پیشرفت چشمگیر در فناوری خورشیدی: رمزگشایی پروسکایت‌های هالیدی با هوش مصنوعی

ضرورت توسعه انرژی‌های پایدار

تقاضای جهانی برای برق با سرعتی فزاینده در حال رشد است و این امر، یافتن روش‌های پایدار برای پاسخ به نیازهای آینده را به ضرورتی انکارناپذیر بدل کرده است. یکی از امیدبخش‌ترین راهکارها، توسعه مواد پیشرفته برای سلول‌های خورشیدی است؛ موادی که می‌توانند بسیار نازک و انعطاف‌پذیر تولید شوند و از گوشی‌های هوشمند گرفته تا کل نمای ساختمان‌ها را بپوشانند.

آژانس بین‌المللی انرژی پیش‌بینی می‌کند که سهم برق از مصرف جهانی انرژی که در حال حاضر حدود ۲۰ درصد است، طی ۲۵ سال آینده به بیش از ۵۰ درصد خواهد رسید. این چشم‌انداز، ضرورت توسعه فناوری‌های پاک و کارآمد انرژی را دوچندان می‌کند.

جولیا ویکتور، پژوهشگر اصلی این مطالعه و دانشیار دانشگاه چالمرز، بر این نکته تأکید می‌کند: «برای پاسخ به این تقاضا، نیاز فزاینده‌ای به روش‌های نوین، دوستدار محیط زیست و کارآمد در تبدیل انرژی وجود دارد؛ از جمله سلول‌های خورشیدی کارآمدتر. یافته‌های ما برای طراحی و کنترل یکی از امیدبخش‌ترین مواد سلول خورشیدی حیاتی است. بسیار هیجان‌انگیز است که اکنون روش‌های شبیه‌سازی در اختیار داریم که می‌توانند به پرسش‌هایی پاسخ دهند که تنها چند سال پیش بی‌پاسخ بودند.»

پروسکایت‌های هالیدی: مواد امیدبخش آینده

مواد موسوم به پروسکایت‌های هالیدی به عنوان یکی از نویدبخش‌ترین گزینه‌ها برای تولید سلول‌های خورشیدی سبک، انعطاف‌پذیر و مقرون‌به‌صرفه مطرح هستند. این مواد در جذب و نشر نور عملکردی بسیار کارآمد دارند و کاربرد آنها تنها به سلول‌های خورشیدی محدود نیست، بلکه در ساخت ادوات اپتوالکترونیکی مانند لامپ‌های LED نیز مورد توجه‌اند.

با این حال، مشکل اصلی این مواد ناپایداری آنهاست. به‌ویژه ترکیب بلورین فرم‌آمیدینیوم سرب یدید که خواص اپتوالکترونیکی فوق‌العاده‌ای دارد، اما به دلیل بی‌ثباتی، استفاده گسترده از آن محدود مانده است. پژوهشگران می‌گویند این مشکل با ترکیب دو نوع پروسکایت هالیدی قابل حل است، اما برای به‌کارگیری بهینه آن، شناخت عمیق‌تری از این مواد ضروری است.

رمزگشایی یک فاز ناشناخته با یادگیری ماشینی

تیم تحقیقاتی دانشگاه چالمرز توانسته است توضیح دقیقی درباره یک فاز کلیدی از این ماده ارائه کند؛ فازی که تاکنون تنها با آزمایش‌های تجربی قابل توصیف نبود. درک این فاز برای طراحی و کنترل ماده و ترکیبات مبتنی بر آن حیاتی است. نتایج این پژوهش به‌تازگی در نشریه معتبر Journal of the American Chemical Society منتشر شده است.

سانگیتا دوتا، پژوهشگر چالمرز، اظهار داشت: «فاز دمای پایین این ماده سال‌ها یک قطعه گمشده در پازل تحقیقات بود و اکنون توانسته‌ایم پرسش بنیادی درباره ساختار این فاز را پاسخ دهیم.»

تخصص پژوهشگران در ساخت مدل‌های دقیق رایانه‌ای از مواد مختلف، امکان شبیه‌سازی این مواد در سناریوهای متنوع را فراهم کرده است. هرچند مدل‌سازی پروسکایت‌های هالیدی چالش‌برانگیز است، چرا که شناسایی و رمزگشایی خواص آنها به ابررایانه‌ها و زمان‌های طولانی شبیه‌سازی نیاز دارد.

دوتا توضیح داد: «با ترکیب روش‌های استاندارد خود با یادگیری ماشینی توانستیم شبیه‌سازی‌هایی انجام دهیم که هزاران بار طولانی‌تر از گذشته هستند. اکنون مدل‌های ما می‌توانند میلیون‌ها اتم را در بر گیرند، نه فقط صدها اتم؛ که این موضوع آنها را به شرایط واقعی نزدیک‌تر می‌کند.»

همخوانی آزمایش و شبیه‌سازی

پژوهشگران موفق شدند ساختار فرم‌آمیدینیوم سرب یدید را در دماهای پایین شناسایی کنند. همچنین دریافتند که مولکول‌های فرم‌آمیدینیوم هنگام سرد شدن ماده در حالت نیمه‌پایدار گیر می‌کنند. برای اطمینان از صحت یافته‌ها، آنها با تیمی از پژوهشگران دانشگاه بیرمنگام همکاری کردند و ماده را تا دمای منفی ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد سرد کردند تا آزمایش‌ها با شبیه‌سازی‌ها هم‌خوانی داشته باشد.

اریک فرانسون از دپارتمان فیزیک دانشگاه چالمرز گفت: «امیدواریم بینش‌هایی که از این شبیه‌سازی‌ها به دست آورده‌ایم بتواند در آینده به مدل‌سازی و تحلیل بهتر مواد پیچیده پروسکایت هالیدی کمک کند.»