Исследователи из Технического университета Чалмерса в Швеции при участии коллег из Бирмингемского университета Великобритании раскрыли структуру одного из самых перспективных материалов для солнечной энергетики – формамидиний-свинцового иодида, созданного на базе галогенидного перовскита. Для этого они применили машинное обучение и передовое компьютерное моделирование, что позволило впервые подробно описать фазу материала, которую ранее не удавалось объяснить даже с помощью самых совершенных экспериментов. Это открытие может стать ключом к созданию нового поколения солнечных элементов.
Перовскиты считаются главным кандидатом на замену традиционных кремниевых материалов: они легче, дешевле и эффективнее поглощают свет. Вместе с тем их главной проблемой была нестабильность – материал быстро разрушается под воздействием влаги, тепла или света. Чтобы устранить этот недостаток, ученым необходимо было понять, как именно устроен и ведет себя материал на атомном уровне, особенно при низких температурах.
Команда из Чалмерса применила методы машинного обучения, чтобы смоделировать процессы в перовските. Объединив вычислительную физику с искусственным интеллектом, исследователи смогли провести симуляции, которые раньше были невозможны: расчеты длились в тысячи раз дольше и включали миллионы атомов, что сделало модели близкими к реальности. Благодаря этому удалось наблюдать переход формамидиний-свинцового иодида к низкотемпературной фазе – особому состоянию, в котором атомы и молекулы выстраиваются по-новому. До сих пор эту фазу можно было лишь предполагать, но теперь ученые смогли описать ее форму, устойчивость и динамику.
Чтобы проверить результаты моделирования, исследователи охладили образцы до минус 200 °C. Эксперимент подтвердил точность цифровых моделей: молекулы материала действительно сохраняют полустабильное состояние, что объясняет их склонность к деградации и помогает понять, как с ней бороться.
Теперь, когда структура этой фазы известна, ученые смогут точнее проектировать перовскитные материалы и управлять их свойствами, например, создавать устойчивые смеси из разных соединений, сочетая их преимущества. В долгосрочной перспективе это приблизит появление солнечных батарей, которые будут не только эффективнее, но и гибче и долговечнее. Они будут пригодны для использования в самых разных устройствах – от мобильных гаджетов до фасадов зданий.
