Зростаючі глобальні енергетичні потреби підштовхують межі сонячної технології. Вчені в Швеції тепер зробили важливий крок до розблокування потенціалу галогенідних перовскітів.
Глобальний попит на електроенергію піднімається швидким темпом, що робить важливим для пошуку стійких способів задоволення майбутніх потреб. Одне можливе рішення полягає в розробці передових матеріалів сонячних батарей, які набагато ефективніші, ніж ті, що використовуються сьогодні. Ці нові матеріали можуть бути виготовлені настільки тонкими та гнучкими, що вони можуть покрити все, від смартфонів до цілих будівель.
Дослідники в Технологічний університет Чалмерса У Швеції нещодавно досягнуто прогресу в боротьбі з одним із найперспективніших, але дивовижних варіантів: галогенідних перовскітів. Поєднуючи комп’ютерні моделювання з машинне навчаннявони починають розгадувати складну поведінку цих матеріалів.
За даними Міжнародного енергетичного агентства, електроенергія вже становить 20 відсотків глобального використання енергії. Протягом наступних 25 років ця частка, як очікується, зросте вище 50 відсотків, що ще більше підкреслює терміновість розвитку більш чистоти та ефективніших енергетичних технологій.
“To meet the demand, there is a significant and growing need for new, environmentally friendly and efficient energy conversion methods, such as more efficient solar cells. Our findings are essential to engineer and control one of the most promising solar cell materials for optimal utilization. It’s very exciting that we now have simulation methods that can answer questions that were unresolved just a few years ago,” says Julia Wiktor, the study’s principal investigator and an associate professor at Chalmers.
Перспективні матеріали для ефективних сонячних батарей
Матеріали, що лежать у групі під назвою галогенідні перовскіти, вважаються найбільш перспективними для виробництва економічно вигідних, гнучких та легких сонячних батарей та оптоелектронних пристроїв, таких як світлодіодні лампочки, оскільки вони надзвичайно ефективно поглинають та випромінюють світло. Однак матеріали перовскіт можуть швидко погіршуватися і знати, як найкраще їх використовувати, потрібно глибше розуміння того, чому це відбувається та як працюють матеріали.
Вчені давно намагаються зрозуміти один конкретний матеріал всередині групи, кристалічну сполуку під назвою йодид формамідінія. Він має видатні оптоелектронні властивості. Більше використання матеріалу заважало його нестабільності, але це можна вирішити, змішавши два типи галогенідних перовскітів. Однак потрібні більше знань щодо двох типів, щоб дослідники могли найкраще контролювати суміш.
Ключ до дизайну та управління матеріалами
Дослідницька група в Chalmers тепер може надати детальний виклад важливої фази матеріалу, який раніше було важко пояснити лише експериментами. Розуміння цієї фази є ключовим фактором для того, щоб мати можливість проектувати та контролювати цей матеріал, так і суміші на основі нього. Дослідження нещодавно було опубліковано в Журнал Американського хімічного товариства.
“Фаза цього матеріалу з низькою температурою вже давно є відсутнім фрагментом дослідницької головоломки, і ми зараз вирішили основне питання щодо структури цієї фази”,-каже дослідник Чалмерса Сангіта Дутта.
Машинне навчання сприяло прориву
Експертиза дослідників полягає у створенні точних моделей різних матеріалів у комп’ютерних моделюваннях. Це дозволяє їм перевірити матеріали, піддаючи їх різним сценаріям, і вони підтверджуються експериментально.
Тим не менш, моделювання матеріалів у галогенідній родині перовскітів є складним, оскільки захоплення та розшифровка їх властивостей вимагає потужних суперкомп’ютерів та тривалого часу моделювання.
“Поєднуючи наші стандартні методи з машинним навчанням, тепер ми можемо запустити моделювання, які є тисячі разів довше, ніж раніше. І наші моделі тепер можуть містити мільйони атомів замість сотень, що наближає їх до реального світу”, – каже Дутта.
Лабораторні спостереження відповідають моделюванню
Дослідники визначили структуру йодиду свинцю формамідінію при низьких температурах. Вони також могли бачити, що молекули формамідінію застрягли в напівстабільному стані, поки матеріал охолоджується. Щоб гарантувати, що їх моделі дослідження відображають реальність, вони співпрацювали з експериментальними дослідниками в Університет Бірмінгема. Вони охололи матеріал до – 200 ° C, щоб забезпечити їх експерименти, що відповідали моделюванню.
“Ми сподіваємось, що розуміння, які ми отримали від моделювання, можуть сприяти тому, як у майбутньому моделювати та проаналізувати складні галогенідні матері матеріали”, – каже Ерік Франссон, на кафедрі фізики в Чалмерс.
Довідка: “Розкриття низькотемпературної фази FAPBI3 за допомогою машинного потенціалу” Сангіта Дутта, Еріка Франссона, Тобіаса Хейнера, Бенджаміна М. Галланта, Домінік Дж. Кубічі, Пола Ерхарт та Джалії Віктор, 14 серпня 2025, Журнал Американського хімічного товариства.
Doi: 10.1021/jacs.5c05265
Дослідження підтримали Шведський фонд стратегічних досліджень, Шведського енергетичного агентства, Шведської дослідницької ради, Європейської дослідницької ради, Фонду КНУТ та Аліси Валленберг та Нано -сфери просування в технологічному університеті Чалмерса. Розрахунки сприяли ресурсам національної академічної інфраструктури для суперкомп’ютерів у Швеції (NAISS) в C3SE.
Ніколи не пропустіть прорив: приєднуйтесь до інформаційного бюлетеня ScitechDaily.
