Команда обнаружила, что при охлаждении материала молекулы формамидиния оказываются захваченными в полустабильной конфигурации, не способной достичь их термодинамического основного состояния.

Исследователи из Технического университета Чалмерса в Швеции совершили значительный прорыв в изучении йодида свинца формамидиния — перспективного материала для солнечных батарей нового поколения — с помощью передовых компьютерных симуляций, дополненных машинным обучением.

Международная исследовательская группа под руководством доцента Юлии Виктор успешно раскрыла загадочную низкотемпературную структуру йодида свинца формамидиния (FAPbI3), решив фундаментальную задачу, которая долгое время ускользала от ученых. Это кристаллическое соединение относится к семейству галогенидных перовскитов и обладает исключительными оптоэлектронными свойствами, что делает его идеальным для гибких и легких солнечных элементов, которые потенциально могут покрывать все — от смартфонов до целых зданий.

Машинное обучение раскрывает загадку материалов

Прорыв был достигнут благодаря объединению традиционных вычислительных методов с алгоритмами машинного обучения, что позволило исследователям запускать симуляции, продолжающиеся в тысячи раз дольше, чем это было возможно ранее. «Объединяя наши стандартные методы с машинным обучением, мы теперь способны запускать симуляции, которые в тысячи раз длиннее, чем раньше. А наши модели теперь могут содержать миллионы атомов вместо сотен, что приближает их к реальному миру», объяснила исследователь Сангита Дутта.

Команда обнаружила, что при охлаждении материала молекулы формамидиния оказываются захваченными в полустабильной конфигурации, не способной достичь их термодинамического основного состояния. Это открытие объясняет экспериментальные трудности, с которыми сталкивались ученые при попытках получить истинное основное состояние материала, и предоставляет важные сведения о его фундаментальной физике.

Глобальный энергетический контекст определяет направление исследований

Исследование проводится в критический момент, когда мировой спрос на электроэнергию стремительно растет. По данным Международного энергетического агентства, доля электроэнергии в общем потреблении энергии в мире ожидается превысит 50% в течение ближайших 25 лет, тогда как сейчас она составляет лишь 20%. «Для удовлетворения спроса существует значительная и растущая потребность в новых, экологически чистых и эффективных методах преобразования энергии, таких как более эффективные солнечные элементы», — заявил Виктор.

Галогенные перовскиты считаются одними из самых перспективных материалов для недорогих солнечных технологий, поскольку они поглощают и излучают свет с исключительной эффективностью. Тем не менее, их быстрая деградация препятствует практическому применению, что делает фундаментальное понимание критически важным для разработки стабильных устройств.

Подтверждение через международное сотрудничество

Чтобы гарантировать, что их вычислительные модели отражают реальность, команда Чалмерса сотрудничала с экспериментальными исследователями из Бирмингемского университета. Команда из Бирмингема, включая Бенджамина Галанта и Доминика Кубицкого, охладила материал до -200°C и подтвердила результаты моделирования с помощью ядерного магнитного резонанса и спектроскопии неупругого рассеяния нейтронов.

Исследование, опубликованное в Journal of the American Chemical Society в августе 2025 года, представляет собой важный шаг на пути к проектированию и контролю как формамидиниевого йодистого свинца, так и смесей на его основе. Полученные результаты могут ускорить разработку долговечных, высокоэффективных солнечных элементов, которые достаточно тонкие и гибкие, чтобы интегрироваться в повседневные предметы и строительные материалы.