Ingenieurs van de Universiteit van Californië in San Diego hebben een rekenmethode met hoge doorvoer ontwikkeld om nieuwe materialen te ontwerpen voor de volgende generatie zonnecellen en LED's. Hun aanpak leverde 13 nieuwe materiaalkandidaten voor zonnecellen en 23 nieuwe kandidaten voor leds op. Berekeningen voorspelden dat deze materialen, zogenaamde hybride halide halfgeleiders, stabiel zou zijn en uitstekende opto-elektronische eigenschappen zou vertonen.

Het team publiceerde hun bevindingen op 22 mei, 2019 in het journaal Energie en milieuwetenschappen .

Hybride halide-halfgeleiders zijn materialen die bestaan ​​uit een anorganisch raamwerk waarin organische kationen zijn ondergebracht. Ze vertonen unieke materiaaleigenschappen die niet alleen in organische of anorganische materialen voorkomen.

Een subklasse van deze materialen, hybride halide perovskieten genoemd, hebben veel aandacht getrokken als veelbelovende materialen voor de volgende generatie zonnecellen en LED-apparaten vanwege hun uitzonderlijke opto-elektronische eigenschappen en goedkope fabricagekosten. Echter, hybride perovskieten zijn niet erg stabiel en bevatten lood, waardoor ze ongeschikt zijn voor commerciële apparaten.

Op zoek naar alternatieven voor perovskieten, een team van onderzoekers onder leiding van Kesong Yang, een professor nano-engineering aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering, gebruikte rekentools, datamining en datascreeningtechnieken om nieuwe hybride halogenidematerialen te ontdekken die verder gaan dan perovskieten die stabiel en loodvrij zijn. "We kijken langs perovskietstructuren om een ​​nieuwe ruimte te vinden om hybride halfgeleidermaterialen voor opto-elektronica te ontwerpen." zei Yang.

Yang's team begon met het doornemen van de twee grootste databases van kwantummaterialen, AFLOW en het materialenproject, en het analyseren van alle verbindingen die qua chemische samenstelling vergelijkbaar waren met loodhalogenideperovskieten. Vervolgens hebben ze 24 prototypestructuren geëxtraheerd om te gebruiken als sjablonen voor het genereren van hybride organisch-anorganische materiaalstructuren.

Volgende, ze voerden high-throughput quantummechanica-berekeningen uit op de prototypestructuren om een ​​uitgebreide repository voor kwantummaterialen te bouwen met 4, 507 hypothetische hybride halogenideverbindingen. Met behulp van efficiënte algoritmen voor datamining en gegevensscreening, Yang's team identificeerde snel 13 kandidaten voor zonnecelmaterialen en 23 kandidaten voor LED's uit alle hypothetische verbindingen.

"Een high-throughput studie van organisch-anorganische hybride materialen is niet triviaal, " Yang zei. Het duurde enkele jaren om een ​​compleet softwareraamwerk te ontwikkelen dat was uitgerust met gegevensgeneratie, datamining en data screening algoritmen voor hybride halide materialen. Het kostte zijn team ook veel moeite om het softwareframework naadloos te laten samenwerken met de software die ze gebruikten voor berekeningen met hoge doorvoer.

"Vergeleken met andere computationele ontwerpbenaderingen, we hebben een aanzienlijk grote structurele en chemische ruimte verkend om nieuwe halide-halfgeleidermaterialen te identificeren, " zei Yuheng Li, een nano-engineering Ph.D. kandidaat in de groep van Yang en de eerste auteur van de studie. Dit werk zou ook een inspiratie kunnen zijn voor een nieuwe golf van experimentele inspanningen om computationeel voorspelde materialen te valideren, zei Li.

Vooruit gaan, Yang en zijn team gebruiken hun high-throughput-aanpak om nieuwe zonnecel- en LED-materialen uit andere soorten kristalstructuren te ontdekken. Ze ontwikkelen ook nieuwe dataminingmodules om andere soorten functionele materialen voor energieconversie te ontdekken, opto-elektronische en spintronische toepassingen.

Achter de schermen:SDSC's 'Comet'-supercomputer drijft het onderzoek aan

Yang schrijft een groot deel van het succes van zijn project toe aan het gebruik van de Comet-supercomputer in het San Diego Supercomputer Center (SDSC) van UC San Diego. "Onze grootschalige kwantummechanica-berekeningen vereisten een groot aantal computerbronnen, " legde hij uit. "Sinds 2016, we zijn beloond met rekentijd - zo'n 3,46 miljoen kernuren op Comet, die het project mogelijk hebben gemaakt."

Hoewel Comet de simulaties in deze studie aanstuurde, Yang zei dat het SDSC-personeel ook een cruciale rol speelde in zijn onderzoek. Ron Hawkins, SDSC's directeur brancherelaties, en Jerry Greenberg, een computationeel onderzoeksspecialist bij het Centrum, zorgde ervoor dat Yang en zijn team adequate ondersteuning kregen. De onderzoekers vertrouwden vooral op het SDSC-personeel voor de compilatie en installatie van computercodes op Comet, die wordt gefinancierd door de National Science Foundation.