数据挖掘助攻太阳能选材,美科学家找到13种潜力材料

钙钛矿太阳能具有高转换效率、易制造优点,近年来深受科学家爱戴,只不过美中不足的是,它同时也有着稳定性低、含铅的缺点,科学家还得继续寻找合适的太阳能材料,对此,加州大学圣地亚哥分校(UCSD)利用数据挖掘比对钙钛矿特性,成功找到13种新型太阳能潜力材料。

钙钛矿太阳能电池是由有机金属卤化物半导体构成,这些同时具有无机与有机的晶体结构变化性丰富,可以用不同的材料与比例来调整钙钛矿的特性,目前最典型的钙钛矿化合物则为(CH3NH3)PbI3,主要含有甲基铵、铅、碘离子,转换效率已在数年间上升至24%。

与此同时,科学家也注意到铅固有的不稳定性与毒性,这让铅基钙钛矿的商业可行性大打折扣,使得科学家陷入要“解决含铅问题”还是“寻找新材料”的两难,科学家难放弃钙钛矿太阳能的高转换效率、能用溶液制程制备优点,但又无法突破稳定性低的缺点。

对此UCSD提出另一种折衷方案,他们通过数据挖掘与数据筛选技术,分析化学成分跟卤化物钙钛矿相似的化合物,想根据钙钛矿优点找出新型潜力材料。

由纳米工程教授Kesong Yang带领的团队深入研究AFLOW和The Materials Project两大量子材料数据库,选出24个原型结构来生成有机无机混合结构的模板后,之后再运用高通量量子力学运算,创建出含有4,507个假设混合卤化物的量子材料库。

图为具有tI14皮尔逊符号(Pearson symbol)的后选材料(MA)2GeI4

最终Yang团队选定13种太阳能电池候选材料与23种LED潜力材料。Yang表示,研究结果得来不易,团队花了好几年的时间才开发出完整的软件框架(software framework),这些软件框架不仅具备生成混合卤化物材料的功能,还有数据挖掘、数据筛选等算法功能,除此之外,软件框架还要跟高通量运算软件无缝交融,又得再花耗时间和精力。

目前UCSD团队已经开发出颇具规模的结构与化学空间(Chemical space),让人们可以通过全新的化学数据库来寻找卤化物半导体材料。预期未来,Yang也正用高通量运算寻找其他晶体结构的太阳能与LED材料,并努力开发另一种数据挖掘模型,这样一来也可以寻找具有能量转换、光电子和自旋电子特性的材料。