Per comprendere la natura di qualcosa di estremamente complesso, spesso devi studiarne le parti più piccole. Nel tentativo di decifrare l'universo, Per esempio, cerchiamo onde gravitazionali o deboli onde di luce del Big Bang. E per comprendere l'essenza stessa della materia stessa, lo scomponiamo al livello subatomico e usiamo simulazioni al computer per studiare particelle come quark e gluoni.

Comprendere materiali con funzioni specifiche, come quelli utilizzati nelle celle solari, e i modi ingegneristici per migliorare le loro proprietà pongono molte delle stesse sfide. Nel continuo sforzo per migliorare l'efficienza di conversione dell'energia delle celle solari, i ricercatori hanno iniziato a scavare più a fondo, in alcuni casi a livello atomico, per identificare i difetti dei materiali che possono minare il processo di conversione.

Per esempio, i materiali nanostrutturati eterogenei sono ampiamente utilizzati in una varietà di dispositivi optoelettronici, comprese le celle solari. Però, per la loro natura eterogenea, questi materiali contengono interfacce su scala nanometrica che presentano difetti strutturali che possono influire sulle prestazioni di questi dispositivi. È molto difficile identificare questi difetti negli esperimenti, così un team di ricercatori dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia e dell'Università di Chicago ha deciso di eseguire una serie di calcoli atomistici presso il National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) del Lawrence Berkeley National Laboratory per trovare la causa principale dei difetti in due materiali semiconduttori utilizzati - seleniuro di piombo (PbSe) e seleniuro di cadmio (CdSe) - e forniscono regole di progettazione per evitarli.

"Siamo interessati a comprendere i punti quantici e le nanostrutture e come si comportano per le celle solari, " disse Giulia Galli, Liew Family professore di ingegneria molecolare presso l'Università di Chicago e coautore di un articolo pubblicato su Nano lettere che delinea questo lavoro e i suoi risultati. "Stiamo facendo la modella, utilizzando sia la dinamica molecolare classica che i metodi del primo principio, per comprendere la struttura e le proprietà ottiche di queste nanoparticelle e punti quantici".

Nanoparticelle nucleo-guscio

Per questo studio, il team si è concentrato sulle nanoparticelle eterostrutturate, in questo caso un punto quantico colloidale in cui le nanoparticelle di PbSe sono incorporate nel CdSe. Questo tipo di punto quantico, noto anche come nanoparticella nucleo-guscio, è come un uovo, Márton Vörös, Aneesur Rahman Fellow ad Argonne e coautore del documento, spiegato, con un "tuorlo" fatto di un materiale circondato da un "guscio" fatto dell'altro materiale.

"Gli esperimenti hanno suggerito che queste nanoparticelle eterostrutturate sono molto favorevoli per la conversione dell'energia solare e i transistor a film sottile, " Disse Vòros.

Per esempio, mentre le efficienze di conversione dell'energia dei punti quantici colloidali attualmente si aggirano intorno al 12% in laboratorio, "miriamo a prevedere che i modelli strutturali a punti quantici vadano oltre il 12%, " disse Federico Giberti, ricercatore post-dottorato presso l'Institute for Molecular Engineering dell'Università di Chicago e primo autore del Nano lettere carta. "Se si potesse raggiungere il 20% di efficienza, avremmo quindi un materiale che diventa interessante per la commercializzazione. "

Per far sì che ciò accada, però, Vörös e Giberti si sono resi conto che avevano bisogno di comprendere meglio la struttura delle interfacce su nanoscala e se fossero presenti difetti atomici. Così, insieme a Galli, hanno sviluppato una strategia computazionale per indagare, a livello atomico, l'effetto della struttura delle interfacce sulle proprietà optoelettroniche dei materiali. Utilizzando la dinamica molecolare classica e i metodi dei primi principi che non si basano su alcun parametro adattato, la loro struttura ha permesso loro di costruire modelli computazionali di questi punti quantici incorporati.

Utilizzando questo modello come base per una serie di simulazioni eseguite al NERSC, il team di ricerca è stato in grado di caratterizzare i punti quantici di PbSe/CdSe e ha scoperto che gli atomi spostati all'interfaccia e i loro stati elettronici corrispondenti, quelli che chiamano "stati trappola", possono compromettere le prestazioni delle celle solari, ha spiegato Giberti. Sono stati quindi in grado di utilizzare il modello per prevedere un nuovo materiale che non ha questi stati di trappola e dovrebbe funzionare meglio nelle celle solari.

"Utilizzando il nostro framework computazionale, abbiamo anche trovato un modo per regolare le proprietà ottiche del materiale applicando pressione, " Aggiunse Giberti.

Questa ricerca, che includeva studi su elettroni e strutture atomiche, ha utilizzato quattro milioni di ore di supercalcolo al NERSC, secondo Vòros. La maggior parte dei calcoli della struttura atomica sono stati eseguiti su Cori, Il sistema da 30 petaflop del NERSC installato nel 2016, sebbene utilizzassero anche il sistema Edison, un Cray XC30 con processori Intel Xeon. Sebbene i calcoli non richiedessero un numero elevato di processori, Giberti ha osservato, "Avevo bisogno di lanciare molte simulazioni simultanee contemporaneamente, e analizzare tutti i dati è stato di per sé un compito piuttosto impegnativo".

Guardando avanti, il team di ricerca prevede di utilizzare questo nuovo framework computazionale per studiare altri materiali e strutture.

"Crediamo che i nostri modelli atomistici, quando accoppiato con esperimenti, porterà uno strumento predittivo per materiali nanostrutturati eterogenei che possono essere utilizzati per una varietà di sistemi semiconduttori, "Federico ha detto. "Siamo molto entusiasti del possibile impatto del nostro lavoro".