Engenheiros da Universidade da Califórnia em San Diego desenvolveram um método computacional de alto rendimento para projetar novos materiais para células solares e LEDs de próxima geração. A abordagem gerou 13 novos candidatos de materiais para células solares e 23 novos candidatos para LEDs. Os cálculos previram que esses materiais, chamados de semicondutores de haleto híbrido, seria estável e exibiria excelentes propriedades optoeletrônicas.

A equipe publicou suas descobertas em 22 de maio, 2019 no jornal Energia e Ciência Ambiental .

Semicondutores de haleto híbrido são materiais que consistem em uma estrutura inorgânica que abriga cátions orgânicos. Eles mostram propriedades materiais únicas que não são encontradas apenas em materiais orgânicos ou inorgânicos.

Uma subclasse desses materiais, chamados perovskitas de haleto híbrido, têm atraído muita atenção como materiais promissores para células solares de próxima geração e dispositivos LED por causa de suas propriedades optoeletrônicas excepcionais e custos de fabricação baratos. Contudo, perovskitas híbridas não são muito estáveis ​​e contêm chumbo, tornando-os inadequados para dispositivos comerciais.

Buscando alternativas aos perovskitas, uma equipe de pesquisadores liderada por Kesong Yang, professor de nanoengenharia da Escola de Engenharia da UC San Diego Jacobs, usaram ferramentas computacionais, mineração de dados e técnicas de triagem de dados para descobrir novos materiais de haletos híbridos além das perovskitas que são estáveis ​​e sem chumbo. "Estamos procurando além das estruturas de perovskita para encontrar um novo espaço para projetar materiais semicondutores híbridos para optoeletrônica." Yang disse.

A equipe de Yang começou examinando os dois maiores bancos de dados de materiais quânticos, AFLOW e o projeto de materiais, e analisar todos os compostos que eram semelhantes em composição química às perovskitas de haleto de chumbo. Em seguida, eles extraíram 24 estruturas de protótipo para usar como modelos para gerar estruturas de materiais orgânicos-inorgânicos híbridos.

Próximo, eles realizaram cálculos de mecânica quântica de alto rendimento nas estruturas do protótipo para construir um repositório de materiais quânticos abrangente contendo 4, 507 hipotéticos compostos halogenados híbridos. Usando mineração de dados eficiente e algoritmos de triagem de dados, A equipe de Yang identificou rapidamente 13 candidatos para materiais de células solares e 23 candidatos para LEDs de todos os compostos hipotéticos.

"Um estudo de alto rendimento de materiais híbridos orgânico-inorgânicos não é trivial, "Disse Yang. Demorou vários anos para desenvolver uma estrutura de software completa equipada com geração de dados, algoritmos de mineração de dados e triagem de dados para materiais de haletos híbridos. Sua equipe também precisou de um grande esforço para fazer a estrutura do software funcionar perfeitamente com o software usado para cálculos de alto rendimento.

"Em comparação com outras abordagens de design computacional, exploramos um espaço estrutural e químico significativamente grande para identificar novos materiais semicondutores de haleto, "disse Yuheng Li, um Ph.D. em nanoengenharia candidato do grupo de Yang e o primeiro autor do estudo. Este trabalho também pode inspirar uma nova onda de esforços experimentais para validar materiais previstos computacionalmente, Li disse.

Seguindo em frente, Yang e sua equipe estão usando sua abordagem de alto rendimento para descobrir novas células solares e materiais LED de outros tipos de estruturas cristalinas. Eles também estão desenvolvendo novos módulos de mineração de dados para descobrir outros tipos de materiais funcionais para conversão de energia, aplicações optoeletrônicas e spintrônicas.

Nos bastidores:o supercomputador 'Cometa' do SDSC impulsiona a pesquisa

Yang atribui muito do sucesso de seu projeto à utilização do supercomputador Comet no San Diego Supercomputer Center (SDSC) da UC San Diego. "Nossos cálculos de mecânica quântica em grande escala exigiram um grande número de recursos computacionais, "ele explicou." Desde 2016, recebemos o tempo de computação - cerca de 3,46 milhões de horas-núcleo no Comet, que tornou o projeto possível. "

Enquanto o Comet alimentou as simulações neste estudo, Yang disse que a equipe do SDSC também desempenhou um papel crucial em sua pesquisa. Ron Hawkins, Diretor de relações da indústria da SDSC, e Jerry Greenberg, um especialista em pesquisa computacional do Centro, assegurou-se de que o suporte adequado fosse fornecido a Yang e sua equipe. Os pesquisadores contaram especialmente com a equipe do SDSC para a compilação do estudo e instalação de códigos computacionais no Comet, que é financiado pela National Science Foundation.