Badacze z Chalmers wykorzystali symulacje, aby lepiej zrozumieć perowskity 2D, co doprowadziło do spostrzeżeń na temat bardziej stabilnych i wydajnych ogniw słonecznych. Może to pomóc w projektowaniu ulepszonych urządzeń wykorzystujących ekologiczną energię.
Przejście na bardziej ekologiczną energię wymaga bardziej stabilnych i wydajnych materiałów na ogniwa słoneczne. Perowskity halogenkowe okazały się obiecującą alternatywą dla tradycyjnych materiałów na bazie krzemu. Naukowcy z Politechnika Chalmers w Szwecji poczynili znaczne postępy, zdobywając nowy wgląd w funkcjonowanie materiałów perowskitowych, co stanowi ważny postęp w tej dziedzinie.
Perowskity halogenkowe to zbiorcza nazwa grupy materiałów uważanych za bardzo obiecujące i opłacalne w przypadku elastycznych i lekkich ogniw słonecznych oraz różnych zastosowań optycznych, takich jak oświetlenie LED. Dzieje się tak dlatego, że wiele z tych materiałów absorbuje i emituje światło w niezwykle efektywny sposób. Jednakże materiały perowskitowe mogą szybko ulegać degradacji i aby wiedzieć, jak najlepiej zastosować te materiały, konieczne jest głębsze zrozumienie, dlaczego tak się dzieje i jak funkcjonuje materiał.
Symulacje komputerowe i uczenie maszynowe jako pomoce
W grupie perowskitów występują zarówno materiały 3D, jak i 2D, przy czym te ostatnie często są bardziej stabilne. Korzystając z zaawansowanych symulacji komputerowych i uczenia maszynowego, zespół badawczy na Wydziale Fizyki Politechniki Chalmers zbadał serię materiałów perowskitowych 2D i uzyskał kluczowe informacje na temat czynników wpływających na ich właściwości. Wyniki badań przedstawiono w artykule w Listy energetyczne ACS.
„Mapując materiał w symulacjach komputerowych i poddając go różnym scenariuszom, możemy wyciągnąć wnioski na temat reakcji atomów materiału pod wpływem ciepła, światła i tak dalej. Innymi słowy, mamy teraz mikroskopowy opis materiału, który jest niezależny od tego, co wykazały eksperymenty na materiale, ale możemy wykazać, że prowadzi do takiego samego zachowania jak w eksperymentach. Różnica między symulacjami a eksperymentami polega na tym, że możemy dokładnie obserwować, co doprowadziło do końcowych punktów pomiarowych w eksperymentach. Daje nam to znacznie lepszy wgląd w działanie perowskitów 2D” – mówi profesor Paul Erhart, członek zespołu badawczego na Politechnice Chalmers.
Większe systemy można badać przez dłuższe okresy czasu
Ważnym podejściem dla badaczy było wykorzystanie uczenia maszynowego. Udało im się badać większe systemy przez dłuższy czas, niż było to wcześniej możliwe przy użyciu standardowych metod stosowanych zaledwie kilka lat temu.
„Dało nam to o wiele szerszy ogląd niż wcześniej, ale także możliwość znacznie bardziej szczegółowego studiowania materiałów. Widzimy, że w tych bardzo cienkich warstwach materiału każda warstwa zachowuje się inaczej i jest to coś, co jest bardzo, bardzo trudne do wykrycia eksperymentalnie” – mówi profesor nadzwyczajny Julia Wiktor z zespołu badawczego, w którym uczestniczył także badacz Erik Fransson.
Lepsze zrozumienie składu materiału
Materiały perowskitowe 2D składają się z warstw nieorganicznych ułożonych jedna na drugiej, oddzielonych cząsteczkami organicznymi. Zrozumienie precyzyjnych mechanizmów wpływających na interakcję pomiędzy warstwami i tymi cząsteczkami jest kluczowe dla projektowania wydajnych i stabilnych urządzeń optoelektronicznych opartych na materiałach perowskitowych.
„W perowskitach 2D masz warstwy perowskitu połączone z cząsteczkami organicznymi. Odkryliśmy, że można bezpośrednio kontrolować ruch atomów w warstwach powierzchniowych poprzez wybór organicznych łączników i jak wpływa to na ruchy atomów głęboko w warstwach perowskitu. Ponieważ ten ruch ma kluczowe znaczenie dla właściwości optycznych, mamy do czynienia z efektem domina” – mówi Paul Erhart.
Wyniki badań zapewniają lepszy wgląd w możliwości wykorzystania materiałów perowskitowych 2D do projektowania urządzeń do różnych zastosowań i wahań temperatur.
„To naprawdę daje nam możliwość zrozumienia, skąd może brać się stabilność w materiałach perowskitowych 2D, a tym samym prawdopodobnie pozwala nam przewidzieć, które łączniki i wymiary mogą sprawić, że materiał będzie zarówno bardziej stabilny, jak i wydajniejszy w tym samym czasie. Naszym kolejnym krokiem jest przejście na jeszcze bardziej złożone systemy, a w szczególności interfejsy, które są fundamentalne dla funkcjonowania urządzeń” – mówi Julia Wiktor.
Odniesienie: „Impact of Organic Spacers and Dimensionality on Templating of Halide Perovskites” autorstwa Erika Franssona, Julii Wiktor i Paula Erharta, 18 lipca 2024 r., Listy energetyczne ACS.
DOI: 10.1021/acsenergylett.4c01283
Badania były wspierane przez Szwedzką Radę ds. Badań Naukowych, Inicjatywę Chalmersa na rzecz Rozwoju Technik Neutronowych i Synchrotronowych, Szwedzką Fundację Badań Strategicznych oraz Program Akademii Wallenberga. Obliczenia były możliwe dzięki zasobom Narodowej Infrastruktury Akademickiej dla Superkomputerów w Szwecji (NAISS) w C3SE.
