Un'ampia classe di materiali chiamati perovskiti è considerata una delle strade più promettenti per lo sviluppo di nuovi, celle solari più efficienti. Ma il numero virtualmente illimitato di possibili combinazioni degli elementi costitutivi di questi materiali rende lenta e faticosa la ricerca di nuove promettenti perovskiti.

Ora, un team di ricercatori del MIT e di diverse altre istituzioni ha accelerato il processo di screening di nuove formulazioni, ottenendo un miglioramento di circa dieci volte nella velocità di sintesi e analisi di nuovi composti. Nel processo, hanno già scoperto due serie di nuovi materiali promettenti ispirati alla perovskite che meritano ulteriori studi.

I loro risultati sono descritti questa settimana nella rivista Joule , in un articolo dello scienziato ricercatore del MIT Shijing Sun, professore di ingegneria meccanica Tonio Buonassisi, e altri 16 al MIT, a Singapore, e al National Institute of Standards and Technology nel Maryland.

Un po' sorprendentemente, sebbene sia stata impiegata una parziale automazione, la maggior parte dei miglioramenti nella velocità di produzione è derivata dall'ergonomia del flusso di lavoro, dice Buonassisi. Ciò comporta efficienze dei sistemi più tradizionali, spesso derivato dal monitoraggio e dal cronometraggio dei molti passaggi coinvolti:sintesi di nuovi composti, depositandoli su un substrato per cristallizzare, e poi osservando e classificando le formazioni cristalline risultanti utilizzando molteplici tecniche.

"C'è bisogno di uno sviluppo accelerato di nuovi materiali, "dice Buonassisi, mentre il mondo continua a muoversi verso l'energia solare, anche nelle regioni con spazio limitato per i pannelli solari. Ma il tipico sistema per lo sviluppo di nuovi materiali di conversione dell'energia può richiedere 20 anni, con costi di capitale iniziali significativi, lui dice. L'obiettivo del suo team è ridurre i tempi di sviluppo a meno di due anni.

Essenzialmente, i ricercatori hanno sviluppato un sistema che consente di realizzare e testare in parallelo un'ampia varietà di materiali. "Ora siamo in grado di accedere a una vasta gamma di composizioni diverse, utilizzando la stessa piattaforma di sintesi dei materiali. Ci permette di esplorare una vasta gamma di spazi parametrici, " lui dice.

I composti di perovskite sono costituiti da tre costituenti separati, tradizionalmente etichettato come A, B, e ioni del sito X, ognuno dei quali può essere uno qualsiasi di un elenco di elementi candidati, formando una grande famiglia strutturale con diverse proprietà fisiche. Nel campo della perovskite e dei materiali ispirati alla perovskite per applicazioni fotovoltaiche, lo ione del sito B è tipicamente piombo, ma uno sforzo maggiore nella ricerca sulla perovskite è trovare versioni valide senza piombo che possano eguagliare o superare le prestazioni delle varietà a base di piombo.

Sebbene in teoria siano state previste più di mille formulazioni di perovskite potenzialmente utili, tra milioni di combinazioni teoricamente possibili, solo una piccola parte di questi è stata finora prodotta sperimentalmente, evidenziando la necessità di un processo accelerato, dicono i ricercatori.

Per gli esperimenti, il team ha selezionato una varietà di composizioni diverse, ciascuno dei quali mescolato in una soluzione e poi depositato su un substrato, dove il materiale si cristallizza in un film sottile. Il film è stato quindi esaminato utilizzando una tecnica chiamata diffrazione dei raggi X, che può rivelare dettagli su come gli atomi sono disposti nella struttura cristallina. Questi modelli di diffrazione dei raggi X sono stati quindi inizialmente classificati con l'aiuto di un sistema di rete neurale convoluzionale per accelerare quella parte del processo. Quel passaggio di classificazione da solo, Buonassisi dice, inizialmente impiegava dalle tre alle cinque ore, ma applicando l'apprendimento automatico, questo è stato ridotto a 5,5 minuti mantenendo una precisione del 90%.

Già, nel loro test iniziale del sistema, il team ha esplorato 75 diverse formulazioni in circa un decimo del tempo che in precedenza sarebbe stato necessario per sintetizzare e caratterizzare così tante. Tra quei 75, hanno trovato due nuovi sistemi di perovskite senza piombo che mostrano proprietà promettenti che potrebbero avere un potenziale per celle solari ad alta efficienza.

Nel processo, hanno prodotto per la prima volta quattro composti in forma di film sottile; i film sottili sono la forma desiderabile per l'uso nelle celle solari. Hanno anche trovato esempi di "sintonizzabilità bandgap non lineare" in alcuni dei materiali, una caratteristica inaspettata che riguarda il livello di energia necessario per eccitare un elettrone nel materiale, che dicono apre nuove strade per potenziali celle solari.

Il team afferma che con l'ulteriore automazione di parti del processo, dovrebbe essere possibile continuare ad aumentare la velocità di elaborazione, rendendolo ovunque da 10 a 100 volte più veloce. In definitiva, Buonassisi dice, si tratta di rendere l'energia solare il più economica possibile, continuando il già notevole tuffo della tecnologia. L'obiettivo è portare i prezzi economicamente sostenibili al di sotto dei 2 centesimi per chilowattora, lui dice, e arrivarci potrebbe essere il risultato di un'unica svolta nei materiali:"Tutto quello che devi fare è creare un materiale" che abbia la giusta combinazione di proprietà, inclusa la facilità di fabbricazione, basso costo dei materiali, e ad alta efficienza nel convertire la luce solare.

"Stiamo mettendo a posto tutti i pezzi sperimentali in modo da poter esplorare più velocemente, " lui dice.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.