Los ingenieros de la Universidad de California en San Diego han desarrollado un método computacional de alto rendimiento para diseñar nuevos materiales para células solares y LED de próxima generación. Su enfoque generó 13 nuevos candidatos materiales para células solares y 23 nuevos candidatos para LED. Los cálculos predijeron queestos materiales, llamados semiconductores de haluro híbrido, serían estables y exhibirían excelentes propiedades optoelectrónicas.
El equipo publicó sus hallazgos el 22 de mayo de 2019 en la revista Energía y ciencias ambientales .
Los semiconductores de haluro híbrido son materiales que consisten en un marco inorgánico que aloja cationes orgánicos. Muestran propiedades de material únicas que no se encuentran solo en materiales orgánicos o inorgánicos.
Una subclase de estos materiales, llamados 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 ycontienen plomo, lo que los hace 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 de la Universidad de California San Diego Jacobs, utilizó herramientas computacionales, minería de datos y técnicas de detección de datos para descubrir nuevos materiales de haluro híbridos más allá de las perovskitas que son establesy sin plomo. "Estamos mirando más allá de las estructuras de perovskita para encontrar un nuevo espacio para diseñar materiales semiconductores híbridos para la 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 analizando 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 híbridos orgánicos-Estructuras de materiales inorgánicos.
Luego, realizaron cálculos de mecánica cuántica de alto rendimiento en las estructuras prototipo para construir un repositorio completo de materiales cuánticos que contiene 4.507 compuestos de haluros híbridos hipotéticos. Utilizando algoritmos eficientes de extracción de datos y selección de datos, el equipo de Yang identificó rápidamente 13 candidatos para materiales de células solares y23 candidatos para LED de todos los compuestos hipotéticos.
"Un estudio de alto rendimiento de materiales híbridos orgánicos-inorgánicos no es trivial", dijo Yang. Tomó varios años desarrollar un marco de software completo equipado con algoritmos de generación de datos, minería de datos y detección de datos para materiales de haluros híbridos. TambiénLe llevó a su equipo un gran esfuerzo para que el marco de software funcionara perfectamente con el software que usaban para los cálculos de alto rendimiento.
"En comparación con otros enfoques de diseño computacional, hemos explorado un espacio estructural y químico significativamente grande para identificar nuevos materiales semiconductores de haluro", dijo Yuheng Li, un candidato a doctorado en nanoingeniería en el grupo de Yang y el primer autor del estudio. Este trabajo podríaTambién inspiró una nueva ola de esfuerzos experimentales para validar materiales pronosticados computacionalmente, dijo Li.
Avanzando, Yang y su equipo están utilizando su enfoque de alto rendimiento para descubrir nuevos materiales de células solares y LED de otros tipos de estructuras de cristal. 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 Centro de Supercomputación de San Diego SDSC de UC San Diego. "Nuestros cálculos de mecánica cuántica a gran escala requerían una gran cantidad de recursos computacionales", explicó.2016, hemos sido galardonados con tiempo de computación: unos 3,46 millones de horas centrales en Comet, lo que hizo posible el proyecto ".
Mientras Comet impulsó las simulaciones en este estudio, Yang dijo que el personal de SDSC también desempeñó 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 aseguraron de contar con el apoyo adecuado.se proporcionó a Yang y su equipo. Los investigadores confiaron especialmente en el personal de SDSC para la compilación del estudio y la instalación de códigos computacionales en Comet, que está financiado por la National Science Foundation.
Yang, que se conectó con SDSC a través del clúster de campus Triton Shared Computing Cluster TSCC del Centro en UC San Diego, dijo que Comet no solo les ahorró tiempo ". El valor de estos recursos informáticos otorgados es de aproximadamente $ 115,600, que también ahorrónuestro proyecto una gran cantidad de dinero "
Este trabajo fue apoyado por el Programa Global de Alcance de Investigación GRO del Instituto Avanzado de Tecnología de Samsung número de premio 20164974 y la National Science Foundation ACI-1550404. Los cálculos de dinámica molecular ab-initio utilizaron recursos computacionales suministrados por elPrograma de Modernización de la Computación de Alto Rendimiento del Departamento de Defensa HPCMP.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - San Diego . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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