Los ingenieros de la Universidad de California en San Diego han desarrollado un método computacional de alto rendimiento para diseñar nuevos materiales para las células solares y los LED de próxima generación. Su enfoque generó 13 nuevos materiales candidatos para células solares y 23 nuevos candidatos para LED. Los cálculos predijeron que estos materiales, llamados semiconductores de haluro híbrido, sería estable y exhibiría excelentes propiedades optoelectrónicas.

El equipo publicó sus hallazgos el 22 de mayo, 2019 en la revista Ciencias de la energía y el medio ambiente .

Los semiconductores de haluro híbrido son materiales que consisten en una estructura inorgánica que aloja cationes orgánicos. Muestran propiedades materiales únicas que no se encuentran solo en materiales orgánicos o inorgánicos.

Una subclase de estos materiales, llamadas perovskitas de haluro híbrido, han atraído mucha atención como materiales prometedores para las células solares y dispositivos LED de próxima generación debido a sus excepcionales propiedades optoelectrónicas y costos de fabricación económicos. Sin embargo, las perovskitas híbridas no son muy estables y contienen plomo, haciéndolos inadecuados para dispositivos comerciales.

Buscando alternativas a las perovskitas, un equipo de investigadores dirigido por Kesong Yang, profesor de nanoingeniería en la Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego, utilizo herramientas computacionales, técnicas de minería de datos y análisis de datos para descubrir nuevos materiales de haluros híbridos más allá de las perovskitas que sean estables y sin plomo. "Estamos mirando más allá de las estructuras de perovskita para encontrar un nuevo espacio para diseñar materiales semiconductores híbridos para optoelectrónica". Dijo Yang.

El equipo de Yang comenzó revisando las dos bases de datos de materiales cuánticos más grandes, AFLOW y The Materials Project, y analizar todos los compuestos que eran similares en composición química a las perovskitas de haluro de plomo. Luego extrajeron 24 estructuras prototipo para usar como plantillas para generar estructuras de materiales híbridos orgánicos-inorgánicos.

Próximo, realizaron cálculos de mecánica cuántica de alto rendimiento en las estructuras del prototipo para construir un repositorio completo de materiales cuánticos que contiene 4, 507 compuestos de haluro híbridos hipotéticos. Utilizando algoritmos eficientes de exploración y minería de datos, El equipo de Yang identificó rápidamente 13 candidatos para materiales de células solares y 23 candidatos para LED de todos los compuestos hipotéticos.

"Un estudio de alto rendimiento de materiales híbridos orgánico-inorgánicos no es trivial, ", Dijo Yang. Se necesitaron varios años para desarrollar un marco de software completo equipado con generación de datos, algoritmos de exploración de datos y minería de datos para materiales de haluros híbridos. Su equipo también requirió un gran esfuerzo para que el marco de software funcionara a la perfección con el software que usaban para los cálculos de alto rendimiento.

"En comparación con otros enfoques de diseño computacional, Hemos explorado un espacio químico y estructural significativamente grande para identificar nuevos materiales semiconductores de haluro, "dijo Yuheng Li, un doctorado en nanoingeniería candidato en el grupo de Yang y el primer autor del estudio. Este trabajo también podría inspirar una nueva ola de esfuerzos experimentales para validar materiales predichos computacionalmente, Dijo Li.

Avanzando Yang y su equipo están utilizando su enfoque de alto rendimiento para descubrir nuevas células solares y materiales LED de otros tipos de estructuras cristalinas. También están desarrollando nuevos módulos de minería de datos para descubrir otros tipos de materiales funcionales para la conversión de energía. Aplicaciones optoelectrónicas y espintrónicas.

Detrás de escena:la supercomputadora 'Comet' de SDSC impulsa la investigación

Yang atribuye gran parte del éxito de su proyecto a la utilización de la supercomputadora Comet en el San Diego Supercomputer Center (SDSC) de UC San Diego. "Nuestros cálculos de mecánica cuántica a gran escala requirieron una gran cantidad de recursos computacionales, ", explicó." Desde 2016, se nos ha concedido tiempo de cálculo:unos 3,46 millones de horas centrales en Comet, lo que hizo posible el proyecto ".

Si bien Comet impulsó las simulaciones en este estudio, Yang dijo que el personal de SDSC también jugó un papel crucial en su investigación. Ron Hawkins, Director de relaciones industriales de SDSC, y Jerry Greenberg, un especialista en investigación computacional del Centro, se aseguró de que se proporcionara el apoyo adecuado a Yang y su equipo. Los investigadores confiaron especialmente en el personal de SDSC para la compilación e instalación del estudio de códigos computacionales en Comet, que está financiado por la National Science Foundation.