數(shù)據(jù)科學(xué)幫助工程師發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)能電池和LED的新材料

工程師們開(kāi)發(fā)了一種高通量計(jì)算方法，為下一代太陽(yáng)能電池和LED設(shè)計(jì)新材料。他們的方法產(chǎn)生了13種新的太陽(yáng)能電池候選材料和23種新的LED候選材料。加州大學(xué)圣地亞哥分校的工程師開(kāi)發(fā)了一種高通量計(jì)算方法，為下一代太陽(yáng)能電池和LED設(shè)計(jì)新材料。他們的方法產(chǎn)生了13種新的太陽(yáng)能電池候選材料和23種新的LED候選材料。計(jì)算預(yù)測(cè)這些材料稱為混合鹵化物半導(dǎo)體，將是穩(wěn)定的并且表現(xiàn)出優(yōu)異的光電性能。該團(tuán)隊(duì)于2019年5月22日在能源與環(huán)境科學(xué)雜志上發(fā)表了他們的研究結(jié)果。混合鹵化物半導(dǎo)體是由容納有機(jī)陽(yáng)離子的無(wú)機(jī)骨架組成的材料。它們具有獨(dú)特的材料特性，僅在有機(jī)或無(wú)機(jī)材料中找不到。

這些材料的一個(gè)子類(lèi)，稱為混合鹵化物鈣鈦礦，由于其優(yōu)異的光電性能和廉價(jià)的制造成本，作為下一代太陽(yáng)能電池和LED器件的有前景的材料引起了很多關(guān)注。然而，混合鈣鈦礦不是很穩(wěn)定并含有鉛，使得它們不適用于商業(yè)設(shè)備。

尋求鈣鈦礦的替代品，由加州大學(xué)圣地亞哥雅各布斯工程學(xué)院的納米工程教授Kesong Yang領(lǐng)導(dǎo)的研究小組利用計(jì)算工具，數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)篩選技術(shù)發(fā)現(xiàn)了鈣鈦礦以外的新型混合鹵化物材料，這些材料穩(wěn)定且具有鉛-自由。“我們正在尋找鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，尋找一個(gè)新的空間來(lái)設(shè)計(jì)用于光電子學(xué)的混合半導(dǎo)體材料。”楊說(shuō)。

Yang的團(tuán)隊(duì)首先瀏覽了兩個(gè)最大的量子材料數(shù)據(jù)庫(kù)AFLOW和材料項(xiàng)目，并分析了所有化學(xué)成分與鹵素鈣鈦礦相似的化合物。然后，他們提取了24個(gè)原型結(jié)構(gòu)，用作生成混合有機(jī) - 無(wú)機(jī)材料結(jié)構(gòu)的模板。

接下來(lái)，他們?cè)谠徒Y(jié)構(gòu)上進(jìn)行了高通量量子力學(xué)計(jì)算，以建立一個(gè)包含4,507個(gè)假設(shè)雜化鹵化物的綜合量子材料庫(kù)。通過(guò)使用高效的數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)篩選算法，Yang的團(tuán)隊(duì)迅速確定了13種太陽(yáng)能電池材料候選物和23種LED候選物。

“有機(jī) - 無(wú)機(jī)雜化材料的高通量研究并非微不足道，”楊說(shuō)?；藥啄甑臅r(shí)間才開(kāi)發(fā)出一套完整的軟件框架，該框架配備了混合鹵化物材料的數(shù)據(jù)生成，數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)篩選算法。他的團(tuán)隊(duì)還花費(fèi)了大量精力使軟件框架與用于高吞吐量計(jì)算的軟件無(wú)縫協(xié)作。

“與其他計(jì)算設(shè)計(jì)方法相比，我們已經(jīng)探索了一個(gè)非常大的結(jié)構(gòu)和化學(xué)空間來(lái)識(shí)別新型鹵化物半導(dǎo)體材料，”Yu Yu Li說(shuō)，他是楊氏集團(tuán)的納米工程博士候選人，也是該研究的第一作者。李說(shuō)，這項(xiàng)工作還可以激發(fā)新的實(shí)驗(yàn)工作浪潮，以驗(yàn)證計(jì)算預(yù)測(cè)的材料。

展望未來(lái)，Yang和他的團(tuán)隊(duì)正在利用他們的高通量方法從其他類(lèi)型的晶體結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)新的太陽(yáng)能電池和LED材料。他們還在開(kāi)發(fā)新的數(shù)據(jù)挖掘模塊，以發(fā)現(xiàn)用于能量轉(zhuǎn)換，光電子和自旋電子應(yīng)用的其他類(lèi)型的功能材料。

Yang將其項(xiàng)目成功的大部分內(nèi)容歸功于加州大學(xué)圣地亞哥分校圣地亞哥超級(jí)計(jì)算機(jī)中心(SDSC)的Comet超級(jí)計(jì)算機(jī)的使用。“我們的大規(guī)模量子力學(xué)計(jì)算需要大量的計(jì)算資源，”他解釋道。“自2016年以來(lái)，我們獲得了計(jì)算時(shí)間 - 在Comet上獲得了大約346萬(wàn)個(gè)核心小時(shí)，這使該項(xiàng)目成為可能。”

雖然Comet在這項(xiàng)研究中提供了模擬，但楊說(shuō)，SDSC的工作人員在他的研究中也發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。SDSC的行業(yè)關(guān)系總監(jiān)Ron Hawkins和該中心的計(jì)算研究專(zhuān)家Jerry Greenberg確保為Yang及其團(tuán)隊(duì)提供足夠的支持。研究人員特別依賴SDSC的工作人員進(jìn)行研究，編輯和安裝Comet的計(jì)算代碼，該代碼由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)資助。

通過(guò)位于加州大學(xué)圣地亞哥分校的Triton共享計(jì)算集群(TSCC)校園集群與SDSC建立聯(lián)系的Yang表示，Comet不僅節(jié)省了時(shí)間。“這些獲獎(jiǎng)計(jì)算資源的價(jià)值約為115,600美元，這也為我們的項(xiàng)目節(jié)省了大量資金。”

這項(xiàng)工作得到了三星高等技術(shù)研究院(獎(jiǎng)項(xiàng)編號(hào)20164974)和國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(ACI-1550404)的全球研究外展(GRO)計(jì)劃的支持。ab-initio分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算使用由國(guó)防部高性能計(jì)算現(xiàn)代化計(jì)劃(HPCMP)提供的計(jì)算資源。