Una amplia clase de materiales llamados perovskitas se considera una de las avenidas más prometedoras para desarrollar nuevos, células solares más eficientes. Pero el número prácticamente ilimitado de combinaciones posibles de los elementos constituyentes de estos materiales hace que la búsqueda de nuevas perovskitas prometedoras sea lenta y laboriosa.

Ahora, un equipo de investigadores del MIT y varias otras instituciones ha acelerado el proceso de selección de nuevas formulaciones, logrando una mejora de aproximadamente diez veces en la velocidad de síntesis y análisis de nuevos compuestos. En el proceso, ya han descubierto dos conjuntos de nuevos materiales prometedores inspirados en la perovskita que merecen un estudio más a fondo.

Sus hallazgos se describen esta semana en la revista. Joule , en un artículo del científico investigador del MIT Shijing Sun, profesor de ingeniería mecánica Tonio Buonassisi, y otras 16 personas en el MIT, En Singapur, y en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de Maryland.

Algo sorprendente, aunque se empleó la automatización parcial, la mayoría de las mejoras en la velocidad de producción se debieron a la ergonomía del flujo de trabajo, dice Buonassisi. Eso implica eficiencias de sistemas más tradicionales, a menudo derivado del seguimiento y cronometraje de los muchos pasos involucrados:sintetizar nuevos compuestos, depositarlos sobre un sustrato para cristalizar, y luego observar y clasificar las formaciones de cristales resultantes utilizando múltiples técnicas.

"Existe la necesidad de un desarrollo acelerado de nuevos materiales, "dice Buonassisi, a medida que el mundo sigue avanzando hacia la energía solar, incluso en regiones con espacio limitado para paneles solares. Pero el sistema típico para desarrollar nuevos materiales de conversión de energía puede tardar 20 años, con importantes costos de capital iniciales, él dice. El objetivo de su equipo es reducir ese tiempo de desarrollo a menos de dos años.

Esencialmente, los investigadores desarrollaron un sistema que permite fabricar y probar una amplia variedad de materiales en paralelo. "Ahora podemos acceder a una gran variedad de composiciones diferentes, utilizando la misma plataforma de síntesis de materiales. Nos permite explorar una amplia gama de espacios de parámetros, " él dice.

Los compuestos de perovskita constan de tres componentes separados, tradicionalmente etiquetado como A, B, e iones del sitio X, cada uno de los cuales puede ser cualquiera de una lista de elementos candidatos, formando una familia estructural muy grande con diversas propiedades físicas. En el campo de la perovskita y los materiales inspirados en perovskita para aplicaciones fotovoltaicas, el ion del sitio B es típicamente plomo, pero un esfuerzo importante en la investigación de la perovskita es encontrar versiones viables sin plomo que puedan igualar o superar el rendimiento de las variedades a base de plomo.

Si bien se han predicho teóricamente más de mil formulaciones de perovskita potencialmente útiles, de millones de combinaciones teóricamente posibles, solo una pequeña fracción de los que se han producido experimentalmente hasta ahora, destacando la necesidad de un proceso acelerado, dicen los investigadores.

Para los experimentos, el equipo seleccionó una variedad de composiciones diferentes, cada uno de los cuales se mezclaron en una solución y luego se depositaron sobre un sustrato, donde el material cristalizó en una película delgada. Luego, la película se examinó utilizando una técnica llamada difracción de rayos X, que puede revelar detalles de cómo están dispuestos los átomos en la estructura cristalina. Estos patrones de difracción de rayos X se clasificaron inicialmente con la ayuda de un sistema de red neuronal convolucional para acelerar esa parte del proceso. Ese paso de clasificación solo, Buonassisi dice:inicialmente tomó de tres a cinco horas, pero aplicando el aprendizaje automático, esto se redujo a 5,5 minutos manteniendo una precisión del 90 por ciento.

Ya, en su prueba inicial del sistema, el equipo exploró 75 formulaciones diferentes en aproximadamente una décima parte del tiempo que antes hubiera tardado en sintetizar y caracterizar esa cantidad. Entre esos 75, encontraron dos nuevos sistemas de perovskita sin plomo que exhiben propiedades prometedoras que podrían tener potencial para células solares de alta eficiencia.

En el proceso, produjeron cuatro compuestos en forma de película delgada por primera vez; las películas delgadas son la forma deseable para su uso en células solares. También encontraron ejemplos de "sintonización de banda prohibida no lineal" en algunos de los materiales, una característica inesperada que se relaciona con el nivel de energía necesario para excitar un electrón en el material, lo que, según ellos, abre nuevas vías para posibles células solares.

El equipo dice que con una mayor automatización de partes del proceso, debería ser posible seguir aumentando la velocidad de procesamiento, haciéndolo entre 10 y 100 veces más rápido. Por último, Buonassisi dice:se trata de conseguir que la energía solar sea lo más económica posible, continuando la ya notable caída de la tecnología. El objetivo es llevar precios económicamente sostenibles por debajo de 2 centavos por kilovatio-hora, él dice, y llegar allí podría ser el resultado de un único avance en los materiales:"Todo lo que tiene que hacer es hacer un material" que tenga la combinación correcta de propiedades, incluida la facilidad de fabricación, bajo costo de materiales, y alta eficiencia en la conversión de la luz solar.

"Estamos colocando todas las piezas experimentales para que podamos explorar más rápido, " él dice.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.