Die weltweit steigende Energienachfrage bringt die Photovoltaiktechnologien an ihre Grenzen. Forschenden in Schweden ist ein wichtiger Durchbruch bei der Entwicklung innovativer Solarmaterialien gelungen, die eine höhere Effizienz aufweisen als die heute verwendeten Materialien. Diese Materialien lassen sich in extrem dünner und flexibler Form herstellen. Dadurch eignen sie sich ideal für den Einsatz sowohl in Kleinstgeräten wie Smartphones als auch auf den Oberflächen großer Bauwerke.
An der Chalmers University of Technology arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an einem vielversprechenden Typ von Solarmaterial: Halogenid-Perowskiten. Obwohl sie außergewöhnliches Potenzial besitzen, sind sie nach wie vor schwer zu erforschen und nutzbar zu machen.
Die Forschenden nutzen Modelle der künstlichen Intelligenz und des maschinellen Lernens, um das Verhalten von Perowskiten genauer zu untersuchen. Nach Angaben der Internationalen Energieagentur macht Strom heute 20% des Gesamtverbrauchs aus. Bis zum Jahr 2050 soll dieser Anteil jedoch auf mehr als 50% steigen. Daher ist die Entwicklung nachhaltiger und effizienter Technologien wie neuer Solarzellen unerlässlich. Wie die leitende Forscherin Julia Wiktor erklärt, gibt es inzwischen Simulationen, die Fragen beantworten, die bis vor Kurzem ungelöst waren. Das verbessert die Möglichkeiten, die Materialien für praktische Anwendungen zu optimieren.
Diese Materialklasse kann Licht mit hoher Effizienz absorbieren und emittieren. Das verschafft ihr Vorteile sowohl bei Solarenergieanwendungen als auch bei optoelektronischen Produkten wie LEDs. Ihre Stabilität bleibt jedoch eine Herausforderung. Eines der vielversprechendsten Materialien ist Formamidinium-Blei-Iodid. Es zersetzt sich jedoch leicht, was seine kommerziellen Einsatzmöglichkeiten einschränkt.
Eine Lösung könnte in der Mischung zweier verschiedener Perowskittypen liegen. Dafür müssen ihre Eigenschaften jedoch besser verstanden werden, damit sich das endgültige Material präzise steuern lässt.
Dem Team von Chalmers gelang es, eine entscheidende Phase des Materials detailliert zu beschreiben, die sich zuvor mit Labormethoden nicht vollständig erklären ließ. Diese Phase, die für die Funktionalität und Leistung des Materials entscheidend ist, wurde mithilfe von Simulationen aufgedeckt und im wissenschaftlichen Journal of the American Chemical Society veröffentlicht.
Sangita Dutta, ein Mitglied des Teams, erklärte, der entscheidende Schritt sei die Entschlüsselung der Tieftemperaturphase gewesen, die den Wissenschaftlern jahrelang unklar geblieben war.
Modellierung von Materialien mit künstlicher Intelligenz
Das Team ist auf die Entwicklung computergestützter Modelle spezialisiert, die das Verhalten komplexer Materialien simulieren. Dadurch kann es experimentelle Szenarien unter Bedingungen analysieren, die der Realität entsprechen. Perowskite erfordern jedoch aufgrund ihrer komplexen Kristallstruktur enorme Rechenressourcen und präzise Simulationen.
Durch die Kombination klassischer Simulationen mit maschinellem Lernen konnte das Team die Rechenleistung steigern und Materialien mit Millionen von Atomen simulieren – statt wie zuvor mit Hunderten. Dadurch kommen die Analysen den realen Anwendungsbedingungen deutlich näher. Um die Validität ihrer Modelle zu überprüfen, arbeiteten die Wissenschaftler mit der Universität Birmingham zusammen. Sie führten Experimente durch, bei denen sie das Material auf –200°C abkühlten, um die Bedingungen der Modelle genau nachzustellen.
Die Wissenschaftler beobachteten, dass Formamidinium-Moleküle beim Abkühlen in einem Zwischenzustand „gefangen“ bleiben, was die Stabilität des Materials beeinflusst. Diese Erkenntnis ist entscheidend für die künftige Nutzung des Materials und die Optimierung seiner Kombination mit anderen Elementen.
Der Physiker Erik Fransson erklärte, die Erkenntnisse aus der Studie würden wesentlich dazu beitragen, fortschrittliche Solarmaterialien besser zu verstehen und weiterzuentwickeln.
Bei Solar Home nutzen wir Modelle künstlicher Intelligenz, um den Ertrag der Anlagen zu berechnen und die optimale Installation der Ausrüstung auf Ihrer Immobilie zu ermitteln.
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