Materialforschung Automatisiertes Labor beschleunigt Materialentwicklung

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Forschende am KIT haben mit E-MAP eine automatisierte Plattform für die Materialentwicklung aufgebaut. Robotik und künftig auch KI sollen neue Energiematerialien für die Dünnschicht-Photovoltaik schneller erschließen.

Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hat mit der Energy Materials Acceleration Platform (E-MAP) eine automatisierte Forschungsplattform für die Materialentwicklung aufgebaut. Robotersysteme bereiten Materialien vor, stellen Dünnschichten her und charakterisieren die Proben unter kontrollierten Bedingungen. So können Forschende zahlreiche Materialkombinationen und Herstellungsbedingungen systematisch untersuchen und vielversprechende Ansätze für Dünnschicht-Photovoltaik und andere optoelektronische Anwendungen identifizieren.

Materialien systematisch untersuchen

Für die Entwicklung neuer Funktionsmaterialien müssen häufig viele unterschiedliche Materialkombinationen getestet werden. Herkömmliche Versuchsreihen stoßen dabei schnell an Grenzen, wenn zahlreiche Varianten unter vergleichbaren Bedingungen hergestellt und bewertet werden sollen.

Die E-MAP automatisiert deshalb zentrale Arbeitsschritte im Labor. Dazu gehören die Vorbereitung der Materialien, die Handhabung der Proben, die Abscheidung von Dünnschichten und deren Charakterisierung. „Dadurch lassen sich Experimente mit hoher Präzision und Reproduzierbarkeit durchführen“, sagt Dr. Holger Röhm vom Lichttechnischen Institut (LTI) des KIT. Die Plattform soll helfen, geeignete Materialzusammensetzungen und Herstellungsbedingungen schneller zu erkennen.

Dadurch lassen sich Experimente mit hoher Präzision und Reproduzierbarkeit durchführen

Dr. Holger Röhm, KIT

Geschlossenes System mit modularer Ausstattung

Die E-MAP ist als geschlossenes System ausgeführt. Dadurch können die Forschenden auch empfindliche Materialien unter kontrollierten Bedingungen und einer Schutzatmosphäre verarbeiten. Die Plattform stellt Dünnschichten aus lösungsbasierten Ausgangsmaterialien her.

Ein Mikrofluidiksystem ermöglicht die automatisierte Formulierung und Verarbeitung von Halbleitertinten. Die Anlage wird zudem kontinuierlich um weitere Methoden zur Charakterisierung der Dünnschichten ergänzt. „Ein wesentlicher Vorteil der E-MAP ist ihr modularer Aufbau“, sagt Professor Alexander Colsmann vom LTI. Neue Experimente und Messverfahren könnten integriert und die Plattform dadurch an unterschiedliche wissenschaftliche Fragestellungen angepasst werden.

Auch Kooperationspartner aus Wissenschaft und Industrie sollen eigene Methoden und Geräte in die Plattform einbringen können. Dadurch lässt sich die Anlage für verschiedene Materialien und Anwendungen nutzen.

Auf dem Weg zum Self-Driving Lab

Durch die automatisierten Versuche entstehen große Mengen experimenteller Daten. Diese wollen die Forschenden künftig mit Methoden der Künstlichen Intelligenz auswerten. Vielversprechende Materialkombinationen könnten dadurch bereits in virtuellen Simulationen identifiziert werden. Außerdem sollen autonome oder teilautonome Screening-Prozesse möglich werden.

Dafür verknüpft das KIT verschiedene automatisierte Forschungsplattformen miteinander. „Wenn Synthese, Verarbeitung, Charakterisierung und Datenauswertung miteinander verknüpft werden, entsteht ein Forschungsprozess, in dem wir Experimente zunehmend datengetrieben planen und durchführen können“, sagt Röhm.

Die E-MAP ist als Self-Driving Lab konzipiert, also als weitgehend autonom arbeitende Forschungsplattform. Ihr Aufbau begann 2023. Das KIT stellte bislang rund 600.000 Euro für die technische Ausstattung bereit. Die Carl-Zeiss-Stiftung unterstützte die Entwicklung im Forschungsprojekt KeraSolar.