9 Minute
Cererea globală de energie electrică în creștere accelerează căutarea unor materiale solare de generație următoare: eficiente, ușoare și cu costuri reduse. Cercetătorii de la Chalmers University of Technology din Suedia au combinat în mod inovator învățarea automată cu simulări atomiste la scară mare pentru a clarifica o structură la temperaturi joase a formamidinului plumb iodid, un candidat important din clasa perovskitelor halogenurate pentru celule solare avansate.
Formamidinium plumb iodid este considerat unul dintre cele mai performante materiale din categoria perovskitelor halogenurate, datorită proprietăților optoelectronice promițătoare pentru tehnologiile fotovoltaice viitoare. Noile descoperiri de la Chalmers oferă acum indicii clare despre structura sa — informații esențiale pentru a proiecta și controla materialul în aplicații practice. Credit: Chalmers
Context științific
Perovskitele halogenurate reprezintă o familie de semiconductori cristalini care au revoluționat cercetarea fotovoltaică în ultimul deceniu, grație absorbției puternice a luminii, benzii energetice reglabilă (bandgap) și potențialului pentru fabricație la costuri scăzute. Formamidinium plumb iodid (adesea prescurtat FAPbI3) iese în evidență prin proprietăți optoelectronice excelente, dar a fost limitat de instabilitate structurală și degradare sub condiții de operare. Înțelegerea fazelor la scară atomică și a comportamentului molecular în rețeaua cristalină este esențială pentru a proiecta celule perovskite stabile și foarte eficiente.
Deși perovskitele au obținut eficiențe spectaculoase în laborator, provocarea majoră rămâne durabilitatea. În cazul FAPbI3 există o competiție între faza perovskitică fotovoltaică (de obicei cea „neagră”, cu proprietăți bune) și fazele non-perovskitice sau ordonările la temperaturi scăzute care compromit performanța. Identificarea la nivel atomic a acestor aranjamente face posibilă dezvoltarea de strategii pentru stabilizare: de exemplu, prin ingineria cationilor organici, mixarea halogenilor, introducerea altor cationi de tip A sau prin optimizarea condițiilor de procesare.
Simulări conduse de AI și descoperiri cheie
Cercetătorii de la Chalmers au folosit modele computaționale validate și le-au extins cu potențiale interatomice generate prin învățare automată pentru a mări semnificativ timpii de simulare și dimensiunile sistemelor analizate. Aceste metode hibride permit echipei să modeleze sisteme care conțin milioane de atomi și să exploreze tranziții de fază care anterior erau inaccesibile pentru calculurile primelor principii convenționale.
Prin extinderea limitelor spațiale și temporale ale simulărilor atomiste, echipa a observat procese lente de reorganizare moleculară și blocaje cinetice care influențează evoluția microstructurii în timpul răcirii. În particular, s-a putut urmări modul în care moleculele formamidinium adoptă orientări semi-stabile în incinta rețelei cristaline - un fenomen direct legat de faza la temperaturi joase și care poate afecta atât stabilitatea mecanică, cât și proprietățile electronice ale materialului.
De ce contează învățarea automată
Potențialele interatomice obținute prin învățare automată reduc dramatic costurile computaționale ale dinamicii moleculare, menținând în același timp o acuratețe chimică adecvată. Practic, aceste modele (denumite uneori MLIP — machine-learned interatomic potentials) pot reproduce pe scară largă energia și forțele rezultate din calcule de tip DFT, dar la o fracțiune a timpului necesar metodelor ab initio. Tehnici precum potențiale neurale, modele bazate pe Gaussian process (GAP) sau pe momente tensore (MTP) sunt exemple de strategii care au permis extinderea materialelor studiate la dimensiuni multimilionare de atomi și la durate de simulare care surprind fenomene lente de tranziție.
Avantajul practic constă în capacitatea de a urmări procese precum nucleația fazelor noi, propagarea defectelor, rotația și orientarea cationilor organici și interacțiunile pe termen lung între domenii microstructurale — procese care controlează stabilitatea optică și electrică a perovskitelor în condiții reale de funcționare. Această combinație între acuratețe și scalabilitate transformă modul în care putem testa ipoteze pentru optimizarea materialelor fotovoltaice.
Faza la temperaturi joase rezolvată
Simulările au identificat aranjamentul detaliat al atomilor în faza greu de accesat la temperaturi joase și au arătat că cationii organici (moleculele formamidinium) pot rămâne blocați într-o configurație semi-stabilă pe măsură ce materialul se răcește. Această imagine structurală închide o lacună de lungă durată în înțelegerea fundamentală a FAPbI3 și oferă parametri și scenarii pe care cercetătorii experimentali și inginerii de dispozitive le pot folosi pentru a ajusta amestecurile de materiale și strategiile de procesare.
Mai mult, analiza atomistică furnizează legături clare între orientarea moleculară și proprietățile electronice locale: de exemplu, distribuția potențialelor locale generate de cationi poate influența recombinarea purtătorilor de sarcină și mobilitatea acestora. Aceste detalii permit formularea unor ipoteze testabile privind modul în care mixarea sau substituția la situl A (de tip cation organic/ionic) ar putea stabiliza faza perovskitică dorită la temperaturi de operare obișnuite.
„Acum avem instrumente de simulare capabile să răspundă la întrebări care, până acum câțiva ani, erau inaccesibile,” afirmă Julia Wiktor, lector universitar și investigator principal la Chalmers. Sangita Dutta, cercetătoare Chalmers implicată în proiect, adaugă că rezolvarea fazei la temperaturi joase elimină o necunoscută critică pentru proiectarea materialelor.
Validare experimentală și implicații
Pentru a valida modelele, colaboratorii de la University of Birmingham au răcit probe la aproximativ –200°C și au comparat semnătura experimentală din laborator cu semnăturile simulate. Datele experimentale au coincis cu motivele structurale prezise, consolidând încrederea în abordarea combinată computațional–experimentală.
Validarea la temperaturi foarte scăzute este importantă nu doar ca test de rigurozitate: proba acestor stări metastabile oferă informații despre traseele cinetice pe parcursul răcirii și încălzirii, despre barierelor energetice pentru tranziții și despre cum variabilele de proces (de exemplu viteza de răcire, stresul mecanic sau prezența defectelor) pot favoriza sau împiedica formarea fazelor dăunătoare.
Aceste perspectivă au impact asupra modului în care cercetătorii reglează compozițiile (de exemplu, prin amestecarea diferiților halogeni sau prin introducerea unor cationi mici/ioni metalici) pentru a reduce degradarea și a îmbunătăți stabilitatea modulelor fotovoltaice și a dispozitivelor optoelectronice, precum LED-urile. În practică, înțelegerea comportamentului microscopic permite ingineria materialelor cu proprietăți mai previzibile și oferă o bază solidă pentru scalarea perovskitelor către panouri solare subțiri și flexibile care pot fi integrate în electronice și în clădiri.
Pe partea industrială, aceste rezultate încurajează două direcții complementare: optimizarea rețetei chimice (mixuri de cationi/halogeni și dopanți) și optimizarea procesului de fabricație (controlul rămânerii de tensiuni reziduale, ratei de răcire, atmosferelor de uscare etc.). De asemenea, sugerează roluri clare pentru stratul de interfață și pentru încapsulare, care pot preveni transformările nedorite ale fazelor în condiții de temperatură și umiditate variabile.
Impact pentru tehnologiile fotovoltaice și optoelectronice
Prin oferirea unei descrieri atomiste validate a fazei la temperaturi joase, studiul creează un punct de plecare mai robust pentru proiectarea unor celule solare perovskite stabile. Fiecare element de cunoaștere — de la orientarea moleculară la bariera energetică pentru tranziții — poate fi transpus într-o strategie practică: modificarea compoziției pentru a favoriza faza perovskitică, introducerea de inhibitori de migrare ionicã, sau dezvoltarea de procese termice care evită „blocarea” moleculelor în configurații metastabile.
De asemenea, aceste rezultate au implicații pentru integrarea tehnologiilor perovskite în aplicații unde flexibilitatea și greutatea redusă contează, cum ar fi panourile solare flexibile pentru clădiri (BIPV — Building-Integrated Photovoltaics), electronica purtabilă sau chiar electronica implantabilă. Stabilitatea la temperaturi joase are relevanță și pentru aplicații în medii reci sau pentru durabilitatea pe termen lung în condiții de variații termice sezoniere.
Pe termen mediu și lung, combinația dintre simulări ML la scară mare și validare experimentală creează o buclă de feedback accelerată: ipoteze testabile pot fi generate rapid de simulări și validate în laborator, apoi rezultatele experimentale pot fi folosite pentru a îmbunătăți modelul ML — ceea ce conduce la un ciclu iterativ de optimizare a materialelor mult mai eficient decât era posibil anterior.
Concluzie
Lucrarea de la Chalmers demonstrează cum învățarea automată și simulările la scară mare pot rezolva comportamente complexe de fază în perovskitele halogenurate. Având la dispoziție modele validate la scară atomică pentru formamidinium plumb iodid, cercetătorii obțin o cale mai clară pentru controlul stabilității și performanței — un progres esențial pentru celulele solare de generație următoare și pentru tehnologiile optoelectronice conexe.
Provocările rămân însă concrete: translarea acestor rezultate din laborator și din calcule în procese de fabricație stabile și scalabile necesită colaborare strânsă între teoreticieni, experimentaliști și ingineri de proces. Totuși, combinarea instrumentelor ML cu metodele experimentale oferă un cadru puternic pentru accelerarea dezvoltării perovskitelor comerciale, reducând riscul de surprize neprevăzute la scară reală.
Pe măsură ce modelele devin mai sofisticate și dataset-urile experimentale se extind, putem anticipa o perioadă în care proiectarea materialelor fotovoltaice va semăna mai mult cu ingineria asistată de date: selecție rapidă a compozițiilor, simulări predictive ale durabilității și optimizarea procesului la nivel nanometric — toate acestea conducând la module solare mai eficiente și mai durabile, gata pentru integrare largă în infrastructură și produse.
Sursa: scitechdaily
Comentarii