新型机器人推动太阳能研究

研究人员创造了一种能够更高效、更可持续地进行实验的机器人，以开发一系列具有理想属性的新半导体材料。研究人员已经证明，这项名为RoboMapper的新技术可以快速识别新的钙钛矿材料，提高稳定性和太阳能电池效率。

“RoboMapper使我们能够更快地进行材料测试，同时还可以降低成本和能源开销 - 使整个过程更具可持续性，”Aram Amassian说.

传统的材料研究需要研究人员准备一个样品，然后经过多个步骤，使用不同的仪器测试每个样品。这包括根据需要放置、对准和校准样品以收集数据。把它想象成一条既耗时又需要大量电力来驱动相关仪器的装配线。

以前自动化这一过程的努力在很大程度上依赖于装配线的自动化，每个芯片一个样本贯穿整个数据收集过程。这提高了速度，但每个步骤仍然需要一次完成一个样本。

Amassian说：“RoboMapper也实现了这一过程的自动化，在现代印刷的帮助下，通过将材料样本小型化，在每个芯片上放置数十个样本。它仍然执行数据收集过程的每一步，但它对多个材料并行执行，节省了时间和精力。”

“这使得寻找新材料更加高效，更具成本效益，并且在碳足迹方面更具可持续性。”北卡罗来纳州立大学的博士生王同辉说，“它比以前的自动化技术快近10倍。”

为了证实这一点，该团队评估了传统材料研究和数据收集对环境的影响，并将其与RoboMapper进行了比较。

“发现表征是材料研究中温室气体排放的主要来源，这是非常了不起的。”环境经济学家Lucía Serrano-Luján说，“RoboMapper通过在同一芯片上放置数十种材料来简化数据收集过程的能力将温室气体排放量减少了十倍。”

为了证明RoboMapper的实用性，研究人员首先关注钙钛矿材料。钙钛矿是由其晶体结构决定的，在吸收光方面比硅更好。这意味着钙钛矿太阳能电池可以比硅太阳能电池更薄、更轻，而不会牺牲电池将光转化为电的能力，这使其成为下一代太阳能技术研究的焦点。

具体而言，研究人员专注于钙钛矿的稳定性，这是该领域最大的挑战之一。

Amassian说：“基本上，挑战在于钙钛矿材料在暴露于光下时往往会降解，失去最初使其理想的特性。我们正在寻找设计这些材料的方法，使其稳定——这意味着即使暴露在光下，它们也能长时间保持理想的性能。”

研究人员在RoboMapper技术的概念验证演示中首次发现了这一重要发现。

研究人员让RoboMapper使用一组定义好的元素制造合金。RoboMapper随后制作了150种不同合金成分的样品，并对这些样品进行了光谱、X射线结构评估和稳定性测试。

RoboMapper的测试旨在确定合金是否适合串联太阳能电池，这意味着：它是否具有钙钛矿的晶体结构；它是否具有一组理想的光学特性，即带隙；以及暴露在强光下是否稳定。然后，这些实验数据被用来构建一个计算模型，该模型确定了一种特定的合金成分，它预测该成分将具有所需属性的最 佳组合。

然后，研究人员用RoboMapper和传统的实验室技术制作了所需的合金，并对两者进行了测试。

Amassian说：“我们能够使用我们为这项概念验证工作所限制的特定元素套件，在目标带隙处从一组可能的钙钛矿合金中快速确定最稳定的成分。我们使用RoboMapper确定的材料在太阳能电池设备中将光转化为电方面也更有效。我们的传统技术验证了RoboMaper的结果。

“RoboMapper的实验能够产生如此有用的数据的一个原因是，我们使用的一套特定实验是基于之前的工作，这些工作使我们了解了我们在光学测试中观察到的与钙钛矿材料稳定性之间的关系。

Amassian说：“这项工作的下一步包括扩大在RoboMapper中测试的潜在合金的范围。我们愿意与行业合作伙伴合作，确定用于光伏或其他应用的新材料。