Des buildings tourbillonnaires découvertes dans des matériaux pour cellules solaires et éclairage
par Clarence Oxford
Los Angeles, Californie (SPX), 26 juin 2024
Les pérovskites aux halogénures métalliques ont progressé rapidement au cours de la dernière décennie, démontrant des performances supérieures à celles du silicium dans la conversion de la lumière en courant électrique.
Des simulations effectuées sur les supercalculateurs Frontera et Lonestar6 du TACC ont permis de découvrir des buildings tourbillonnaires inattendues dans des quasiparticules appelées polarons, qui jouent un rôle dans la manufacturing d’électricité à partir de la lumière du soleil.
Cette découverte devrait aider les scientifiques à développer de nouvelles cellules solaires et un éclairage LED respectueux de l’environnement, considéré comme une technologie sturdy pour l’éclairage du futur.
« Nous avons découvert que les électrons forment des paquets d’ondes étroits et localisés, connus sous le nom de polarons. Ces « morceaux de cost » – les polarons quasiparticulaires – confèrent aux perovskites des propriétés particulières », a déclaré Feliciano Giustino, professeur de physique et titulaire de la chaire WA « Tex » Moncrief, Jr. d’ingénierie des matériaux quantiques au Faculty of Pure Sciences et professeur principal à l’Oden Institute for Computational Engineering and Sciences (Oden Institute) à UT Austin.
Giustino est co-auteur de la recherche sur les polarons dans les pérovskites halogénées, publiée en mars 2024 dans les Proceedings of the Nationwide Academy of Sciences.
« Ces polarons présentent des motifs très intrigants. Les atomes tournent autour de l’électron et forment des tourbillons qui n’avaient jamais été observés auparavant », a déclaré Giustino, qui est également directeur du Centre d’ingénierie des matériaux quantiques à l’Institut Oden.
Les buildings vortex des polarons peuvent aider à maintenir les électrons dans un état excité, une situation obtenue lorsqu’un photon de lumière entre en collision avec les composés atomiques.
« Nous soupçonnons que cette étrange construction tourbillonnaire empêche l’électron de revenir au niveau d’énergie non excité », explique Giustino. « Ce vortex est une construction topologique protégée dans le matériau du réseau de pérovskite halogénée qui reste en place pendant une longue période et permet aux électrons de circuler sans perdre d’énergie. »
Les buildings de perovskite sont connues depuis plus d’un siècle, depuis que Gustav Rose a découvert la perovskite d’oxyde de calcium et de titane CaTiO3 en 1839. Plus récemment, en 2012, Giustino a travaillé avec le groupe de Henry Snaith à l’Université d’Oxford, découvrant les perovskites halogénées, où les halogènes remplacent l’oxygène, formant des sels avec les métaux.
« Il s’avère que les pérovskites halogénées dans les cellules solaires présentent une efficacité de conversion d’énergie exceptionnelle », a déclaré Giustino.
Comparé au rendement maximal du silicium d’environ 25 pour cent, obtenu après 70 ans de développement, les pérovskites halogénées ont atteint cette efficacité en seulement 10 ans.
« Il s’agit d’un matériau révolutionnaire », a déclaré Giustino. « Cela explique pourquoi de nombreux groupes de recherche travaillant sur le photovoltaïque se sont tournés vers les pérovskites, automobile elles sont très prometteuses. Notre contribution a examiné les principes fondamentaux en utilisant des méthodes informatiques pour étudier les propriétés de ces composés au niveau des atomes individuels. »
Pour l’étude, Giustino a utilisé les ressources des supercalculateurs Lonestar6 et Frontera attribués par le Texas Superior Computing Middle (TACC) et les supercalculateurs du département américain de l’énergie (DOE) au Nationwide Vitality Analysis Scientific Computing Middle (NERSC).
« Cette recherche fait partie d’un projet sponsorisé par le ministère de l’Énergie qui se poursuit depuis plusieurs années avec le soutien du TACC et en particulier de Frontera, où nous avons développé des méthodologies pour étudier remark les électrons interagissent avec le réseau atomique sous-jacent », a déclaré Giustino.
Giustino a noté que l’étude de grands polarons dans les pérovskites halogénées nécessitait des cellules de simulation d’environ un demi-million d’atomes, une tâche ingérable avec les méthodes normal.
Pour gérer ces calculs, Giustino et ses collaborateurs d’Austin et d’ailleurs ont développé EPW, un code d’interface de transmission de messages et de Fortran open supply qui calcule les propriétés liées à l’interplay électron-phonon. Ce code, développé dans le cadre d’une collaboration internationale dirigée par Giustino, se spécialise dans l’étude de la façon dont les électrons interagissent avec les vibrations du réseau, provoquant la formation de polarons.
« Notre collaboration avec TACC ne se limite pas à l’utilisation de ressources informatiques avancées », a déclaré Giustino. « L’facet le plus necessary est l’interplay avec les gens. Ils ont joué un rôle essentiel en nous aidant à profiler le code et en veillant à éviter les goulots d’étranglement en appliquant des outils de profilage qui nous aident à étudier les baisses de performances. Une grande partie du travail effectué sur le code EPW se fait en collaboration avec les specialists de TACC qui nous aident à améliorer la mise à l’échelle du code pour obtenir des performances optimales sur les supercalculateurs. »
Les recherches de Giustino sur les polarons font partie du programme Attribute Science Purposes (CSA) du TACC, financé par la Nationwide Science Basis (NSF). Une douzaine de projets CSA environ influenceront la conception de l’set up de calcul de classe NSF, Horizon, en cours de développement au TACC.
« Le travail de la CSA entre mon groupe et le TACC pour optimiser le code EPW nous permet de repousser les frontières de ce que l’on peut étudier pour comprendre et découvrir de nouveaux matériaux importants. C’est une combinaison de théorie, d’algorithmes et de calcul haute efficiency avec de nombreux échanges avec nos collègues du TACC pour nous assurer que nous utilisons les supercalculateurs de la manière la plus viable attainable », a déclaré Giustino.
Une autre software potentielle est le développement de dispositifs de mémoire ferroélectrique, qui pourraient conduire à une mémoire informatique plus compacte. Dans ces dispositifs, l’data est codée par la vibration des atomes d’un cristal sous l’effet d’un champ électrique.
« Les investissements dans le calcul haute efficiency et dans l’informatique du futur sont essentiels pour la science », a conclu M. Giustino. « Cela nécessite des investissements importants comme ceux qui permettent de maintenir et d’agrandir des installations comme le TACC. »
Rapport de recherche:Polarons topologiques dans les pérovskites halogénées
Liens connexes
L’Université du Texas à Austin
Tout sur l’énergie solaire sur SolarDaily.com
