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Jul 28, 2023

新しいロボットは太陽電池材料を 14 倍速く検索します

Dina Genkina – 2023年8月24日午後3時09分（協定世界時） 今年初め、2層太陽電池が効率33％という記録を打ち立てた。 セルはシリコンとシリコンと呼ばれる素材の組み合わせで作られています。

ディナ・ゲンキナ - 2023 年 8 月 24 日午後 3:09 UTC

今年初め、2層太陽電池が効率33％という記録を打ち立てた。 セルはシリコンとペロブスカイトと呼ばれる材料の組み合わせで作られています。 しかし、これらのタンデム型太陽電池は効率が約 45% という理論上の限界にはまだ程遠く、太陽光にさらされるとすぐに劣化してしまうため、その有用性は限られています。

タンデム型太陽電池を改良するプロセスには、互いの上に積層するのに最適な材料を探索することが含まれ、それぞれが他方に欠けている太陽光の一部を捕捉します。 この可能性のある材料の 1 つはペロブスカイトです。ペロブスカイトは、立方体の中にひし形をした独特の結晶構造によって定義されます。 この構造は、さまざまな割合で多くの化学物質に採用できます。 タンデム型太陽電池の優れた候補となるためには、化学物質の組み合わせが適切なバンドギャップ (太陽のスペクトルの適切な部分を吸収する特性) を持ち、常温で安定しており、最も困難なことに、照明下で劣化しない必要があります。

考えられるペロブスカイト材料の数は膨大であり、特定の化学組成が持つ特性を予測することは非常に困難です。 研究室であらゆる可能性を試すには、法外な費用と時間がかかります。 理想的なペロブスカイトの探索を加速するために、ノースカロライナ州立大学の研究者たちはロボットの助けを借りることにしました。

「私たちはこの技術を改良するたびに、材料の変異に対処しています」とNCSUの教授であり、このプロジェクトの主任研究員であるアラム・アマシアン氏は述べています。 「したがって、新しい材料を作成し、それらの材料を評価する能力が必要です。 これらの資料を見る人は誰でも、反復的で非常に労働集約的な作業を行う必要があります。」

この作業を軽減するために、Amassian のチームは愛情を込めて RoboMapper と名付けたロボットを作成しました。 RoboMapper は、連携して動作する 2 つの主要な部分で構成されています。 1 つ目はインク準備ボットです。 基本化学物質のセットが与えられると、このボットはそれらをさまざまな割合で組み合わせて、ペロブスカイトを形成する可能性のある数百のインクを調合します。 2 つ目は印刷ボットで、これらのインクを 1 枚の基材にグリッド状に塗布します。

人間レベルの器用さでは不可能な作業である、数百の小さなサンプルを単一のチップ上に配置する機能により、研究者はさまざまな診断ツールを使用してこれらすべてのサンプルを同時にテストできます。 研究者らは、これにより材料の合成と特性評価が手動探索と比較して 14 倍、他の自動化手法と比較して 9 倍高速化できると述べています。

RoboMapper の機能を実証するために、研究者らは潜在的なペロブスカイト混合物の特定のセットをテストしました。 彼らは RoboMapper を使用して 3 つの基本成分を何百もの異なる割合で混合し、すべてのサンプルを 1 つのチップに印刷しました。 次に、これらのサンプルをテストして、その構造、バンドギャップ、および光暴露下での安定性を決定しました。 これらの加速試験から、これらの重要な特性が組成の変化に応じてどのように変化するかを関連付ける定量的モデルを構築しました。 「私たちは予測モデルを構築し、データポイント間の領域を調べることができます」とアマシアン氏は語った。 「場合によっては、より優れた組成が化学組成空間の予期しない領域にある可能性があります。」

研究チームは、RoboMapper ワークフローを使用して、タンデム太陽電池での使用に望ましい特性を示す「理想的な」ペロブスカイト混合物を特定することに成功しました。 このサンプルは適切なバンドギャップを持ち、代替品と比較して光暴露下でもゆっくりと劣化しました。

この発見は、タンデム型太陽電池技術の進歩に向けた第一歩となる。 アマッシアン氏のチームはペロブスカイト自体をテストしただけで、タンデムセルを作成するためにペロブスカイトをシリコン（または他の基板）と組み合わせることはしなかった。 しかし、研究者らは加速ツールを使用して他の潜在的な混合物をテストし、有望な新しい候補を急速に見つけています。