他们的研究结果本周将描述在日记 焦耳在bt365手机的科学家在bt365手机石井太阳,机械工程托尼奥buonassisi教授,16人,在新加坡,并在标准和技术在马里兰州的研究所的论文。

buonassisi说,有点令人惊讶的,尽管部分自动化被使用,大部分在通过速度的改进是由于工作流的人机工程学。涉及更传统的系统的效率,常常通过跟踪和定时所涉及的许多步骤导出:合成的新化合物,它们淀积在衬底上结晶,然后观察并使用多种技术进行分类所得的晶体形成。

“有需要的新材料加速发展,” buonassisi说,作为世界上继续向太阳能移动,包括与太阳能电池板空间有限的区域。但对于发展新能源转换材料可能需要20年,显著前期资本成本的典型系统,他说。他的团队的目标是,开发时间削减至不到两年的时间。

基本上,研究人员开发了一种系统,该系统允许进行和平行测试各种各样的材料。 “我们现在可以访问大范围的不同成分,使用相同材料的合成平台。它使我们能够探索出一条广阔的参数空间,”他说。

钙钛矿化合物包括三个独立的成分,传统上标记为a,b和x位离子,其中的每一个可以是候选元素的列表中的任何一个,从而形成一个非常大的结构家族具有不同的物理性质。在钙钛矿和光伏应用钙钛矿启发材料领域,在B位离子通常是领导,但在钙钛矿研究的主要工作是找到可行的无铅版本,可以匹配或超过铅基的表现品种。

研究人员表示,而超过一千潜在有用的钙钛矿制剂已经理论上预言,在数百万的理论上可能的组合,只有那些的一小部分已被实验性地生产到目前为止,高亮加速过程的需要。

用于实验,该球队选择各种不同的组合物,其中的每一个在它们的溶液中混合,然后沉积在基底,其中该材料结晶成薄膜上的。然后将膜使用称为X射线衍射技术,它可以揭示的原子是如何布置在晶体结构细节检查。这些x射线衍射图案则最初被分类为有卷积神经网络系统的帮助下,以加速该过程的一部分。单靠分类步骤,buonassisi说,最初采取三至五个小时,但通过将机器学习,这被大幅削减至5.5分钟,同时保持90%的准确率。

已经在他们的系统的初步测试,球队在它之前就已经采取措施来合成和表征,很多时间约十分探索75个不同的配方。这些75中,他们发现,表现出可能对高效率太阳能电池的潜力有前途的性能的两种新型无铅钙钛矿系统。  

在这个过程中,它们在产生的第一次薄膜形成四个化合物;薄膜是用于太阳能电池使用期望的形式。他们还发现“非线性带隙调谐性”的例子中的一些材料,即涉及以激发材料,他们认为这打开了潜在的太阳能电池的新途径的电子所需的能量电平的意想不到的特性。

研究小组说,随着工艺的部分进一步自动化,它应该有可能继续提高处理速度,从10到100倍使它在任何地方一样快。最终,buonassisi说,这是所有关于让太阳能发电尽可能便宜的,持续的技术的卓越已经暴跌。其目的是使低于每千瓦时2分钱经济上可持续的价格,他说,越来越有可能是在材料单突破的结果是:“所有你需要做的就是让一个物质”即有着恰到好处的组合的特性 - 包括易于制造,材料成本低,而且在太阳光转换效率高。

“我们把所有的实验片到位,使我们可以探索更快,”他说。

该工作是由道达尔公司通过MIT能源计划,通过新加坡 - bt365手机联盟的研究和技术新加坡国家研究基金会支持由美国国家科学基金会,和。