计算机模拟揭示了二维钙钛矿的稳定性因素，从而改善太阳能电池

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绿色转型需要更稳定、更高效的太阳能电池材料。所谓的卤化物钙钛矿被认为是当今硅材料的有前途的替代品。瑞典查尔姆斯理工大学的研究人员对钙钛矿材料的功能有了新的认识，这是向前迈出的重要一步。
卤化物钙钛矿是一类材料的统称，这些材料被认为非常有前景且具有成本效益，可用于柔性轻质太阳能电池和各种光学应用，例如 LED 照明。这是因为许多此类材料以极其高效的方式吸收和发射光。然而，钙钛矿材料可能会很快降解，为了知道如何最好地应用这些材料，需要更深入地了解为什么会发生这种情况以及材料如何发挥作用。
计算机模拟和机器学习作为辅助
在钙钛矿类材料中，既有 3D 材料，也有 2D 材料，后者通常更稳定。查尔姆斯理工大学物理系的一个研究小组利用先进的计算机模拟和机器学习，研究了一系列 2D 钙钛矿材料，并获得了影响其性能的关键见解。
研究结果发表在《ACS Energy Letters》上，题为《有机间隔物和维度对卤化物钙钛矿模板化的影响》。
查尔姆斯理工大学研究团队成员保罗·埃哈特 (Paul Erhart) 教授表示：“通过在计算机模拟中绘制材料图并对其进行不同场景的分析，我们可以得出材料中的原子在暴露于热、光等时如何反应的结论。”
“换句话说，我们现在对材料有了微观描述，它与材料实验的结果无关，但我们可以证明它会导致与实验相同的行为。模拟和实验之间的区别在于，我们可以在细节层面上观察导致实验中最终测量点的确切原因。这让我们对二维钙钛矿的工作原理有了更深入的了解。”
可以在更长的时间段内研究更大的系统
使用机器学习一直是研究人员的重要方法。与几年前使用的标准方法相比，他们能够研究更大的系统，研究时间更长。
“这不仅让我们获得了比以前更广阔的视野，也让我们能够更详细地研究材料。我们可以看到，在这些非常薄的材料层中，每一层的表现都不同，这是很难通过实验检测到的，”研究小组的副教授 Julia Wiktor 说道，该小组还包括研究员 Erik Fransson。
更好地了解材料的成分
二维钙钛矿材料由堆叠在一起的无机层组成，中间由有机分子隔开。了解影响层与分子之间相互作用的精确机制对于设计基于钙钛矿材料的高效、稳定的光电器件至关重要。
“在二维钙钛矿中，钙钛矿层与有机分子相连。我们发现，你可以通过选择有机连接物直接控制表面层原子的移动方式，以及这如何影响钙钛矿层深处的原子运动。由于这种运动对光学特性至关重要，它就像多米诺骨牌效应，”Erhart 说。
研究结果更深入地说明了如何使用二维钙钛矿材料来设计适用于不同应用和温度变化的设备。
“这确实让我们有机会了解二维钙钛矿材料的稳定性来自何处，从而可能让我们预测哪些连接体和尺寸可以使材料更稳定、更高效。我们的下一步是转向更复杂的系统，特别是对设备功能至关重要的界面，”Wiktor 说。