Solarzellenforschung revolutionieren: Automatisiertes Smart Lab an der U de Montréal

Heutige Chemielabore arbeiten smarter, nicht härter. Höhere Reproduzierbarkeit und Geschwindigkeit steigern Durchsatz und Forschungsqualität. Wissenschaftler werden endlich von tediosen, repetitiven Aufgaben befreit, um sich auf kreativere Aspekte ihrer Arbeit zu konzentrieren.

Dieser Artikel stellt Dr. Daniel Chartrand, Ph.D. und die Automatisierungsplattform vor, die er an der Université de Montréal (U de M) aufbaute. Die Plattform soll die Forschung der Universität zu Solarzellen für grünere, sauberere Energie beschleunigen.

Dr. Chartrand musste die Fertigung und Charakterisierung kleiner Testsolarzellen in Inertgas-Atmosphärenchambern automatisieren.

Solarzellen

Solarzellen erzeugen Energie, wenn Licht (Photonen) von halbleitenden Materialien absorbiert und in Elektrizität umgewandelt wird. Solarzellen sind die elektrischen Bausteine von Solarmodulen. Häufig für saubere Energieerzeugung genutzt, können sie auch Licht detektieren und dessen Intensität messen.

Solarzellenproduktion ist nicht immer umweltfreundlich aufgrund verbrauchter Materialien und Energie. Deshalb suchen Forscher weltweit nach besseren Produktionswegen.

Dr. Chartrands System bietet Forschern im U-de-M-Chemielabor eine schnelle Automatisierungsplattform, um neue Solarzellenmaterialien und Produktionsmethoden zu erforschen.

Automatisierungsherausforderungen

Die für diese Forschung benötigten Glassubstrate sind empfindlich. Jedes muss sorgfältig in einer Inertgas-Atmosphärenchamber unter exakt gleichen Bedingungen gehandhabt werden. Diese Herausforderung erforderte einen kleinen, kompakten, aber hochpräzisen Roboter, der in beengtem Raum manövrieren kann. Zusätzlich mussten die Plattformkomponenten erschwinglich, hochzuverlässig und einfach zu bedienen sein.

Lösungen

Für die Roboterkomponente wählte Dr. Chartrand den weltweit kleinsten 6-Achs-Roboterarm, den Meca500. Die Montage des Roboters auf einer Linearachse erweiterte seine Reichweite weit über das hinaus, was ein größerer Roboter erreicht hätte. Die minutöse, reproduzierbare Positionierung des Roboters machte ein Ausrichtungssystem via Vision oder andere Mittel überflüssig.

Von manuellen zu robotisierten Bewegungen

Zuerst platziert der Roboter ein Rack auf seiner Basis. Dann transferiert er ein Glassubstrat von der Basis zum Spin-Coater. Ein Liquid-Handler bereitet Flüssigkeiten vor und deponiert sie auf dem Glassubstrat, gefolgt von einer Heizplatte zum Annealing (Wärmebehandlung). Nach Erreichen einer festgelegten Zeit entfernt der Roboter das Glassubstrat von der Platte, dreht es und deponiert es in einem Tray, der – einmal voll – vom Roboter in eine Vakuumkammer für Metaldampfabscheidung geladen wird.

Vorteile

Dank dieser Plattform: Durchsatz um Faktor 10 gesteigert. Minutöse, reproduzierbare Bewegungen möglich, variable Lösungsvorbereitungen und Annealing-Zeiten. Dies bedeutet höhere Forschungsqualität. Vor allem befreit Dr. Chartrands Automatisierung Forscher von tediosen, repetitiven Aspekten ihrer Arbeit, damit sie sich auf Innovation im Dienste der Umwelt konzentrieren können.

Über Dr. Chartrand

Dr. Daniel Chartrand hält einen Ph.D. in Koordinationschemie von der Université de Montréal, wo er seit 14 Jahren arbeitet. Er ist derzeit Research Advisor am Department of Chemistry's Laboratory of Analysis of Materials' and Molecules' Photoactivity (LAMP). Dr. Chartrand hat eine Leidenschaft für Design und Implementierung von Automatisierungen zur Durchsatzsteigerung analytischer Techniken entwickelt – wie diese robotisierte Charakterisierung von Solargeräten.

Die Université de Montréal

Die Université de Montréal ist eine der weltweit führenden Forschungsuniversitäten. Gegründet 1878 in Montreal, Quebec, zielt die Universität darauf ab, zum gesellschaftlichen Wohlergehen beizutragen, indem sie sich an die Spitze des Wissens stellt. Mit diesem Ziel wurde 2019 der neue state-of-the-art Science Complex „MIL Campus“ für Spitzenforschung eingeweiht. Mehr erfahren

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