Automatización del descubrimiento de materiales de perovskita para células solares fotovoltaicas

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Investigadores de la Universidad de California en San Diego han desarrollado una plataforma automatizada de descubrimiento y ensayo de materiales para tecnologías de células solares de perovskita en tándem. La plataforma robótica es multifuncional, capaz de mezclar precursores, realizar el recubrimiento por rotación, el recocido y la caracterización de las películas delgadas optoelectrónicas.

Centrada inicialmente en la tecnología de la perovskita, se denomina Perovskite Automated Spin Coat Assembly Line (PASCAL). Es adecuada para la ingeniería de composición con el fin de mejorar la durabilidad de los absorbentes de perovskita para aplicaciones de células solares en tándem, y el cribado de composiciones de triple catión y triple haluro.

«En nuestra opinión, hacer que un robot realice tareas repetitivas es eficiente desde el punto de vista de los recursos, ya que libera a investigadores bien formados para las tareas de más alto nivel de generación y comprobación de hipótesis», declaró a pv magazine David P. Fenning, autor correspondiente de la investigación. «También reduce el ruido en los datos experimentales, lo que aumenta la potencia estadística de los experimentos».

Según se informa, la novedosa plataforma permite un ritmo de hasta 430 deposiciones o mediciones de muestras al día. «PASCAL automatiza la fabricación de películas finas mediante los procedimientos estándar de recubrimiento por rotación empleados en los procesos manuales, aunque con una precisión, un control y un mantenimiento de registros superiores a los de los operadores humanos», afirman los investigadores.

PASCAL permite una amplia selección de composiciones y la capacidad de analizar 58 «composiciones únicas» dentro del complejo ámbito de las composiciones de triple haluro y triple catión. También favorece la reproducibilidad del recubrimiento, como demuestra el trabajo del equipo.

«Con este conjunto de datos de cribado, aprovechamos el aprendizaje automático para desarrollar una composición duradera que muestra un desplazamiento casi nulo de los picos de fotoluminiscencia tanto a 85 C como con una fotoexposición de aproximadamente 4 soles», explican los académicos.

A continuación, la composición se transformó en dispositivos prototipo de una sola unión. En la línea de caracterización hay cámaras, fuentes de excitación LED y láser, una lámpara halógena y un espectrómetro. Puede generar un conjunto de datos estándar de campo oscuro, campo claro, fotoluminiscencia y transmitancia, almacenados para cada muestra.

Todo el sistema se controla desde un único ordenador mediante una biblioteca Python personalizada.

Al observar los resultados, la investigación afirmó la eficacia de PASCAL específicamente para la automatización de la investigación de películas delgadas optoelectrónicas procesadas en solución. El enfoque, el hardware y los datos son «prueba de que las plataformas automatizadas son una oportunidad para acelerar la identificación y el descubrimiento de nuevos materiales de película delgada». La accesibilidad de la robótica de bajo coste y las comunidades de código abierto para la automatización fueron un factor facilitador, señaló Fenning.

La plataforma se presentó en el estudio «PASCAL: the perovskite automated spin coat assembly line accelerates composition screening in triple-halide perovskite alloys», publicado en Digital Discovery.

Los comentarios de la industria y la comunidad investigadora han sido positivos. «Hemos recibido muchos ánimos y entusiasmo por parte de los investigadores, desde los que empiezan su carrera hasta los más veteranos, tanto de la industria como del mundo académico. Creo que nuestra aportación más significativa para ellos puede ser que ya no es tan difícil ni tan caro como antes, dados los avances en robótica y las plataformas de código abierto disponibles», afirma Fenning,

De cara al futuro, Fenning afirma: «La estabilidad operativa es el nombre del juego para las perovskitas. Estamos trabajando en estudios que relacionan la durabilidad con las variaciones químicas y de proceso utilizando la base experimental de bajo ruido que proporciona PASCAL».

Añadió que la plataforma PASCAL está apoyando la investigación para «ampliar el procesamiento de la perovskita» en un nuevo centro de investigación dirigido por el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), que recibió financiación de la Oficina de Tecnologías de Energía Solar (SETO) del Departamento de Energía de Estados Unidos. Se llama Accelerated Co-Design of Durable, Reproducible, and Efficient Perovskite Tandems, apodado ADDEPT, un centro nacional que incluye equipos de investigación universitarios de la Universidad de California San Diego, Princeton y el MIT, así como socios industriales, CubicPV y Verde Technologies.

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