روبوت جديد يبحث عن مواد الخلايا الشمسية بشكل أسرع 14 مرة – آرس تكنيكا

وفي وقت سابق من هذا العام، حطمت الخلايا الشمسية ذات الطبقتين الأرقام القياسية بكفاءة بلغت 33%. وتتكون الخلايا من خليط من السيليكون والبيروفسكايت. ومع ذلك، لا تزال هذه الخلايا الشمسية الترادفية بعيدة عن الحد النظري لفعالية 45%، كما أنها تتحلل بسرعة تحت ضوء الشمس، مما يحد من فائدتها.

تتضمن عملية تطوير الخلايا الشمسية الترادفية إيجاد المواد المناسبة لتكديسها فوق بعضها البعض، حيث يلتقط كل منها بعضًا من ضوء الشمس بينما يفقده الآخر. إحدى المواد المحتملة لهذا هي البيروفسكايت، والتي يتم تحديدها من خلال بنيتها البلورية المميزة في شكل معين في المكعب. ويمكن اعتماد هذا النظام بواسطة العديد من المواد الكيميائية بنسب مختلفة. ولجعل مرشح جيد للخلايا الشمسية، يجب أن تتمتع مجموعة من المواد الكيميائية بفجوة النطاق الصحيحة – الخاصية المسؤولة عن امتصاص الجزء الصحيح من طيف الشمس – وأن تكون مستقرة في درجة حرارة الغرفة، والأصعب من ذلك، ألا تتحلل تحت الضوء.

إن عدد مواد البيروفسكايت المحتملة ضخم، ومن الصعب جدًا التنبؤ بالخصائص التي ستتمتع بها تركيبة كيميائية معينة. إن تجربة كل الاحتمالات في المختبر أمر مكلف للغاية ويستغرق وقتًا طويلاً. لتسريع البحث عن البيروفسكايت المثالي، قرر باحثون من جامعة ولاية كارولينا الشمالية الاستعانة بالروبوتات.

أتمتة عمليات البحث الكيميائية

وقال آرام أمازيان، الأستاذ في جامعة NCSU والباحث الرئيسي للمشروع: “إننا نتعامل مع الاختلافات المادية في كل مرة نقوم فيها بتطوير هذه التكنولوجيا”. “لذلك نحن بحاجة إلى القدرة على إنشاء أشياء جديدة وتقييم هذه الأشياء. أي شخص ينظر إلى هذه الأشياء يجب عليه القيام بعمل متكرر ومكثف للغاية.

ولتخفيف هذه المهمة، قام فريق أماسيان بتطوير روبوت، أطلق عليه اسم Robomapper. يحتوي RoboMapper على مكونين رئيسيين يعملان معًا. الأول هو روبوت لصنع الحبر. مسلحًا بمجموعة من المواد الكيميائية الأساسية، يجمعها الروبوت بمعدلات مختلفة لتكوين مئات من الأحبار التي يمكن أن تشكل البيروفسكايت. والثاني هو روبوت الطباعة، الذي يطبق هذه الأحبار على الركيزة في خطوة واحدة.

إن القدرة على وضع مئات العينات الصغيرة على شريحة واحدة، وهي مهمة مستحيلة ببراعة بشرية، تمكن الباحثين من اختبار كل هذه العينات في وقت واحد باستخدام مجموعة متنوعة من أدوات التشخيص. ويقول الباحثون إنه يسرع عملية تركيب المواد وتوصيفها بمقدار 14 مرة مقارنة بعمليات التفتيش اليدوية وتسع مرات مقارنة بالطرق الآلية الأخرى.

ولإثبات قدرات RoboMapper، اختبر الباحثون مجموعة محددة من مركبات البيروفسكايت المحتملة. لقد استخدموا RoboMapper لخلط المواد الأساسية الثلاثة بمئات النسب المختلفة وطباعة جميع العينات على شريحة واحدة. لقد اختبروا هذه العينات لتحديد بنيتها وفجوة نطاقها واستقرارها تحت التعرض للضوء. ومن هذه التجارب المتسارعة، طوروا نماذج كمية تتعلق بكيفية تنوع هذه الخصائص المهمة للخلط الديناميكي. وقال أمازيان: “يمكننا بناء نماذج تنبؤية وإلقاء نظرة على المناطق الواقعة بين نقاط البيانات”. “في بعض الأحيان يمكن أن تكون أفضل المركبات موجودة في أجزاء غير متوقعة من مساحة المركب الكيميائي.”

وباستخدام سير عمل RoboMapper، نجح فريق البحث في تحديد مركب البيروفسكايت “المثالي” الذي أظهر الخصائص المطلوبة للاستخدام في الخلايا الشمسية المدمجة. كانت هذه العينة ذات فجوة نطاق مثالية وتدهورت ببطء تحت التعرض للضوء مقارنة بالبدائل.

العمل جار

ويمثل هذا الاكتشاف مرحلة مبكرة في رحلة تحسين تكنولوجيا الخلايا الشمسية. اختبر فريق أمازيان البيروفسكايت فقط ولم يدمجه مع السيليكون (أو أي ركيزة أخرى) لإنشاء خلايا ترادفية. لكن الباحثين يستخدمون أداتهم المتسارعة لاختبار مركبات محتملة أخرى ويكتشفون بسرعة مركبات مرشحة جديدة واعدة.

إن استخدام RoboMapper لا يوفر وقت الباحثين فحسب، بل يقلل أيضًا من تكاليف الطاقة لاختبار المواد الجديدة. وفي الواقع، باستخدام هذه التقنية، فإن اختبار المادة يكلف طاقة أقل مما يتطلبه محاكاة خصائصها باستخدام أجهزة الكمبيوتر. سيسمح هذا للباحثين بتوليد كميات كبيرة من بيانات العالم الحقيقي للتطبيق المباشر أو تمهيد تقنيات التعلم الآلي. وقال أماسيان: “على سبيل المثال، لتدريب نماذج التعلم الآلي والذكاء الاصطناعي، نحتاج إلى المزيد من البيانات”. “نحن بحاجة إلى بيانات عالية الجودة. ونحن بحاجة إلى استكشاف الفضاء ذي الأبعاد الأعلى بكفاءة.”

ولا يقتصر هذا النهج على البيروفسكايت أو تطبيقات الخلايا الشمسية، فهو يستخدم بالفعل لتمكين أبحاث أشباه الموصلات القائمة على البيانات. وقال أماسيان: “عندما قمنا بتصميم RoboMapper، صممناه ليكون مرنًا للغاية ومعياريًا وقابلاً للتوسيع”. يمكن تسريع أي بحث عن المواد التي يمكن تصنيعها باستخدام تقنية التحبير من خلال هذه التقنية، بما في ذلك الإلكترونيات المطبوعة، حيث أن RoboMapper هو في المقام الأول روبوت يقوم بتصميم وطباعة المواد غير القابلة للحبر عند الطلب.

موضوع2023. معرف الهوية الرقمي: 10.1016/j.matt.2023.06.040