Эти новые принципы проектирования, основанные на моделировании, могут привести к созданию следующего поколения солнечных элементов и оптоэлектроники для освещения и хранения данных, основанных на простых и экологически безопасных методах производства.Эффективность солнечных элементов гибридных перовскитов повысилась с КПД менее 4% в 2009 году до более чем 20% сегодня. Однако стабильность перовскита по-прежнему ограничивает производительность.
Кроме того, гибридные перовскиты обычно содержат токсичный свинец. Теперь исследователи под руководством Университета Содружества Вирджинии использовали многомасштабный подход и всестороннее исследование более 40 материалов для определения параметров и механизмов, которые контролируют свойства и стабильность бессвинцовых гибридных перовскитов. Ученые провели моделирование, чтобы заполнить информационный пробел в серии бессвинцовых гибридных перовскитов, экспериментальные данные по которым отсутствовали.
Вычислительные методы включали теорию функционала плотности, ab initio моделирование молекулярной динамики и расчеты динамической кристаллической решетки.Материал можно представить в виде суперкристалла, состоящего из суперионов, как сверхщелочных, так и супергалогеновых ионов. Изменение галогена (хлор, бром или йод) и металла (германий или олово) в суперионах повлияло на их ионные радиусы и ионную природу связи. Ученые определили принципы конструкции, которые коррелировали ионную природу связи с электронной запрещенной зоной и другими характеристиками, относящимися к фотоэлектрическим элементам.
Команда определила два метода увеличения ионной природы: использование галогена меньшего размера для увеличения отношения радиусов между суперионами и использование более металлического металла (олова по сравнению с германием). Кроме того, они определили, как материалы разлагаются под воздействием влаги, и предложили стратегии противодействия.
Это новое понимание атомного уровня может привести к разработке более эффективных и долговечных солнечных элементов.