RoboMapper: Roboter findet Perowskit-Legierung für effizientere Solarzellen

Wissenschaftler der North Carolina State University (NCSU) haben einen Roboter namens RoboMapper entwickelt, der dabei helfen kann, in Experimenten neue Halbleitermaterialen für Solarzellen zu finden. Der Roboter kann schneller neue, stabilere Perowskit-Materialien identifizieren, die die Effizienz von Solarzellen erhöhen können.

Die konventionelle Materialforschung sei mühselig, konstatieren die Forscher in ihrer Studie "Sustainable materials acceleration platform reveals stable and efficient wide-bandgap metal halide perovskite alloys", die im Fachjournal Matter veröffentlicht ist. So müsse der Wissenschaftler eine Probe erst vorbereiten, danach müsse sie in mehreren Schritten einzeln mit verschiedenen Instrumenten überprüft werden. Die Proben müssen dazu platziert, ausgerichtet und kalibriert werden, um sinnvolle Daten erfassen zu können. Es sei wie eine Fließbandarbeit, die viel Zeit in Anspruch nehme. Auch werde viel Strom für die Instrumente benötigt.

"RoboMapper ermöglicht es uns, Materialtests schneller durchzuführen und gleichzeitig die Kosten und den Energieaufwand zu senken, was den gesamten Prozess nachhaltiger macht", sagt Aram Amassian, Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der NCSU.

Versuche, diesen Prozess ähnlich wie am Fließband zu automatisieren, seien fehlgeschlagen. Eine Probe pro Chip durchläuft dabei den gesamten Datenerfassungsprozess. Das führt zwar zu einer schnelleren Verarbeitung. Allerdings müssen die einzelnen Schritte weiterhin mit jeder Probe nacheinander durchgeführt werden.

Effizientere Tests

RoboMapper führt die Tests effizienter durch, in dem er Dutzende Proben auf jedem Chip platziert. Das geschieht mittels moderner Druckverfahren, die es ermöglichen, die Materialproben zu miniaturisieren. Dadurch kann die Datenerfassung für mehrere Materialien parallel erfolgen. Das spart Zeit und Energie. Die Methode sei etwa zehnmal schneller als herkömmliche automatisierte Verfahren, sagen die Forschenden. Dadurch wird die Suche nach neuen Materialien effizienter und kostengünstiger. Zudem falle der CO₂-Fußabdruck kleiner aus.

Den Nutzen des RoboMappers demonstrierten die Wissenschaftler anhand der Untersuchung von Perowskit-Materialien. Perowskite absorbieren Licht stärker als Silizium. Sie eignen sich daher besser zum Bau von Solarzellen, die dann dünner und leichter ausfallen können als Silizium-Solarzellen. Die Perowskit-Solarzelle ist dabei ebenso leistungsfähig. Deshalb konzentriert sich die Forschung auf dieses Material, um so Solartechnik der nächsten Generation zu entwickeln.

Bei den Tests konzentrierten sich die Wissenschaftler auf die Stabilitätsprüfung der Perowskite. Denn sie neigen dazu, sich unter Lichteinwirkung zu zersetzen, was den Verlust ihrer positiven Eigenschaften zufolge hat. "Wir suchen nach Möglichkeiten, diese Materialien so zu entwickeln, dass sie stabil sind, das bedeutet, dass sie ihre erwünschten Eigenschaften auch bei Lichteinwirkung lange Zeit beibehalten", sagt Amassian.

RoboMapper entdeckt bessere Perowskit-Legierung

Die Forscher ließen RoboMapper 150 Proben verschiedener Legierungen erstellen, die der Roboter mittels optischer Spektroskopie, Röntgenstrukturbewertungen und Stabilitätstests untersuchte. RoboMapper stellte so fest, ob eine Legierung für Tandem-Solarzellen geeignet ist, sie die gewünschten optischen Eigenschaften aufweist und bei intensiver Lichteinstrahlung stabil bleibt. Die dabei erfassten Daten wurden dazu verwendet, um ein Berechnungsmodell zu erstellen, mit dem eine spezifische Legierungszusammensetzung identifiziert werden konnte, die die beste Kombination aus den gewünschten Materialeigenschaften aufweist.

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Diese Legierung erstellten die Forschenden mit RoboMapper sowie mit herkömmlichen Labortechniken. Beide Proben analysierten sie und stellten fest, dass die von RoboMapper identifizierte Perowskit-Legierung Licht effektiver in Elektrizität umwandeln konnte.

Die Wissenschaftler wollen nun das Spektrum potenzieller Legierungen für Untersuchungen mit RoboMapper erweitern. Sie suchen derzeit die Zusammenarbeit mit Industriepartnern, um so neue Materialien für die Fotovoltaik und andere Anwendungsgebiete zu finden.

(olb)