查尔姆斯研究人员利用模拟更好地了解了二维钙钛矿，从而获得了有关制造更稳定和高效的太阳能电池的新见解。这有助于设计改良的绿色能源设备。

向更环保能源的过渡需要更稳定和高效的太阳能电池材料。卤化物钙钛矿已成为传统硅基材料的颇有前景的替代品。瑞典查尔姆斯理工大学的研究人员通过对钙钛矿材料的功能有了新认识，取得了重大进展，标志着这一领域的重要进步。

卤化物钙钛矿是一系列材料的总称，这些材料被认为在柔性轻质太阳能电池和各种光学应用（如LED照明）方面非常有前途且成本效益高。这是因为其中许多材料能够以极高的效率吸收和发射光。然而，钙钛矿材料可能会迅速降解，为了了解如何最好地应用这些材料，需要更深入地了解为什么会出现这种情况以及材料的作用原理。

计算机模拟和机器学习作为辅助手段

在钙钛矿组中，既有三维材料也有二维材料，后者通常更稳定。查尔姆斯理工大学物理系的一个研究团队利用先进的计算机模拟和机器学习技术，研究了一系列二维钙钛矿材料，并对影响材料性能的因素有了关键性的认识。研究成果已发表在《美国化学学会能源通讯》上的一篇文章中。

“通过在计算机模拟中绘制材料图像并将其置于不同的环境中，我们可以得出材料中的原子在暴露于热量、光线等条件下时会如何反应的结论。换句话说，我们现在对该材料有了一种微观描述，这种描述独立于对该材料所做的实验，但我们能够证明这种描述与实验得出的结论一致。模拟与实验的不同之处在于，我们可以在详细层面上观察到导致实验中最终测量点的确切因素。这使我们更加深入地了解了二维钙钛矿的工作原理，”查尔姆斯理工大学研究团队成员保罗·埃尔哈特教授说道。

可以在更长的时间范围内研究更大的系统

采用机器学习已成为研究人员的一种重要手段。与几年前使用的标准方法相比，他们能够研究更大规模的系统，而且研究周期也更长。

研究团队成员、副教授茱莉亚·维克托（Julia Wiktor）和研究人员埃里克·弗兰森（Erik Fransson）表示：“这让我们对材料有了比以往更全面的了解，同时也让我们能够对材料展开更为细致的研究。我们可以看到，在这些非常薄的材料层中，每一层的表现均不相同，而这一点是非常难以通过实验检测出来的。”

更好地了解材料的成分

二维钙钛矿材料由层层堆叠的无机层构成，无机层之间由有机分子分隔。了解影响这些无机层和分子之间相互作用的具体机制，对于设计基于钙钛矿材料的高效稳定光电器件至关重要。

“在二维钙钛矿中，钙钛矿层与有机分子相连。我们发现，通过选择有机连接体，可以直接控制表层原子的移动方式，以及这种移动方式如何影响钙钛矿层内部的原子运动。由于这种运动对光学特性至关重要，因此会产生多米诺骨牌效应，”保罗·埃尔哈特说道。

该研究成果有助于人们深入了解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器件。

茱莉亚·维克托说：“这确实为我们提供了了解二维钙钛矿材料稳定性来源的机会，从而使我们有可能预测出哪种连接体和维度能够同时使材料更加稳定和高效。我们的下一步是进入更加复杂的系统，特别是这对器件功能至关重要的界面。”

参考文献：《有机间隔物和维度对卤化物钙钛矿模板化的影响》，作者：Erik Fransson、Julia Wiktor、Paul Erhart，2024年7月18日，发表于《ACS能源快报》。DOI：10.1021/acsenergylett.4c01283

本研究得到了瑞典研究理事会、查尔姆斯中子与同步加速器技术促进倡议、瑞典战略研究基金会以及瓦伦堡学院计划的资助。本研究中的计算工作得到了瑞典国家超级计算学术基础设施（NAISS）C3SE提供的资源的支持。