Los ingenieros de la Universidad de California en San Diego han desarrollado un método computacional de alto rendimiento para diseñar nuevos materiales para la próxima generación de células solares y LED.
Su enfoque generó 13 nuevos materiales candidatos para células solares y 23 nuevos candidatos para LED. Los cálculos predijeron que estos materiales, llamados semiconductores de haluro híbridos, serían estables y exhibirían excelentes propiedades optoelectrónicas.
Los semiconductores de haluro híbridos son materiales que consisten en un marco inorgánico que aloja cationes orgánicos. Muestran propiedades de materiales únicas que no se encuentran solo en materiales orgánicos o inorgánicos.
Una subclase de estos materiales, llamados perovskitas de haluros híbridos, ha atraído mucha atención como materiales prometedores para las células solares y dispositivos LED de próxima generación debido a sus propiedades optoelectrónicas excepcionales y costos de fabricación económicos. Sin embargo, las perovskitas híbridas no son muy estables y contienen plomo, lo que las hace inadecuadas para dispositivos comerciales.
Buscando alternativas a las perovskitas, un equipo de investigadores liderado por Kesong Yang, profesor de nanoingeniería en la Escuela de Ingeniería UC San Diego, usó herramientas computacionales, minería de datos y técnicas de análisis de datos para descubrir nuevos materiales de haluros híbridos más allá de las perovskitas que son estables y líderes. “Estamos mirando más allá de las estructuras de perovskita para encontrar un nuevo espacio para diseñar materiales semiconductores híbridos para optoelectrónica”. Yang dijo.
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 estructuras de materiales orgánicos-inorgánicos híbridos.
“Estamos mirando más allá de las estructuras de perovskita para encontrar un nuevo espacio para diseñar materiales semiconductores híbridos para optoelectrónica”.
A continuación, realizaron cálculos de mecánica cuántica de alto rendimiento en las estructuras prototipo para construir un amplio repositorio de materiales cuánticos que contenga 4,507 compuestos de haluros híbridos hipotéticos. Mediante el uso eficiente de algoritmos de búsqueda de datos y extracción de datos, el equipo de Yang identificó rápidamente 13 candidatos para materiales de células solares y 23 candidatos para LED de todos los compuestos hipotéticos.
“Un estudio de alto rendimiento de materiales híbridos orgánicos-inorgánicos no es trivial”, dijo Yang. Llevó varios años desarrollar un marco de software completo equipado con algoritmos de generación de datos, extracción de datos y análisis de datos para materiales de haluros híbridos. También le costó mucho esfuerzo a su equipo hacer que el marco del software funcionara a la perfección con el software que utilizaron 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 Ph.D de nanoingeniería. Candidato en el grupo de Yang y primer autor del estudio. Este trabajo también podría inspirar una nueva ola de esfuerzos experimentales para validar los materiales previstos computacionalmente, dijo Li.
Avanzando, Yang y su equipo están utilizando su enfoque de alto rendimiento para descubrir nuevas células solares y materiales 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 la UC San Diego. “Nuestros cálculos de mecánica cuántica a gran escala requerían una gran cantidad de recursos computacionales”, explicó. “Desde 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 que se brindara el apoyo adecuado a Yang y su equipo. Los investigadores confiaron especialmente en el personal de SDSC para la compilación e instalación de códigos computacionales en Comet, que está financiado por la National Science Foundation.
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