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Jul 28, 2023

Il nuovo robot cerca i materiali delle celle solari 14 volte più velocemente

Dina Genkina - 24 agosto 2023 15:09 UTC All'inizio di quest'anno, le celle solari a due strati hanno battuto i record con un'efficienza del 33%. Le celle sono costituite da una combinazione di silicio e un materiale chiamato a

Dina Genkina - 24 agosto 2023 15:09 UTC

All’inizio di quest’anno, le celle solari a due strati hanno battuto i record con un’efficienza del 33%. Le celle sono costituite da una combinazione di silicio e un materiale chiamato perovskite. Tuttavia, queste celle solari tandem sono ancora lontane dal limite teorico di un’efficienza pari a circa il 45% e si degradano rapidamente sotto l’esposizione al sole, rendendo la loro utilità limitata.

Il processo di miglioramento delle celle solari tandem prevede la ricerca dei materiali perfetti da sovrapporre l'uno sull'altro, in modo che ciascuno catturi parte della luce solare che manca all'altro. Un potenziale materiale per questo scopo sono le perovskiti, che sono definite dalla loro peculiare struttura cristallina a rombo in un cubo. Questa struttura può essere adottata da molti prodotti chimici in una varietà di proporzioni. Per essere un buon candidato per le celle solari tandem, la combinazione di sostanze chimiche deve avere il giusto bandgap – la proprietà responsabile dell’assorbimento della parte giusta dello spettro solare – essere stabile a temperature normali e, cosa ancora più difficile, non degradarsi sotto illuminazione.

Il numero di possibili materiali perovskiti è vasto e prevedere le proprietà che avrà una determinata composizione chimica è molto difficile. Provare tutte le possibilità in laboratorio è proibitivo in termini di costi e di tempo. Per accelerare la ricerca della perovskite ideale, i ricercatori della North Carolina State University hanno deciso di avvalersi dell’aiuto dei robot.

"Ci occupiamo di varianti di materiale ogni volta che apportiamo un miglioramento a questa tecnologia", ha affermato Aram Amassian, professore alla NCSU e ricercatore principale del progetto. “Quindi abbiamo bisogno della capacità di creare nuovi materiali e valutarli. Chiunque guardi questi materiali deve svolgere un lavoro ripetitivo e ad alta intensità di manodopera”.

Per ridurre questo lavoro, il team di Amassian ha costruito un robot, affettuosamente chiamato RoboMapper. Il RoboMapper è costituito da due parti principali che lavorano insieme. Il primo è il bot per la preparazione dell'inchiostro. Dato un insieme di sostanze chimiche di base, questo robot le combina in proporzioni diverse e le formula in centinaia di inchiostri che possono potenzialmente formare perovskiti. Il secondo è il bot di stampa, che applica questi inchiostri in una griglia su un singolo substrato.

La capacità di posizionare centinaia di minuscoli campioni su un singolo chip, un compito impossibile con la destrezza umana, consente ai ricercatori di testare tutti questi campioni simultaneamente utilizzando vari strumenti diagnostici. I ricercatori affermano che questo accelera la sintesi e la caratterizzazione dei materiali di un fattore 14 rispetto all’esplorazione manuale e di un fattore nove rispetto ad altri metodi automatizzati.

Per mostrare le capacità di RoboMapper, i ricercatori hanno testato una serie specifica di potenziali miscele di perovskite. Hanno utilizzato il RoboMapper per mescolare tre ingredienti base in centinaia di proporzioni diverse e stampare tutti i campioni su un unico chip. Hanno quindi testato questi campioni per determinarne la struttura, il bandgap e la stabilità sotto esposizione alla luce. Da questi test accelerati, hanno costruito modelli quantitativi relativi al modo in cui queste proprietà critiche variano al variare della composizione. "Siamo in grado di costruire modelli predittivi e osservare le aree tra i punti dati", ha affermato Amassian. "A volte le composizioni migliori potrebbero trovarsi in regioni inaspettate dello spazio della composizione chimica."

Utilizzando il flusso di lavoro RoboMapper, il team di ricerca ha identificato con successo una miscela di perovskite “ideale” che mostrava le proprietà desiderate per l’uso nelle celle solari tandem. Questo campione aveva la giusta banda proibita e si degradava lentamente anche sotto esposizione alla luce rispetto alle alternative.

Questa scoperta rappresenta un passo preliminare nel viaggio verso il progresso della tecnologia delle celle solari tandem. Il team di Amassian ha testato solo la perovskite stessa e non l'ha combinata con il silicio (o qualsiasi altro substrato) per creare celle tandem. Ma i ricercatori stanno utilizzando il loro strumento accelerato per testare altre potenziali miscele e stanno rapidamente trovando nuovi candidati promettenti.