Des ingénieurs de l'Université de Californie à San Diego ont développé une méthode de calcul à haut débit pour concevoir de nouveaux matériaux pour les cellules solaires et les LED de nouvelle génération. Leur approche a généré 13 nouveaux matériaux candidats pour les cellules solaires et 23 nouveaux candidats pour les LED. Les calculs ont prédit que ces matériaux, appelés semi-conducteurs hybrides aux halogénures, serait stable et présenterait d'excellentes propriétés optoélectroniques.

L'équipe a publié ses conclusions le 22 mai, 2019 dans la revue Sciences de l'énergie et de l'environnement .

Les semi-conducteurs aux halogénures hybrides sont des matériaux constitués d'une structure inorganique contenant des cations organiques. Ils présentent des propriétés matérielles uniques qui ne se trouvent pas uniquement dans les matériaux organiques ou inorganiques.

Une sous-classe de ces matériaux, appelées pérovskites aux halogénures hybrides, ont attiré beaucoup d'attention en tant que matériaux prometteurs pour les cellules solaires et les dispositifs LED de prochaine génération en raison de leurs propriétés optoélectroniques exceptionnelles et de leurs coûts de fabrication peu coûteux. Cependant, les pérovskites hybrides sont peu stables et contiennent du plomb, ce qui les rend impropres aux appareils commerciaux.

Chercher des alternatives aux pérovskites, une équipe de chercheurs dirigée par Kesong Yang, professeur de nano-ingénierie à la UC San Diego Jacobs School of Engineering, outils de calcul utilisés, techniques d'exploration de données et de criblage de données pour découvrir de nouveaux matériaux aux halogénures hybrides au-delà des pérovskites qui sont stables et sans plomb. "Nous cherchons au-delà des structures de pérovskite pour trouver un nouvel espace pour concevoir des matériaux semi-conducteurs hybrides pour l'optoélectronique." dit Yang.

L'équipe de Yang a commencé par parcourir les deux plus grandes bases de données de matériaux quantiques, AFLOW et The Materials Project, et l'analyse de tous les composés dont la composition chimique était similaire à celle des pérovskites aux halogénures de plomb. Ensuite, ils ont extrait 24 structures prototypes à utiliser comme modèles pour générer des structures de matériaux hybrides organiques-inorganiques.

Prochain, ils ont effectué des calculs de mécanique quantique à haut débit sur les structures prototypes pour construire un référentiel complet de matériaux quantiques contenant 4, 507 composés d'halogénures hybrides hypothétiques. En utilisant des algorithmes efficaces d'exploration de données et de filtrage de données, L'équipe de Yang a rapidement identifié 13 candidats pour les matériaux de cellules solaires et 23 candidats pour les LED parmi tous les composés hypothétiques.

"Une étude à haut débit de matériaux hybrides organiques-inorganiques n'est pas anodine, " a déclaré Yang. Il a fallu plusieurs années pour développer un cadre logiciel complet équipé d'une génération de données, algorithmes d'exploration de données et de filtrage de données pour les matériaux aux halogénures hybrides. Il a également fallu beaucoup d'efforts à son équipe pour que le cadre logiciel fonctionne de manière transparente avec le logiciel qu'ils utilisaient pour les calculs à haut débit.

"Par rapport à d'autres approches de conception informatique, nous avons exploré un espace structurel et chimique considérablement large pour identifier de nouveaux matériaux semi-conducteurs aux halogénures, " dit Yuheng Li, un doctorat en nano-ingénierie. candidat dans le groupe de Yang et le premier auteur de l'étude. Ce travail pourrait également inspirer une nouvelle vague d'efforts expérimentaux pour valider les matériaux prédits informatiquement, dit Li.

Avancer, Yang et son équipe utilisent leur approche à haut débit pour découvrir de nouveaux matériaux pour cellules solaires et LED à partir d'autres types de structures cristallines. Ils développent également de nouveaux modules d'exploration de données pour découvrir d'autres types de matériaux fonctionnels pour la conversion d'énergie, applications optoélectroniques et spintroniques.

Dans les coulisses :le supercalculateur « Comet » du SDSC alimente la recherche

Yang attribue une grande partie du succès de son projet à l'utilisation du superordinateur Comet au San Diego Supercomputer Center (SDSC) de l'UC San Diego. "Nos calculs de mécanique quantique à grande échelle ont nécessité un grand nombre de ressources de calcul, " a-t-il expliqué. " Depuis 2016, nous avons obtenu du temps de calcul :quelque 3,46 millions d'heures-cœur sur Comet, qui a rendu le projet possible."

Alors que Comet a alimenté les simulations de cette étude, Yang a déclaré que le personnel du SDSC a également joué un rôle crucial dans ses recherches. Ron Hawkins, le directeur des relations industrielles du SDSC, et Jerry Greenberg, un spécialiste de la recherche informatique au Centre, veillé à ce qu'un soutien adéquat soit fourni à Yang et à son équipe. Les chercheurs se sont notamment appuyés sur le personnel du SDSC pour la compilation de l'étude et l'installation des codes de calcul sur Comet, qui est financé par la National Science Foundation.