Métodos teóricos avançados para o estudo de compostos perovskitas e suas ligas para aplicação em células solares

• Processo: 21/13913-0
• Modalidade de apoio: Bolsas no Exterior - Pesquisa
• Data de Início da vigência: 01 de outubro de 2022
• Data de Término da vigência: 30 de setembro de 2023
• Área de conhecimento: Ciências Exatas e da Terra - Física - Física da Matéria Condensada
• Pesquisador responsável: Marcelo Marques
• Beneficiário: Marcelo Marques
• Pesquisador Anfitrião: Patrick Rinke
• Instituição Sede: Divisão de Ciências Fundamentais (IEF). Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA). Ministério da Defesa (Brasil). São José dos Campos , SP, Brasil
• Instituição Anfitriã: Aalto University, Finlândia
• Assunto(s): Cálculos de primeiros princípios Estado excitado Ligas Aprendizado computacional Perovskita
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: Cálculos de primeiros princípios | estados excitados | Ligas | machine learning | método GW | Perovskitas | Calculo de estrutura eletrônica

Resumo

Com o advento do aquecimento global, a utilização de fontes de energia limpas e renováveis tornou-se um pré-requisito para o desenvolvimento da sociedade humana. A tecnologia de células solares aparece com grande destaque na atualidade como uma das candidatas mais importantes para suprir essas demandas. Particularmente, houve uma revolução neste campo nos últimos anos com o uso de materiais chamados perovskita, proporcionando dispositivos com uma eficiência comparável à tecnologia padrão baseada em Si, mas com a grande vantagem de serem muito mais baratas e fáceis de produzir. No entanto, o desafio atual é superar a rápida degradação que esses dispositivos sofrem com o seu uso contínuo. É desejável que este problema seja resolvido, ao mesmo tempo que a eficiência já alcançada seja mantida ou mesmo aumentada. Outro ponto de interesse é tentativa de se evitar a toxicidade associada à presença de átomos de chumbo. Um bom caminho para solucionar esses desafios é a busca por novos tipos de compostos de perovskitas e a simulação teórica-computacional surge como uma etapa fundamental neste caminho. No entanto, se do ponto de vista experimental as perovskitas são sintetizadas de forma mais simples, o mesmo não acontece com sua descrição teórica. Esses sistemas são muito mais complexos do que os semicondutores convencionais como Si e GaAs, por diversos motivos como: a presença de diferentes tipos de átomos, uma geometria interna muito rica e complexa ligada ao polimorfismo associado a temperatura de crescimento, a presença de moléculas nas chamadas perovskitas híbridas, a inclusão obrigatória da correção de gap de energia e efeito spin-órbita resultando em um alto custo computacional, e o uso de ligas. Nesse contexto, meu grupo (Grupo de Materiais Semicondutores e Nanotecnologia-GMSN) do ITA tem trabalhado nos últimos anos com materiais perovskitas. Apesar do sucesso inicial obtido nesta pesquisa, especialmente em relação às ligas de perovskita usando a combinação entre modelo estatístico para tratar a desordem (GQCA) e um método para correção de quasipartículas (DFT-1/2), é claramente desejável incluir em nossas capacidades modelos teóricos mais sofisticados para lidar com todas as nuances que esses materiais complexos demandam, e esse é o ponto principal que este projeto diz respeito. O objetivo principal é aprofundar o estudo teórico dos compostos perovskita. Na prática, isso será realizado com o conhecimento e a aplicação de dois métodos teóricos avançados e independentes: (i) Modelo Machine Leaning-ML para ligas e (ii) o método GW para o cálculo rigoroso de estados excitados. A execução deste projeto irá me possibilitar adquirir um conhecimento novo e avançado que, adicionalmente aos modelos que já usamos como o DFT-1/2 e o GQCA, irá melhorar a qualidade e possibilidades não só para a nossa pesquisa em perovskitas, mas também em outros tópicos que nos interessam atualmente (materiais e sistemas 2D, óxidos, etc). Dentro deste quadro geral está a justificativa da minha opção de trabalhar no grupo Computational Electronic Structure Theory -CEST da Aalto University-AU na Finlândia, liderado pelo Prof. Patrick Rinke. Especificamente, o CEST apresenta: (a) além de uma pesquisa sólida de modelos de ML aplicados a materiais em geral, o desenvolvimento específico de um modelo ML eficiente aplicado a ligas, (b) Aplicação e novas implementações do método GW, (c) uma pesquisa ativa em materiais perovskita. Concluindo, espero como principais resultados deste período na AU: (i) produzir resultados relevantes na pesquisa de perovskitas, publicando artigos em periódicos com bom impacto científico, (ii) o aprendizado e consequente domínio de modelos de ML e do método GW, e (iii) estabelecer uma colaboração produtiva e de longa data entre os grupos GMSN e CEST. Particularmente, o CEST está muito interessados em nossa experiência no desenvolvimento e aplicação do método DFT-1/2 para materiais e sistemas mais complexos. (AU)