Schematisk illustration av arbetsflödet för design med hög genomströmning av organiska oorganiska hybridhalogenidhalvledare för solceller och ljusemitterande dioder. Kredit:Yang lab/Energy &Environmental Science
Ingenjörer vid University of California San Diego har utvecklat en beräkningsmetod med hög kapacitet för att designa nya material för nästa generations solceller och lysdioder. Deras tillvägagångssätt genererade 13 nya materialkandidater för solceller och 23 nya kandidater för lysdioder. Beräkningar förutsade att dessa material, kallas hybridhalogenhalvledare, skulle vara stabil och uppvisa utmärkta optoelektroniska egenskaper.
Teamet publicerade sina resultat den 22 maj, 2019 i tidningen Energi- och miljövetenskap .
Hybridhalogenhalvledare är material som består av en oorganisk ram som innehåller organiska katjoner. De visar unika materialegenskaper som inte bara finns i organiska eller oorganiska material.
En underklass av dessa material, kallad hybridhalogenidperovskiter, har väckt stor uppmärksamhet som lovande material för nästa generations solceller och LED -enheter på grund av deras exceptionella optoelektroniska egenskaper och billiga tillverkningskostnader. Dock, hybridperovskiter är inte särskilt stabila och innehåller bly, vilket gör dem olämpliga för kommersiella enheter.
Söker alternativ till perovskiter, ett team av forskare under ledning av Kesong Yang, en professor i nanoteknik vid UC San Diego Jacobs School of Engineering, använda beräkningsverktyg, datamining och dataskärningsteknik för att upptäcka nya hybridhalogenidmaterial bortom perovskiter som är stabila och blyfria. "Vi letar förbi perovskitstrukturer för att hitta ett nytt utrymme för att designa hybridhalvledarmaterial för optoelektronik." Sa Yang.
Yangs team började med att gå igenom de två största kvantmaterialdatabaserna, AFLOW och The Materials Project, och analysera alla föreningar som i kemisk sammansättning liknade blyhalogenidperovskiter. Sedan extraherade de 24 prototypstrukturer för att använda som mallar för att generera hybridorganiska-oorganiska materialstrukturer.
Nästa, de utförde kvantemekanikberäkningar med hög genomströmning på prototypstrukturerna för att bygga ett omfattande kvantmaterialförråd som innehåller 4, 507 hypotetiska hybridhalogenidföreningar. Använda effektiva data mining och datascreeningsalgoritmer, Yangs team identifierade snabbt 13 kandidater för solcellsmaterial och 23 kandidater för lysdioder av alla de hypotetiska föreningarna.
Ett representativt kandidatmaterial, (MA) 2GeI4, med en Pearson -symbol tI14. Kredit:Yang lab
"En studie med hög genomströmning av organiskt-oorganiska hybridmaterial är inte trivialt, "Sa Yang. Det tog flera år att utveckla ett komplett programvaru ramverk med datagenerering, datamining och dataskärmningsalgoritmer för hybridhalogenidmaterial. Det krävde också en stor ansträngning för hans team att få mjukvaran att fungera sömlöst med den programvara de använde för beräkningar med hög kapacitet.
"Jämfört med andra beräkningsdesignmetoder, vi har utforskat ett betydligt stort strukturellt och kemiskt utrymme för att identifiera nya halogenhalvledarmaterial, "sa Yuheng Li, en nanoingenjör Ph.D. kandidat i Yangs grupp och den första författaren till studien. Detta arbete kan också inspirera till en ny våg av experimentella ansträngningar för att validera beräknat förutspådda material, Sa Li.
Går vidare, Yang och hans team använder sin metod med hög kapacitet för att upptäcka nya solceller och LED-material från andra typer av kristallstrukturer. De utvecklar också nya dataminingmoduler för att upptäcka andra typer av funktionella material för energiomvandling, optoelektroniska och spintroniska applikationer.
Bakom kulisserna:SDSC:s "Comet" superdator driver forskningen
Yang tillskriver mycket av hans projekts framgångar till användningen av Comet -superdatorn vid UC San Diego's San Diego Supercomputer Center (SDSC). "Våra storskaliga kvantmekaniska beräkningar krävde ett stort antal beräkningsresurser, "förklarade han." Sedan 2016 har vi har tilldelats datortid-cirka 3,46 miljoner kärntimmar på Comet, vilket gjorde projektet möjligt. "
Medan Comet drev simuleringarna i denna studie, Yang sa att SDSC:s personal också spelade en avgörande roll i hans forskning. Ron Hawkins, SDSC:s chef för branschrelationer, och Jerry Greenberg, en beräkningsforskningsspecialist med centret, såg till att Yang och hans team fick tillräckligt stöd. Forskarna förlitade sig särskilt på SDSC:s personal för studiens sammanställning och installation av beräkningskoder på komet, som finansieras av National Science Foundation.