Επιστήμονες στη Σουηδία προχωρούν στην ανάπτυξη αποδοτικότερων, εύκαμπτων ηλιακών κυττάρων με περσοβσκίτες, χρησιμοποιώντας προσομοιώσεις μηχανικής μάθησης για να κατανοήσουν κρίσιμες φάσεις της συμπεριφοράς τους

Η αυξανόμενη παγκόσμια ζήτηση ενέργειας ωθεί τις τεχνολογίες φωτοβολταϊκών στα όριά τους. Ερευνητές στη Σουηδία πέτυχαν μια σημαντική πρόοδο προς την ανάπτυξη καινοτόμων ηλιακών υλικών με υψηλότερη απόδοση σε σχέση με όσα χρησιμοποιούνται σήμερα. Αυτά τα υλικά μπορούν να παραχθούν σε εξαιρετικά λεπτές και εύκαμπτες μορφές, γεγονός που τα καθιστά ιδανικά για χρήση τόσο σε μικροσυσκευές, όπως τα smartphones, όσο και σε επιφάνειες μεγάλων κατασκευών.

Στο Πανεπιστήμιο Τεχνολογίας Chalmers, επιστήμονες εργάζονται πάνω σε έναν πολλά υποσχόμενο τύπο ηλιακού υλικού: τους περσοβσκίτες αλογονιδίων, οι οποίοι, παρότι παρουσιάζουν εξαιρετικές δυνατότητες, παραμένουν δύσκολοι στη μελέτη και στην αξιοποίησή τους.

Οι ερευνητές αξιοποιούν μοντέλα τεχνητής νοημοσύνης και μηχανικής μάθησης, για να μελετήσουν με μεγαλύτερη ακρίβεια τη συμπεριφορά των περσοβσκιτών. Σύμφωνα με τη Διεθνή Υπηρεσία Ενέργειας, η ηλεκτρική ενέργεια αντιστοιχεί σήμερα στο 20% της συνολικής κατανάλωσης, αλλά μέχρι το 2050 αναμένεται να ξεπεράσει το 50%. Αυτό καθιστά απαραίτητη την ανάπτυξη βιώσιμων και αποδοτικών τεχνολογιών όπως τα νέα ηλιακά κύτταρα. Όπως εξηγεί η επικεφαλής ερευνήτρια Τζούλια Γουίκτορ, πλέον υπάρχουν προσομοιώσεις που απαντούν σε ερωτήματα που έως πρόσφατα ήταν άλυτα, γεγονός που ενισχύει τη δυνατότητα βελτιστοποίησης των υλικών για πρακτική εφαρμογή.

Η συγκεκριμένη κατηγορία υλικών έχει τη δυνατότητα να απορροφά και να εκπέμπει φως με υψηλή απόδοση. Αυτό τους δίνει πλεονέκτημα τόσο σε ηλιακές εφαρμογές όσο και σε οπτοηλεκτρονικά είδη όπως LED. Ωστόσο, η σταθερότητά τους παραμένει πρόβλημα. Ένα από τα πλέον υποσχόμενα υλικά είναι ο φορμαμιδικός μόλυβδος ιωδίου, που όμως υποβαθμίζεται εύκολα, περιορίζοντας τις εμπορικές δυνατότητες.

Η λύση ίσως βρίσκεται στη μείξη δύο διαφορετικών τύπων περσοβσκιτών, όμως απαιτείται περισσότερη γνώση για τις ιδιότητές τους ώστε να ελέγχεται με ακρίβεια το τελικό υλικό.

Η ομάδα του Chalmers κατάφερε να περιγράψει με λεπτομέρεια μία κρίσιμη φάση του υλικού, η οποία δεν μπορούσε προηγουμένως να ερμηνευτεί πλήρως με εργαστηριακά μέσα. Η φάση αυτή, καθοριστική για τη λειτουργικότητα και την απόδοση του υλικού, αποκαλύφθηκε μέσω προσομοιώσεων και δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό Journal of the American Chemical Society.

Η Σανγκίτα Ντούτα, μέλος της ομάδας, δήλωσε ότι το κρίσιμο σημείο ήταν η αποκρυπτογράφηση της φάσης χαμηλής θερμοκρασίας, η οποία επί χρόνια παρέμενε ασαφής στους επιστήμονες.

Μοντελοποίηση υλικών με τεχνητή νοημοσύνη

Η ομάδα ειδικεύεται στη δημιουργία υπολογιστικών μοντέλων που προσομοιώνουν τη συμπεριφορά σύνθετων υλικών. Αυτό τους επιτρέπει να αναλύουν πειραματικά σενάρια σε συνθήκες που αναπαριστούν την πραγματικότητα. Ωστόσο, οι περσοβσκίτες απαιτούν τεράστιους υπολογιστικούς πόρους και ακριβή προσομοίωση, λόγω της πολυπλοκότητας της κρυσταλλικής τους δομής.

Συνδυάζοντας την κλασική προσομοίωση με μηχανική μάθηση, η ομάδα κατάφερε να αυξήσει την υπολογιστική ισχύ, προσομοιώνοντας υλικά με εκατομμύρια άτομα – αντί για εκατοντάδες στο παρελθόν. Αυτό φέρνει τις αναλύσεις πολύ πιο κοντά στις ρεαλιστικές συνθήκες εφαρμογής. Για να επιβεβαιώσουν την εγκυρότητα των μοντέλων τους, οι επιστήμονες συνεργάστηκαν με το Πανεπιστήμιο του Μπέρμιγχαμ. Πραγματοποίησαν πειράματα ψύχοντας το υλικό στους –200°C, ώστε να προσομοιωθούν ακριβώς οι συνθήκες των μοντέλων.

Οι επιστήμονες παρατήρησαν ότι τα μόρια φορμαμιδινίου “παγιδεύονται” σε μια ενδιάμεση κατάσταση όταν μειώνεται η θερμοκρασία, γεγονός που επηρεάζει τη σταθερότητα του υλικού. Αυτή η πληροφορία είναι κομβικής σημασίας για τη μελλοντική αξιοποίηση του υλικού και τη βελτιστοποίηση των συνδυασμών του με άλλα στοιχεία.

Ο φυσικός Έρικ Φράνσον δήλωσε πως οι γνώσεις που αποκτήθηκαν από τη μελέτη θα συνεισφέρουν σημαντικά στην καλύτερη κατανόηση και ανάπτυξη προηγμένων ηλιακών υλικών.

Διαβάστε επίσης: Σε ιστορικό υψηλό για δεύτερη μέρα ο ιαπωνικός Nikkei με ώθηση από το τεχνολογικό ράλι της Wall