Сотрудники лаборатории новых материалов для солнечной энергетики факультета наук о материалах создали базу данных слоистых перовскитоподобных соединений. С использованием методов квантовой химии, кристаллохимического анализа и машинного обучения были выявлены закономерности между структурой и свойствами этих соединений. Результаты работы опубликованы в престижном международном журнале Chemistry of Materials.
Гибридные соединения со структурой перовскита за последние 10 лет привлекли колоссальное внимание ученых со всего мира. Причиной стали уникальные оптические и электронные свойства таких соединений. На основе гибридных перовскитов уже созданы солнечные батареи, светодиоды, лазеры, фотосенсоры, детекторы рентгеновского излучения и другие оптоэлектронные устройства. Многие из устройств обладают рекордными характеристиками, например, перовскитные солнечные батареи с КПД более 25%, превышающим рекордные значения наиболее распространённых сегодня солнечных батарей на основе поликристаллического кремния.
В ходе интенсивного исследования гибридных перовскитов в последние 2-3 года особый интерес исследователей привлекли так называемые слоистые перовскитоподобные соединения. В отличие от классических гибридных перовскитов, слоистые перовскитоподобные соединения обладают большим структурным разнообразием и широким диапазоном возможного химического состава. Кроме того, такие соединения стабильнее к факторам внешней среды, а значит, устройства на их основе будут служить дольше.
Сотрудники лаборатории новых материалов для солнечной энергетики факультета наук о материалах МГУ уже несколько лет ведут плодотворные исследования в области гибридных перовскитов и перовскитных солнечных батарей. Ранее мы писали о том, как им удалось разработать новый метод синтеза гибридных перовскитов и создать с его помощью солнечную батарею с КПД > 17%, а также о достижениях лаборатории в области теоретической химии и фундаментального материаловедения. Новая опубликованная работа закладывает основы нового направления исследований лаборатории, посвящённого изучению слоистых перовскитоподобных соединений исходя из фундаментальных принципов строения их кристаллической структуры.
В ходе проведённой работы были проанализированы сотни литературных источников и создана единая пополняемая база данных, в которой в настоящий момент содержится информация о структуре и свойствах более 500 соединений. На основании собранных данных с использованием кристаллохимического анализа и методов квантовой химии были рассчитаны важные структурные и электронные свойства данных соединений, а использование методов машинного обучения позволило проанализировать большой объём данных и обнаружить закономерности между их строением свойствами. Кроме того, такой подход позволил спрогнозировать неизвестные свойства некоторых соединений и выявить наиболее перспективные объекты исследований.
«В ходе работы мы провели детальный кристаллохимический анализ всех собранных соединений и выявили важные корреляции между геометрическими параметрами структуры и оптическими свойствами слоистых перовскитоподобных соединений. Это позволило нам сделать важные обобщения для всего класса данных соединений, которые позволят выявить новые перспективные материалы с выдающимися функциональными характеристиками. После публикации новости о нашей базе данных в твиттере она вызвала огромный интерес в международном научном сообществе, ежедневно мы регистрируем на сайте десятки посещений. Мы внимательно следим за развитием данной области исследований и будем регулярно дополнять нашу базу данных информацией о новых соединениях, наши коллеги из американских и европейских лабораторий уже начали присылать нам свои новые данные о кристаллических структурах данного класса соединений для пополнения нашей коллекции. В настоящий момент мы работаем над новыми исследованиями, опирающимися на углубленный анализ информации, собранной в созданной базе данных с кристаллохимической точки зрения», — рассказал руководитель исследования Алексей Тарасов, кандидат химических наук, заведующий лабораторией новых материалов для солнечной энергетики факультета наук о материалах МГУ и старший научный сотрудник химического факультета МГУ.
Работа поддержана грантом Российского научного фонда (РНФ) и индустриальным партнером лаборатории Группой компаний En+.
Рисунок 1. Примеры кристаллических структур слоистых гибридных перовскитоподобных соединений, содержащихся в базе данных. Алексей Тарасов/МГУ
Рисунок 2. Объем органического катиона, находящегося между неорганическими слоями октаэдров PbI6 в кристаллической структуре перспективного слоистого перовскитоподобного соединения. Алексей Тарасов/МГУ
