Ученые разгадали загадку солнечного материала, который может стать прорывом в области возобновляемых источников энергии.
Потребление электроэнергии в мире стремительно растет, и эту проблему необходимо решать с учетом принципов устойчивого развития. Разработка новых материалов может привести к созданию гораздо более эффективных солнечных батарей, чем те, что используются сейчас. Эти материалы настолько тонкие и гибкие, что из них можно сделать что угодно — от корпуса мобильного телефона до целого здания. Используя компьютерное моделирование и машинное обучение, исследователи из Технологического университета Чалмерса в Швеции сделали важный шаг к пониманию и освоению галогенидов перовскита — одних из самых многообещающих, но при этом загадочных материалов.
Потребление электроэнергии во всем мире постоянно растет, и, по данным Международного энергетического агентства, ожидается, что через 25 лет ее доля в общем мировом энергопотреблении превысит 50 % по сравнению с нынешними 20 %.
«Чтобы удовлетворить спрос, необходимо разработать новые, экологически чистые и эффективные методы преобразования энергии, например более эффективные солнечные батареи. Наши результаты крайне важны для разработки и контроля одного из самых перспективных материалов для солнечных батарей с целью их оптимального использования. Очень здорово, что теперь у нас есть методы моделирования, которые позволяют ответить на вопросы, остававшиеся без ответа всего несколько лет назад», — говорит Юлия Виктор, главный исследователь проекта и доцент Чалмерского университета.
Перспективные материалы для эффективных солнечных батарей
Материалы из группы галогенидных перовскитов считаются наиболее перспективными для производства экономичных, гибких и легких солнечных батарей и оптоэлектронных устройств, таких как светодиодные лампы, поскольку они чрезвычайно эффективно поглощают и излучают свет. Однако перовскитные материалы могут быстро разрушаться, и для того, чтобы понять, как их лучше использовать, необходимо разобраться, почему это происходит и как работают эти материалы.
Ученые долгое время пытались понять свойства одного из материалов этой группы — кристаллического соединения под названием йодид свинца-формиадиния. Он обладает выдающимися оптоэлектронными свойствами. Широкому использованию этого материала препятствовала его нестабильность, но эту проблему можно решить, смешав два типа галогенидов перовскита. Однако для того, чтобы исследователи могли лучше контролировать процесс смешивания, необходимо больше информации об этих двух типах.
Ключ к разработке и контролю качества материалов
Исследовательская группа из Чалмерского университета теперь может подробно описать важную фазу материала, которую ранее было сложно объяснить с помощью одних только экспериментов. Понимание этой фазы — ключ к разработке и контролю как самого материала, так и смесей на его основе. Исследование было недавно опубликовано в Journal of the American Chemical Society.
«Низкотемпературная фаза этого материала долгое время оставалась недостающим элементом исследовательской головоломки, и теперь мы нашли ответ на фундаментальный вопрос о структуре этой фазы», — говорит исследователь из Чалмерса Сангита Дутта.
Прорыв стал возможен благодаря машинному обучению
Специалисты в этой области создают точные модели различных материалов с помощью компьютерного моделирования. Это позволяет им тестировать материалы, подвергая их различным воздействиям, и подтверждать результаты экспериментально.
Тем не менее моделирование материалов из семейства галогенидных перовскитов — непростая задача, поскольку для определения и расшифровки их свойств требуются мощные суперкомпьютеры и длительное моделирование.
«Объединив наши стандартные методы с машинным обучением, мы теперь можем проводить симуляции, которые длятся в тысячи раз дольше, чем раньше. А наши модели теперь могут содержать миллионы атомов вместо сотен, что приближает их к реальному миру», — говорит Дутта.
Лабораторные наблюдения соответствуют моделированию
Исследователи определили структуру йодида свинца-формидиния при низких температурах. Они также обнаружили, что молекулы формидиния застревают в полустабильном состоянии при охлаждении материала. Чтобы убедиться, что их модели отражают реальное положение дел, они сотрудничали с исследователями из Бирмингемского университета. Они охладили материал до -200 °C, чтобы убедиться, что результаты экспериментов соответствуют результатам моделирования.
«Мы надеемся, что результаты моделирования помогут в будущем моделировать и анализировать сложные галогенидные перовскитные материалы», — говорит Эрик Франссон с факультета физики Чалмерского университета.