加州大學(xué)圣地亞哥分校的工程師開發(fā)了一種高通量計算方法，為下一代太陽能電池和LED設(shè)計出新材料。他們的方法產(chǎn)生了13種新的太陽能電池候選材料和23種新的LED候選材料。相關(guān)研究預(yù)測的這些材料稱為混合鹵化物半導(dǎo)體，穩(wěn)定且表現(xiàn)出優(yōu)異的光電性能。

該團(tuán)隊于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)體是由可容納有機(jī)陽離子的無機(jī)骨架組成的材料。它們具有獨特的材料特性，在現(xiàn)有的有機(jī)或無機(jī)材料中找不到。

這些材料的一個子類，稱為混合鹵化物鈣鈦礦，由于其優(yōu)異的光電性能和廉價的制造成本，極有前景作為下一代太陽能電池和LED器件材料。然而，混合鈣鈦礦并不穩(wěn)定并含有鉛，使得它們不適用于制造商業(yè)設(shè)備。

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KesongYang領(lǐng)導(dǎo)的研究小組利用計算工具尋求鈣鈦礦的替代品，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)定且不含鉛?！拔覀冋趯ふ意}鈦礦結(jié)構(gòu)，尋找一個新的空間來設(shè)計用于光電子學(xué)的混合半導(dǎo)體材料?！盰ang說。

Yang的團(tuán)隊首先瀏覽了兩個最大的量子材料數(shù)據(jù)庫AFLOW和TheMaterialsProject，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個原型結(jié)構(gòu)，用作生成混合有機(jī)-無機(jī)材料結(jié)構(gòu)的模板。

接下來，他們在原型結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了高通量量子力學(xué)計算，以建立一個包含4507個假設(shè)雜化鹵化物的綜合量子材料庫。通過使用高效的數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)篩選算法，Yang的團(tuán)隊迅速確定了13種太陽能電池材料候選物和23種LED候選物。

“有機(jī)-無機(jī)雜化材料的高通量研究并非輕而易舉，”Yang說。他們花了幾年的時間才開發(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)隊還花費了大量精力使軟件框架與用于高吞吐量計算的軟件無縫協(xié)作。

“與其他計算設(shè)計方法相比，我們已經(jīng)探索了一個非常大的結(jié)構(gòu)和化學(xué)空間來識別新型鹵化物半導(dǎo)體材料，”Li說，他是Yang研究團(tuán)隊的納米工程學(xué)博士生，也是該研究的第一作者。Li說，這項工作還可以激發(fā)新的實驗工作浪潮，以驗證計算預(yù)測的材料。

展望未來，Yang和他的團(tuán)隊正在利用他們的高通量方法從其他類型的晶體結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)新的太陽能電池和LED材料。他們還在開發(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)用的其他類型的功能材料。

Yang將其項目成功的大部分內(nèi)容歸功于加州大學(xué)圣地亞哥分校圣地亞哥超級計算機(jī)中心（SDSC）的Comet超級計算機(jī)的使用?！拔覀兊拇笠?guī)模量子力學(xué)計算需要大量的計算資源，”他解釋道?！白?016年以來，我們獲得了計算時間-在Comet上獲得了大約346萬個計算時長，這使該項目成為可能?！?br/>
雖然Comet在這項研究中提供了模擬，但Yang說，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)RonHawkins和該中心的計算研究專家JerryGreenberg為Yang及其團(tuán)隊提供足夠的支持。研究人員特別感謝SDSC的工作人員進(jìn)行研究，編輯和安裝Comet的計算代碼，該代碼由美國國家科學(xué)基金會資助。

Yang通過位于加州大學(xué)圣地亞哥分校的Triton共享計算集群（TSCC）校園集群與SDSC建立聯(lián)系，這節(jié)省了大量時間?！斑@些計算資源的價值約為115,600美元，為我們的項目節(jié)省了大量資金。”