Simuleringer identificerer defekter på atomniveau i solcelles nanostrukturer

For at forstå karakteren af ​​noget ekstremt komplekst, du er ofte nødt til at studere dens mindste dele. I forsøget på at tyde universet, for eksempel, vi søger efter gravitationsbølger eller svage lysbølger fra Big Bang. Og for at forstå selve essensen af ​​selve stoffet, vi nedbryder det til det subatomære niveau og bruger computersimuleringer til at studere partikler som kvarker og gluoner.

Forståelse af materialer med specifikke funktioner, som dem der bruges i solceller, og tekniske måder at forbedre deres egenskaber på udgør mange af de samme udfordringer. I den løbende indsats for at forbedre solcelleenergiens konverteringseffektivitet, forskere er begyndt at grave dybere - i nogle tilfælde til atomniveau - for at identificere materielle defekter, der kan underminere omdannelsesprocessen.

For eksempel, heterogene nanostrukturerede materialer er meget udbredt i en række optoelektroniske enheder, herunder solceller. Imidlertid, på grund af deres heterogene karakter, disse materialer indeholder grænseflader i nanoskala med strukturelle defekter, der kan påvirke disse enheders ydeevne. Det er meget udfordrende at identificere disse defekter i eksperimenter, så et team af forskere ved Department of Energy's Argonne National Laboratory og University of Chicago besluttede at udføre en række atomistiske beregninger ved Lawrence Berkeley National Laboratory's National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) for at finde årsagen til defekter i to almindelige brugte halvledermaterialer – blyselenid (PbSe) og cadmiumselenid (CdSe) – og giver designregler for at undgå dem.

"Vi er interesserede i at forstå kvanteprikker og nanostrukturer, og hvordan de fungerer for solceller, "sagde Giulia Galli, Liew Familieprofessor i molekylær ingeniørvidenskab ved University of Chicago og medforfatter til et papir udgivet i Nano bogstaver der skitserer dette arbejde og dets resultater. "Vi laver modellering, ved at bruge både klassisk molekylær dynamik og første principmetoder, at forstå strukturen og de optiske egenskaber af disse nanopartikler og kvanteprikker."

Nanopartikler med kerneskal

Til denne undersøgelse, holdet fokuserede på heterostrukturerede nanopartikler - i dette tilfælde en kolloid kvanteprik, hvori PbSe-nanopartikler er indlejret i CdSe. Denne type kvanteprikker - også kendt som en kerne-skal nanopartikel - er som et æg, Márton Vörös, Aneesur Rahman Fellow i Argonne og medforfatter på papiret, forklaret, med en "blomme" lavet af det ene materiale omgivet af en "skal" lavet af det andet materiale.

"Eksperimenter har antydet, at disse heterostrukturerede nanopartikler er meget gunstige for solenergikonvertering og tyndfilmstransistorer, " sagde Vörös.

For eksempel, mens kolloidale quantum dot energi konverteringseffektiviteter i øjeblikket svæver omkring 12% i laboratoriet, "vi sigter mod at forudsige kvanteprikstrukturelle modeller til at gå ud over 12 %, sagde Federico Giberti, postdoc forsker ved University of Chicago's Institute for Molecular Engineering og første forfatter på Nano bogstaver papir. "Hvis 20% effektivitet kunne nås, vi ville så have et materiale, der bliver interessant til kommercialisering. "

For at få dette til at ske, imidlertid, Vörös og Giberti indså, at de havde brug for bedre at forstå strukturen af ​​nanoskala-grænseflader, og om atomistiske defekter var til stede. Så, sammen med Galli, de udviklede en beregningsstrategi for at undersøge, på atomniveau, effekten af ​​grænsefladernes struktur på materialernes optoelektroniske egenskaber. Ved at bruge klassisk molekylær dynamik og første principper metoder, der ikke er afhængige af nogen tilpassede parametre, deres rammer tillod dem at bygge beregningsmodeller af disse indlejrede kvanteprikker.

Ved at bruge denne model som grundlag for en række simuleringer kørt på NERSC, forskerholdet var i stand til at karakterisere PbSe/CdSe kvanteprikker og fandt ud af, at atomer, der er forskudt ved grænsefladen og deres tilsvarende elektroniske tilstande - det de kalder "fældetilstande" - kan bringe solcellernes ydeevne i fare, Giberti forklarede. De var derefter i stand til at bruge modellen til at forudsige et nyt materiale, der ikke har disse fældetilstande og skulle fungere bedre i solceller.

"Ved hjælp af vores beregningsramme, vi fandt også en måde at justere materialets optiske egenskaber ved at påføre tryk, " tilføjede Giberti.

Denne forskning - som omfattede undersøgelser af elektron- og atomstrukturer - brugte fire millioner supercomputertimer på NERSC, ifølge Vörös. De fleste af atomstrukturberegningerne blev kørt på Cori, NERSCs 30-petaflop-system installeret i 2016, selvom de også brugte Edison-systemet, en Cray XC30 med Intel Xeon-processorer. Selvom beregningerne ikke behøvede et stort antal processorer, Giberti bemærkede, "Jeg havde brug for at starte mange simultane simuleringer på samme tid, og at analysere alle data var i sig selv en ret udfordrende opgave. "

Ser frem til, forskerholdet planlægger at bruge denne nye beregningsramme til at undersøge andre materialer og strukturer.

"Vi tror, ​​at vores atomistiske modeller, i kombination med eksperimenter, vil bringe et forudsigelsesværktøj til heterogene nanostrukturerede materialer, der kan bruges til en række halvledende systemer, "Federico sagde." Vi er meget begejstrede for den mulige indvirkning af vores arbejde. "