Para comprender la naturaleza de algo extremadamente complejo, a menudo hay que estudiar sus partes más pequeñas. Al tratar de descifrar el universo, por ejemplo, buscamos ondas gravitacionales u débiles ondas de luz del Big Bang. Y comprender el mismoesencia de la materia misma, la desglosamos al nivel subatómico y usamos simulaciones por computadora para estudiar partículas como quarks y gluones.
Comprender los materiales con funciones específicas, como los que se usan en las células solares, y diseñar formas de mejorar sus propiedades plantean muchos de los mismos desafíos. En el esfuerzo continuo por mejorar la eficiencia de la conversión de energía de las células solares, los investigadores han comenzado a profundizar enalgunos casos al 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, debido a su naturaleza heterogénea, estos materiales contienen interfaces a nanoescala que muestran defectos estructurales que pueden afectar el rendimiento de estos dispositivos. Es muydesafiando identificar estos defectos en los experimentos, por lo que un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional de Argonne del Departamento de Energía y de la Universidad de Chicago decidió realizar una serie de cálculos atomísticos en el Centro Nacional de Investigación Científica de Investigación de Energía NERSC del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley para encontrarLa causa raíz de los defectos en dos materiales semiconductores de uso común: seleniuro de plomo PbSe y seleniuro de cadmio CdSe, y proporciona 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, profesora de Ingeniería Molecular de la Familia Liew en la Universidad de Chicago y coautora de un artículo publicado en Nano letras que describe este trabajo y sus hallazgos. "Estamos modelando, 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 y cubierta
Para este estudio, el equipo se centró en las nanopartículas heteroestructuradas, en este caso, un punto cuántico coloidal en el que las nanopartículas de PbSe están incrustadas en CdSe. Este tipo de punto cuántico, también conocido como nanopartícula de núcleo y cubierta, es como unhuevo, Márton Vörös, miembro de Aneesur Rahman en Argonne y coautor del artículo, explicó, con una "yema" hecha de un material rodeado 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, aunque 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 la Universidad de Chicagopara Ingeniería Molecular y primer autor en el Nano letras papel. "Si se pudiera alcanzar una eficiencia del 20%, tendríamos un material que se vuelve interesante para la comercialización"
Sin embargo, para que esto suceda, 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, elEfecto de la estructura de las interfaces en las propiedades optoelectrónicas de los materiales. Mediante el uso de la dinámica molecular clásica y los métodos de los primeros principios que no se basan en ningún parámetro ajustado, su marco les permitió construir modelos computacionales de estos puntos cuánticos integrados.
Utilizando este modelo como base para una serie de simulaciones ejecutadas en NERSC, el equipo de investigación pudo caracterizar los puntos cuánticos PbSe / CdSe y descubrió que los átomos que se desplazan en la interfaz y sus estados electrónicos correspondientes, lo que llaman ""Atrapa estados": puede poner en peligro el rendimiento de las células solares, explicó Giberti. Luego pudieron usar el modelo para predecir un nuevo material que no tiene estos estados de trampa y debería funcionar mejor en las células solares.
"Usando nuestro marco computacional, también encontramos una manera de ajustar las propiedades ópticas del material aplicando presión", agregó Giberti.
Según Vörös, esta investigación, que incluyó estudios de estructuras atómicas y electrónicas, utilizó cuatro millones de horas de supercomputación en NERSC. La mayoría de los cálculos de la estructura atómica se realizaron en Cori, el sistema de 30 petaflop de NERSC instalado en 2016, aunqueTambién usé el sistema Edison, un Cray XC30 con procesadores Intel Xeon. Si bien los cálculos no necesitaban una gran cantidad de procesadores, Giberti señaló: "Necesitaba lanzar muchas simulaciones simultáneas al mismo tiempo, y analizar todos los datos estaba enen sí misma una tarea bastante desafiante "
Mirando hacia el futuro, el equipo de investigación planea usar este nuevo marco computacional para investigar otros materiales y estructuras.
"Creemos que nuestros modelos atomísticos, cuando se combinan con experimentos, traerán una herramienta predictiva para materiales nanoestructurados heterogéneos que pueden usarse para una variedad de sistemas semiconductores", dijo Federico. "Estamos muy entusiasmados con el posible impacto de nuestrotrabajo."
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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