Datavidenskab hjælper ingeniører med at opdage nye materialer til solceller og LED'er

Ingeniører ved University of California San Diego har udviklet en high-throughput beregningsmetode til at designe nye materialer til næste generation af solceller og LED'er. Deres tilgang genererede 13 nye materialekandidater til solceller og 23 nye kandidater til LED'er. Beregninger forudsagde, at disse materialer, kaldet hybridhalogenid-halvledere, ville være stabil og udvise fremragende optoelektroniske egenskaber.

Holdet offentliggjorde deres resultater den 22. maj, 2019 i bladet Energi- og miljøvidenskab .

Hybridhalogenidhalvledere er materialer, der består af en uorganisk ramme, der rummer organiske kationer. De viser unikke materialeegenskaber, som ikke findes i organiske eller uorganiske materialer alene.

En underklasse af disse materialer, kaldet hybridhalogenidperovskitter, har tiltrukket sig stor opmærksomhed som lovende materialer til næste generation af solceller og LED-enheder på grund af deres exceptionelle optoelektroniske egenskaber og billige fremstillingsomkostninger. Imidlertid, hybridperovskitter er ikke særlig stabile og indeholder bly, gør dem uegnede til kommercielle enheder.

Søger alternativer til perovskites, et team af forskere ledet af Kesong Yang, en nanoingeniørprofessor ved UC San Diego Jacobs School of Engineering, brugte beregningsværktøjer, datamining og datascreeningsteknikker for at opdage nye hybride halogenidmaterialer ud over perovskiter, der er stabile og blyfrie. "Vi kigger forbi perovskitstrukturer for at finde et nyt rum til at designe hybride halvledermaterialer til optoelektronik." sagde Yang.

Yangs team startede med at gennemgå de to største kvantematerialedatabaser, AFLOW og Materials Project, og analysere alle forbindelser, der i kemisk sammensætning lignede blyhalogenidperovskitter. Derefter udtog de 24 prototypestrukturer til brug som skabeloner til at generere hybride organisk-uorganiske materialestrukturer.

Næste, de udførte højkapacitets kvantemekaniske beregninger på prototypestrukturerne for at bygge et omfattende kvantematerialelager indeholdende 4, 507 hypotetiske hybridhalogenidforbindelser. Brug af effektiv datamining og datascreeningsalgoritmer, Yangs team identificerede hurtigt 13 kandidater til solcellematerialer og 23 kandidater til LED'er ud af alle de hypotetiske forbindelser.

"En undersøgelse med høj gennemstrømning af organisk-uorganiske hybridmaterialer er ikke triviel, " sagde Yang. Det tog flere år at udvikle en komplet softwareramme udstyret med datagenerering, datamining og datascreeningsalgoritmer for hybride halogenidmaterialer. Det krævede også hans team en stor indsats at få softwarerammerne til at fungere problemfrit med den software, de brugte til beregninger med høj kapacitet.

"Sammenlignet med andre beregningsmæssige designtilgange, vi har udforsket et betydeligt stort strukturelt og kemisk rum for at identificere nye halogenid-halvledermaterialer, " sagde Yuheng Li, en nanoingeniør Ph.D. kandidat i Yangs gruppe og den første forfatter til undersøgelsen. Dette arbejde kunne også inspirere til en ny bølge af eksperimentelle bestræbelser på at validere beregningsmæssigt forudsagte materialer, sagde Li.

Bevæger sig fremad, Yang og hans team bruger deres high-throughput tilgang til at opdage nye solcelle- og LED-materialer fra andre typer krystalstrukturer. De udvikler også nye datamining-moduler for at opdage andre typer funktionelle materialer til energikonvertering, optoelektroniske og spintroniske applikationer.

Bag kulisserne:SDSC's 'Comet' supercomputer driver forskningen

Yang tilskriver meget af sit projekts succes til brugen af ​​Comet-supercomputeren på UC San Diegos San Diego Supercomputer Center (SDSC). "Vores store kvantemekaniske beregninger krævede et stort antal beregningsressourcer, " forklarede han. "Siden 2016, vi er blevet belønnet med regnetid - omkring 3,46 millioner core-timer på Comet, hvilket gjorde projektet muligt."

Mens Comet drev simuleringerne i denne undersøgelse, Yang sagde, at SDSC-personale også spillede en afgørende rolle i hans forskning. Ron Hawkins, SDSC's direktør for industrirelationer, og Jerry Greenberg, en computerforskningsspecialist med centret, sikret, at der blev ydet tilstrækkelig støtte til Yang og hans team. Forskerne stolede især på SDSC-personalet til undersøgelsens kompilering og installation af beregningskoder på Comet, som er finansieret af National Science Foundation.