En bred klass av material som kallas perovskiter anses vara en av de mest lovande vägarna för att utveckla nya, effektivare solceller. Men det praktiskt taget obegränsade antalet möjliga kombinationer av dessa materials beståndsdelar gör sökandet efter lovande nya perovskiter långsamt och mödosamt.

Nu, ett team av forskare vid MIT och flera andra institutioner har påskyndat processen för screening av nya formuleringar, uppnå en ungefär tiofaldig förbättring av synteshastigheten och analysen av nya föreningar. I processen, de har redan upptäckt två uppsättningar av lovande nya perovskit-inspirerade material som är värda att studera vidare.

Deras resultat beskrivs denna vecka i tidskriften Joule , i en artikel av MIT-forskaren Shijing Sun, professor i maskinteknik Tonio Buonassisi, och 16 andra på MIT, i Singapore, och vid National Institute of Standards and Technology i Maryland.

Något överraskande, även om partiell automatisering användes, de flesta av förbättringarna i genomströmningshastigheten berodde på arbetsflödesergonomi, säger Buonassisi. Det innebär mer traditionella systemeffektiviteter, ofta härledd genom att spåra och tajma de många inblandade stegen:syntetisera nya föreningar, avsätta dem på ett substrat för att kristallisera, och sedan observera och klassificera de resulterande kristallformationerna med användning av flera tekniker.

"Det finns ett behov av accelererad utveckling av nya material, säger Buonassisi, när världen fortsätter att röra sig mot solenergi, inklusive i regioner med begränsat utrymme för solpaneler. Men det typiska systemet för att utveckla nya energiomvandlingsmaterial kan ta 20 år, med betydande kapitalkostnader i förväg, han säger. Hans teams mål är att minska utvecklingstiden till under två år.

Väsentligen, forskarna utvecklade ett system som gör att en mängd olika material kan tillverkas och testas parallellt. "Vi har nu tillgång till ett stort utbud av olika kompositioner, använder samma materialsyntesplattform. Det tillåter oss att utforska ett brett utbud av parameterutrymme, " han säger.

Perovskitföreningar består av tre separata beståndsdelar, traditionellt märkt som A, B, och X -platsjoner, var och en kan vara vilken som helst av en lista med kandidatelement, bildar en mycket stor strukturell familj med olika fysiska egenskaper. Inom området perovskit och perovskit-inspirerade material för solcellsapplikationer, B-ställjonen är vanligtvis bly, men en stor ansträngning inom perovskitforskning är att hitta livskraftiga blyfria versioner som kan matcha eller överträffa prestanda hos de blybaserade varianterna.

Medan mer än tusen potentiellt användbara perovskitformuleringar har förutspåtts teoretiskt, av miljontals teoretiskt möjliga kombinationer, bara en liten del av dem har producerats experimentellt hittills, betonar behovet av en påskyndad process, säger forskarna.

För experimenten, laget valde en mängd olika kompositioner, var och en av dem blandade i en lösning och sedan avsattes på ett substrat, där materialet kristalliserades till en tunn film. Filmen undersöktes sedan med en teknik som kallas röntgendiffraktion, som kan avslöja detaljer om hur atomerna är ordnade i kristallstrukturen. Dessa röntgendiffraktionsmönster klassificerades sedan initialt med hjälp av ett konvolutionellt neuralt nätverkssystem för att påskynda den delen av processen. Bara det klassificeringssteget, Buonassisi säger, tog från början tre till fem timmar, men genom att tillämpa maskininlärning, detta minskades till 5,5 minuter samtidigt som 90 procents noggrannhet bibehölls.

Redan, i sina första tester av systemet, laget utforskade 75 olika formuleringar på ungefär en tiondel av den tid det tidigare skulle ha tagit att syntetisera och karakterisera så många. Bland dessa 75, de hittade två nya blyfria perovskitsystem som uppvisar lovande egenskaper som kan ha potential för högeffektiva solceller.

I processen, de producerade fyra föreningar i tunnfilmsform för första gången; tunna filmer är den önskvärda formen för användning i solceller. De hittade också exempel på "icke-linjär avstämning av bandgap" i några av materialen, en oväntad egenskap som hänför sig till energinivån som behövs för att excitera en elektron i materialet, som de säger öppnar nya vägar för potentiella solceller.

Teamet säger att med ytterligare automatisering av delar av processen, det bör vara möjligt att fortsätta att öka bearbetningshastigheten, vilket gör det allt från 10 till 100 gånger så snabbt. I sista hand, Buonassisi säger, det handlar om att få solenergi att vara så billig som möjligt, att fortsätta teknikens redan anmärkningsvärda steg. Målet är att få ekonomiskt hållbara priser under 2 cent per kilowattimme, han säger, och att komma dit kan vara resultatet av ett enda genombrott i material:"Allt du behöver göra är att göra ett material" som har precis rätt kombination av egenskaper - inklusive enkel tillverkning, låg materialkostnad, och hög effektivitet vid omvandling av solljus.

"Vi sätter alla experimentella delar på plats så att vi kan utforska snabbare, " han säger.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.