R&D magazine
2019_280_11
Inženirji na kalifornijski univerzi v San Diegu so razvili visoko zmogljivo računalniško metodo za načrtovanje novih materialov za sončne celice naslednje generacije in LED. S svojim pristopom so izbrali 13 novih potencialnih materialov za sončne celice in 23 novih materialov, ki bi jih lahko uporabili za LED. Na podlagi izračunov predvidevajo, da bodo ti materiali, imenovani hibridni halogenigni polprevodniki, stabilni in bodo imeli odlične optoelektronske lastnosti.
Skupina je svoje ugotovitve objavila 22. maja 2019 v reviji Energy & Environmental Science.
Hibridni halogenidni polprevodniki so materiali, ki so sestavljeni iz anorganskega ogrodja, v katerem so organski kationi. Njihova značilnost so edinstvene lastnosti materiala, ki jih ne moremo najti skupaj v čistih organskih ali samo anorganskih materialih.
Podvrsta teh materialov, imenovana hibridni halogenidni perovskiti, je pritegnila veliko pozornosti kot obetavni material za izdelavo sončnih celic naslednje generacije in svetlobnih LED diod zaradi izjemnih optoelektronskih lastnosti in nizkih stroškov izdelave. Vendar hibridni perovskiti niso ravno stabilni in vsebujejo svinec, zaradi česar so neprimerni za komercialne naprave.
Skupina raziskovalcev, ki jo je vodil Kesong Yang, profesor nanotehnike na inženirski šoli UC San Diego Jacobs, je iskala alternative perovskitom in uporabila računalniška orodja, rudarjenje podatkov in tehnike pregledovanja podatkov za odkrivanje novih hibridnih halogenidnih materialov onkraj meja perovskitov, ki so stabilni in ki ne vsebujejo svinca. “Raziskujemo že znane perovskitne strukture, da bi našli nov prostor za oblikovanje hibridnih polprevodniških materialov za optoelektroniko.” Je rekel Yang.
Yang-ova ekipa je začela z raziskovanjem dveh največjih zbirk podatkov o kvantnih materialih, AFLOW in The Materials Project in analizirala vse spojine, ki so bile po kemijski sestavi podobne svinčevim halogenidnim perovskitom. Nato so izločili 24 prototipov struktur, ki so jih uporabili kot predloge za ustvarjanje struktur hibridnih organskih in anorganskih materialov.
Nato so z visokozmogljivimi izračuni kvantne mehanike na prototipnih strukturah izvedli izračune, s čimer so dobili obsežen spisek kvantnih materialov, ki vsebuje 4.507 hipotetičnih hibridnih halogenidnih spojin. Yangjeva ekipa je iz vseh hipotetičnih spojin z učinkovitimi algoritmi za iskanje in pregledovanje podatkov hitro prepoznala 13 kandidatov za materiale sončnih celic in 23 kandidatov za LED.
“Visokozmogljiva študija organskih in anorganskih hibridnih materialov ni preprosta zadeva,” je dejal Yang. »Kar nekaj let je trajalo, da smo razvili popolno programsko ogrodje, opremljeno z algoritmi za pridobivanje podatkov, rudarjenje podatkov in algoritmi za pregledovanje podatkov za hibridne halogenidne materiale. Celotna ekipa je vložila ogromno truda in naporov, da je programska oprema brezhibno delovala v kombinaciji s programsko opremo, ki jo uporabljajo za visoko zmogljive izračune. V primerjavi z drugimi računskimi načini iskanja novih materialov smo raziskali bistveno večji strukturni in kemični prostor, da bi prepoznali nove halogene polprevodniške materiale,” je dejal Yuheng Li, doktor znanosti na področju nanotehniki, član Yang-ove skupine in prvi avtor te študije. »To delo bi lahko spodbudilo tudi nov val eksperimentalnih prizadevanj za potrditev računalniško predvidenih materialov,« je dejal Li.
Če pogledamo še naprej, uporablja Yang s svojo ekipo visokozmogljiv pristop tudi za odkrivanje novih sončnih celic in LED materialov iz kristalnih struktur drugih vrst. Prav tako razvijajo nove module za pridobivanje podatkov, s katerimi bi pospešili odkrivanje drugih vrst funkcionalnih materialov za pretvorbo energije, optoelektronske in spintronične aplikacije.
V zakulisju teh odkritij raziskave omogoča superračunalnik SDC ‘Comet’
Yang večji del zaslug za uspešnost svojega projekta pripisuje uporabi superračunalnika Comet v superračunalniškem centru San Diego v San Diegu (SDSC). “Naši obsežni izračuni kvantne mehanike so zahtevali ogromno število računskih virov,” je pojasnil. “Od leta 2016 smo dobili kot nagrado podarjen računalniški čas – približno 3,46 milijona jedrnih ur na Cometu, kar je sploh omogočilo ta projekt.”
Yang je ob tem še poudaril, da je med Cometovim izvajanjem simulacij za to študijo tudi osebje SDSC igralo eno od ključnih vlog pri njihovi raziskavi. Ron Hawkins, direktor SDSC za odnose z industrijo in Jerry Greenberg, specialist za računalniške raziskave tega centra sta potrdila, da so Yangu in njegovi ekipi pri njihovem delu nudili vso potrebno podporo. Raziskovalci so se še s posebnim zaupanjem lahko zanesli na osebje SDSC pri pripravi študije in namestitvi računskih kod na Cometu, ki ga financira Nacionalna znanstvena fundacija.
