Khi nhu cầu sử dụng điện toàn cầu tăng vọt, nhu cầu về các nguồn năng lượng sạch, hiệu quả liên tục gia tăng. Theo Cơ quan năng lượng quốc tế, điện sẽ chiếm hơn một nửa lượng năng lượng sử dụng của thế giới trong vòng 25 năm tới, tăng từ mức khoảng 20% hiện nay.
Để đáp ứng nhu cầu này một cách bền vững, các nhà nghiên cứu đang chạy đua phát triển các vật liệu pin mặt trời mới không chỉ hiệu quả hơn mà còn mỏng, linh hoạt và đa năng - có khả năng cung cấp năng lượng cho mọi thứ, từ điện thoại thông minh đến các tòa nhà chọc trời.
Một trong những lựa chọn hứa hẹn nhất là nhóm vật liệu gọi là perovskite halide. Những hợp chất này có khả năng hấp thụ và phát ra ánh sáng với hiệu suất đáng kể, khiến chúng trở nên lý tưởng cho pin mặt trời và thậm chí cả đèn LED.
Nhưng chúng có một nhược điểm lớn là không ổn định và có thể phân hủy nhanh chóng. Để khai thác hết tiềm năng của chúng, các nhà khoa học cần hiểu rõ cách thức hoạt động của những vật liệu này ở cấp độ cơ bản.
Một nhóm nghiên cứu ở Đại học công nghệ Chalmers, Thụy Điển nỗ lực khám phá vấn đề này. Sử dụng kết hợp mô phỏng máy tính tiên tiến và học máy, họ có được hiểu biết mới về hợp chất gọi là iodide chì formamidinium, một trong những perovskite halide thú vị nhưng cũng đầy bí ẩn.
Vật liệu này có các tính chất điện tử tuyệt vời nhưng lại bị hạn chế bởi tính không ổn định của nó. Các nhà nghiên cứu thử trộn nó với các perovskite khác để cải thiện độ bền, nhưng cho đến nay, các chi tiết về hành vi của nó vẫn chưa rõ ràng.
Nhóm nghiên cứu tập trung vào giai đoạn nhiệt độ thấp của vật liệu này, trạng thái từ lâu làm các nhà khoa học bối rối vì các thí nghiệm đơn thuần không thể giải thích đầy đủ. Công trình của họ làm sáng tỏ phần còn thiếu này, cung cấp hiểu biết sâu sắc về cách vật liệu thay đổi khi nguội đi.
Để đạt được điều này, nhóm nghiên cứu vượt qua giới hạn của mô hình vật liệu. Mô phỏng truyền thống chỉ có thể xử lý hàng trăm nguyên tử trong khoảng thời gian ngắn, nhưng bằng cách bổ sung học máy vào phương pháp, họ có thể mô phỏng hàng triệu nguyên tử trong khoảng thời gian dài hơn nhiều.
Bước nhảy vọt về quy mô này, cho phép nhóm nghiên cứu tái tạo các tình huống thực tế hơn và so sánh kết quả của họ với các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm.
Hợp tác với các cộng sự tại Đại học Birmingham, nhóm nghiên cứu làm lạnh các mẫu iodide chì formamidinium xuống đến -200°C, xác nhận rằng mô phỏng của họ phản ánh đúng những gì xảy ra trong vật liệu thực tế. Họ phát hiện, khi hợp chất này nguội đi, các phân tử của nó bị kẹt trong một cấu trúc bán ổn định, chi tiết quan trọng giúp giải thích những đặc điểm kỳ lạ của nó.
Những hiểu biết sâu sắc này, được công bố trên tạp chí American Chemical Society, có thể định hướng việc thiết kế các hỗn hợp perovskite ổn định hơn, đưa chúng ta đến gần hơn với các pin mặt trời thực tế và độ bền tốt hơn.
