模拟确定了太阳能电池纳米结构中的原子级缺陷

要了解极其复杂的东西的性质，你经常需要研究它最小的部分。例如，在试图破译宇宙时，我们搜索来自宇宙大爆炸的引力波或微弱的光波。为了理解物质本身的本质，我们将其分解为亚原子水平，并使用计算机模拟来研究夸克和胶子等粒子。

了解具有特定功能的材料(例如太阳能电池中使用的材料)以及改善其性能的工程方法会带来许多相同的挑战。在不断提高太阳能电池能量转换效率的努力中，研究人员已经开始深入挖掘 - 在某些情况下进入原子水平 - 以识别可能破坏转换过程的材料缺陷。

例如，异质纳米结构材料广泛用于各种光电器件，包括太阳能电池。然而，由于它们的异质性，这些材料包含纳米级界面，其表现出可能影响这些装置性能的结构缺陷。在实验中发现这些缺陷是非常具有挑战性的，因此能源部阿贡国家实验室和芝加哥大学的一组研究人员决定在劳伦斯伯克利国家实验室的国家能源研究科学计算中心(NERSC)进行一系列原子计算。 )找出两种常用半导体材料中的缺陷的根本原因 - 硒化铅(PbSe)和硒化镉(CdSe) - 并提供避免它们的设计规则。

“我们有兴趣了解量子点和纳米结构以及它们如何在太阳能电池中发挥作用，”芝加哥大学Liew Family分子工程教授，纳米快报发表论文的共同作者Giulia Galli说道，该论文概述了这项工作。它的发现。“我们正在使用经典的分子动力学和第一原理方法进行建模，以了解这些纳米粒子和量子点的结构和光学性质。”

核壳纳米粒子

在这项研究中，该团队专注于异质结构纳米粒子 - 在这种情况下是一个胶体量子点，其中PbSe纳米粒子嵌入CdSe中。这种类型的量子点 - 也称为核壳纳米粒子 - 就像一个鸡蛋，MártonVörös，Argonne的Aneesur Ra​​hman研究员和论文的共同作者解释说，用一种材料制成的“蛋黄”包围着由另一种材料制成的“外壳”。

“实验表明，这些异质结构纳米粒子非常适合太阳能转换和薄膜晶体管，”Vörös说。

例如，虽然胶体量子点能量转换效率目前在实验室中徘徊在12%左右，“我们的目标是预测量子点结构模型超过12%，”芝加哥大学分子研究所博士后研究学者Federico Giberti说。纳米快报上的工程和第一作者。“如果能达到20%的效率，那么我们就会有一种对商业化感兴趣的材料。”

然而，为了实现这一目标，Vörös和Giberti意识到他们需要更好地理解纳米尺度界面的结构以及是否存在原子缺陷。因此，与Galli一起，他们开发了一种计算策略，用于在原子水平上研究界面结构对材料光电特性的影响。通过使用不依赖于任何拟合参数的经典分子动力学和第一原理方法，他们的框架允许他们构建这些嵌入量子点的计算模型。

使用该模型作为在NERSC进行的一系列模拟的基础，研究团队能够表征PbSe / CdSe量子点并发现在界面处移位的原子及其相应的电子状态 - 他们称之为“陷阱态” “ - 可能危及太阳能电池的性能，Giberti解释说。然后，他们能够使用该模型预测一种没有这些陷阱状态的新材料，并且应该在太阳能电池中表现更好。

“利用我们的计算框架，我们还找到了一种通过施加压力来调整材料光学特性的方法，”Giberti补充说。

据Vörös所说，这项研究 - 其中包括电子和原子结构的研究 - 在NERSC上使用了400万次超级计算时间。大多数原子结构计算都是在2016年安装的NERSC的30-petaflop系统Cori上运行的，尽管它们也使用了Edison系统，一个带有Intel Xeon处理器的Cray XC30。虽然计算不需要大量处理器，但Giberti指出，“我需要同时启动许多同时模拟，并且分析所有数据本身就是一项相当具有挑战性的任务。”

展望未来，研究团队计划使用这种新的计算框架来研究其他材料和结构。

“我们相信，我们的原子模型与实验相结合，将为异构纳米结构材料带来预测工具，可用于各种半导体系统，”Federico说。“我们对我们工作的可能影响感到非常兴奋。”