Para comprender la naturaleza de algo extremadamente complejo, a menudo tienes que estudiar sus partes más pequeñas. Al intentar descifrar el universo, por ejemplo, buscamos ondas gravitacionales o débiles ondas de luz del Big Bang. Y para comprender la esencia misma de la materia misma, lo desglosamos al nivel subatómico y usamos simulaciones por computadora para estudiar partículas como quarks y gluones.

Entender materiales con funciones específicas, como los que se utilizan en las células solares, y las formas de ingeniería para mejorar sus propiedades plantean muchos de los mismos desafíos. En el esfuerzo continuo por mejorar la eficiencia de conversión de energía de las células solares, Los investigadores han comenzado a investigar más profundamente, en algunos casos a nivel atómico, para identificar defectos materiales que pueden socavar el proceso de conversión.

Por ejemplo, Los materiales nanoestructurados heterogéneos se utilizan ampliamente en una variedad de dispositivos optoelectrónicos, incluidas las células solares. Sin embargo, por su heterogeneidad, Estos materiales contienen interfaces a nanoescala que presentan defectos estructurales que pueden afectar el rendimiento de estos dispositivos. Es muy difícil identificar estos defectos en experimentos, por lo que un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía y la Universidad de Chicago decidió ejecutar una serie de cálculos atomísticos en el Centro de Computación Científica de Investigación Energética (NERSC) del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley para encontrar la causa raíz de los defectos en dos comúnmente utilizaron materiales semiconductores, seleniuro de plomo (PbSe) y seleniuro de cadmio (CdSe), y proporcionaron reglas de diseño para evitarlos.

"Estamos interesados ​​en comprender los puntos cuánticos y las nanoestructuras y cómo funcionan para las células solares, "dijo Giulia Galli, Liew Family, profesor de Ingeniería Molecular en la Universidad de Chicago y coautor de un artículo publicado en Nano letras que describe este trabajo y sus hallazgos. "Estamos haciendo modelos, utilizando tanto la dinámica molecular clásica como los métodos del primer principio, para comprender la estructura y las propiedades ópticas de estas nanopartículas y puntos cuánticos ".

Nanopartículas de núcleo-capa

Para este estudio, el equipo se centró en nanopartículas heteroestructuradas, en este caso un punto cuántico coloidal en el que se incrustan nanopartículas de PbSe en CdSe. Este tipo de punto cuántico, también conocido como nanopartícula de núcleo y cáscara, es como un huevo, Márton Vörös, Aneesur Rahman Fellow en Argonne y coautor del artículo, explicado, con una "yema" hecha de un material rodeada por una "cáscara" hecha del otro material.

"Los experimentos han sugerido que estas nanopartículas heteroestructuradas son muy favorables para la conversión de energía solar y los transistores de película delgada, ", Dijo Vörös.

Por ejemplo, mientras que las eficiencias de conversión de energía de puntos cuánticos coloidales actualmente rondan el 12% en el laboratorio, "Nuestro objetivo es predecir que los modelos estructurales de puntos cuánticos superen el 12%, "dijo Federico Giberti, investigador postdoctoral en el Instituto de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago y primer autor de la Nano letras papel. "Si se pudiera alcanzar el 20% de eficiencia, entonces tendríamos un material que se vuelve interesante para su comercialización. "

Para que esto suceda sin embargo, Vörös y Giberti se dieron cuenta de que necesitaban comprender mejor la estructura de las interfaces a nanoescala y si existían defectos atomísticos. Entonces, junto con Galli, desarrollaron una estrategia computacional para investigar, a nivel atómico, el efecto de la estructura de las interfaces sobre las propiedades optoelectrónicas de los materiales. Mediante el uso de dinámicas moleculares clásicas y métodos de primeros principios que no se basan en ningún parámetro ajustado, su marco les permitió construir modelos computacionales de estos puntos cuánticos incrustados.

Usando este modelo como base para una serie de simulaciones ejecutadas en NERSC, El equipo de investigación pudo caracterizar los puntos cuánticos de PbSe / CdSe y descubrió que los átomos que se desplazan en la interfaz y sus estados electrónicos correspondientes, lo que ellos llaman "estados de trampa", pueden poner en peligro el rendimiento de las células solares. Giberti explicó. Luego pudieron usar el modelo para predecir un nuevo material que no tiene estos estados de trampa y debería funcionar mejor en células solares.

"Utilizando nuestro marco computacional, También encontramos una forma de ajustar las propiedades ópticas del material aplicando presión, "Añadió Giberti.

Esta investigación, que incluyó estudios de estructuras electrónicas y atómicas, utilizó cuatro millones de horas de supercomputación en NERSC, según Vörös. La mayoría de los cálculos de estructura atómica se realizaron en Cori, El sistema de 30 petaflop de NERSC instalado en 2016, aunque también utilizaron el sistema Edison, un Cray XC30 con procesadores Intel Xeon. Si bien los cálculos no necesitaron una gran cantidad de procesadores, Giberti señaló, "Necesitaba lanzar muchas simulaciones simultáneas al mismo tiempo, y analizar todos los datos fue en sí mismo una tarea bastante desafiante ".

Mirando hacia el futuro, el equipo de investigación planea utilizar este nuevo marco computacional para investigar otros materiales y estructuras.

"Creemos que nuestros modelos atomísticos, cuando se combina con experimentos, traerá una herramienta predictiva para materiales nanoestructurados heterogéneos que se puede utilizar para una variedad de sistemas semiconductores, Federico dijo. "Estamos muy entusiasmados con el posible impacto de nuestro trabajo".