如何加快发现新的太阳能电池材料

一种被称为钙钛矿的广泛材料被认为是开发新型、更高效太阳能电池最有前途的途径之一。但是这些材料组成元素的无限可能组合使得寻找有希望的新钙钛矿的过程缓慢而艰苦。

现在,麻省理工学院(MIT)和其他几家机构的一组研究人员加快了筛选新配方的过程,使合成和分析新化合物的速度提高了大约10倍。在此过程中,他们已经发现了两组有前景的钙钛矿激发材料,值得进一步研究。

他们的发现发表在本周的《焦耳》杂志上,发表在麻省理工学院研究科学家孙石静(音译)、机械工程教授托尼奥•布纳西斯(Tonio Buonassisi)和其他16位麻省理工学院的科学家以及马里兰州国家标准与技术研究所(National Institute of Standards and Technology)的一篇论文中。

Buonassisi说,令人有些惊讶的是,尽管采用了部分自动化,但是在吞吐量速度上的大部分改进都来自工作流人机工程学。这涉及到更传统的系统效率,通常通过跟踪和计时所涉及的许多步骤来获得:合成新化合物,将它们沉积在基底上结晶,然后使用多种技术观察和分类所得到的晶体结构。

“有必要加快开发新材料,”Buonassisi说,因为世界继续向太阳能发展,包括在太阳能电池板空间有限的地区。但他表示,开发新能源转换材料的典型系统可能需要20年时间,前期资本成本很高。他的团队的目标是将开发时间缩短到两年以下。

从本质上说,研究人员开发了一个系统,可以同时制造和测试多种材料。“我们现在能够使用相同的材料合成平台,获得大量不同的成分。它让我们能够探索大量的参数空间,”他说。

钙钛矿化合物由三种不同的组分组成,传统上被标记为A、B和X位离子,每一种都可以是候选元素列表中的任意一种,形成一个具有不同物理性质的非常大的结构家族。在钙钛矿和受钙钛矿启发的光伏应用材料领域,b位点离子通常是铅,但钙钛矿研究的主要工作是寻找可行的无铅版本,可以匹配或超过基于铅的品种的性能。

研究人员说,虽然已经从理论上预测了一千多种可能有用的钙钛矿配方,但在数百万种理论上可能的组合中,迄今为止只有一小部分是通过实验得到的,这突显出加速过程的必要性。

在实验中,研究小组选择了各种不同的成分,每一种成分都混合在溶液中,然后沉积在基底上,在基底上材料结晶成薄膜。然后用一种叫做x射线衍射的技术对薄膜进行了检测,这种技术可以揭示原子在晶体结构中的排列细节。然后,在卷积神经网络系统的帮助下,对这些x射线衍射图进行初步分类,以加速这一过程。Buonassisi说,单是分类这一步,最初就需要3到5个小时,但通过应用机器学习,这一过程缩短到了5.5分钟,同时保持了90%的准确率。

在对该系统的初步测试中,该团队已经探索了75种不同的配方,而之前合成和表征这些配方所需的时间只有现在的十分之一。在这75种钙钛矿中,他们发现了两种新的无铅钙钛矿系统,它们具有很好的性能,可能具有开发高效太阳能电池的潜力。 

在此过程中,他们首次以薄膜的形式产生了四种化合物;薄膜是用于太阳能电池的理想形式。他们还在一些材料中发现了“非线性带隙可调谐性”的例子,这是一个意想不到的特性,与激发材料中电子所需的能量水平有关,他们说,这为潜在的太阳能电池开辟了新的途径。

该团队表示,随着流程部分的进一步自动化,应该有可能继续提高处理速度,使其速度从10倍提高到100倍。最终,Buonassisi说,这一切都是为了让太阳能尽可能便宜,继续这项技术已经显著的跳水。目的是使经济可持续的价格低于2美分每千瓦时,他说,和得到的结果可能会有一个突破材料:“你所要做的是做一个材料”,只有正确的组合的属性——包括易于制造、低成本的材料,并在将太阳能效率高。

他说:“我们正在把所有的实验装置都安装到位,这样我们就能更快地进行探索。”

这项工作由道达尔公司通过麻省理工学院能源计划、国家科学基金会和新加坡国家研究基金会通过新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟提供支持。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:http://news.mit.edu/2019/solar-cell-material-discovery-perovskite-0605

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