De avslöjar strukturen i framtidens solcellsmaterial

Elektricitetsanvändningen ökar ständigt globalt och dess del av världens totala energikonsumtion väntas kunna uppgå till över 50 procent om tjugofem år, jämfört med dagens 20 procent, enligt the International Energy Agency.

– För att möta efterfrågan är behovet av nya, miljövänliga och effektiva energiomvandlingsmetoder, såsom mer effektiva solceller, stort och växande.  Våra rön är mycket viktiga för att kunna kontrollera och konstruera ett av de mest lovande solcellsmaterialen så att det kan användas optimalt. Det är väldigt spännande att vi nu har simuleringsmetoder som kan svara på frågor som för bara några år sedan var olösta, säger Julia Wiktor, studiens forskningsledare och docent vid Chalmers.

Lovande material för effektiva solceller

Det forskarna har studerat är halidperovskiter, en grupp material som har bra egenskaper för att i framtiden kunna skapa kostnadseffektiva, flexibla och lätta solceller och optoelektroniska komponenter som LED-ljus. Anledningen är deras förmåga att både absorbera och avge ljus med mycket högre effektivitet än dagens kiselbaserade solceller. Men perovskitmaterialen tenderar att försämras snabbt. För att kunna använda materialen på bästa sätt behövs därför mer kunskap.

Forskare har länge brottats med att förstå särskilt ett av materialen inom gruppen: en förening kallad ”formamidinium blyjodid” med enastående optoelektroniska egenskaper. Ökad användning har hindrats av dess instabilitet, något som går att komma runt genom att blanda två olika typer av perovskitmaterial. Men mer kunskap behövs om de två materialtyperna för att forskarna ska kunna kontrollera blandningen på bästa sätt. 

Nyckeln till hur materialet ska utformas och kontrolleras

En forskargrupp vid Chalmers tekniska högskola ger i en ny studie en detaljerad redogörelse för en viktig fas av materialet som man tidigare misslyckats med att förklara genom enbart experiment. Kunskap om fasen är nyckeln till att utforma och kontrollera både materialet och blandningar baserade på det. Studien har publicerats i The Journal of the American Chemical Society.

– Materialets lågtemperaturfas har länge varit en saknad pusselbit inom forskningsområdet, och vi har nu kunnat lösa en grundläggande frågeställning om fasens struktur, säger Chalmersforskaren Sangita Dutta.

Maskininlärning har bidragit till genombrottet

Forskargruppens expertis ligger inom att bygga upp exakta modeller av materialen i datorsimuleringar. På så sätt kan de testa materialen genom att utsätta dem för olika scenarier, som sedan fastställs genom experiment. Det är dock svårt att skapa modeller av perovskitmaterial, eftersom tunga superdatorer och långa simuleringstider krävs för att fånga och avkoda deras egenskaper.

– Genom att kombinera våra standardmetoder med maskininlärning, har vi nu haft möjlighet att köra simuleringar som är tusentals gånger längre än tidigare. Våra modeller kan nu även innehålla miljoner av atomer i stället för hundratal, vilket gör dem mer liknande verkligheten, säger Sangita Dutta.

Labbobservationer matchar simuleringarna

I studien har forskarna kartlagt materialets struktur vid låga temperaturer. Simuleringarna visade att formamidiniummolekylerna fastnar i ett halvstabilt tillstånd medan materialet kyls ned. För att fastställa att simuleringarna speglar verkligheten har Chalmersforskarna samarbetat med experimentella forskare vid Birminghams universitet. De kylde ned materialet till minus 200 grader Celsius och kunde bekräfta att experimenten överensstämmer med simuleringarna.

– Vi hoppas att de insikter vi fått från simuleringarna kan bidra till bättre modelleringar och analyser av de komplexa halidperovskitmaterialen framöver, säger Erik Fransson.

Mer om forskningen:

Artikeln Revealing the Low Temperature Phase of FAPbI3 using A Machine-Learned Potential publicerades i Journal of the American Chemical Society den 14 augusti 2025, och är skriven av Sangita Dutta, Erik Fransson, Tobias Hainer, Benjamin M. Gallant, Dominik J. Kubicki, Paul Erhart och Julia Wiktor. Forskarna är aktiva vid institutionen för fysik på Chalmers tekniska högskola, förutom Gallant och Kubicki som är aktiva vid School of Chemistry, Birminghams universitet.

Forskningen har finansierats av Stiftelsen för strategisk forskning, Energimyndigheten, Vetenskapsrådet, Europeiska forskningsrådet, Knut och Alice Wallenbergs stiftelse samt styrkeområde Nano vid Chalmers tekniska högskola. Beräkningarna möjliggjordes genom National Academic Infrastructure for Supercomputing in Sweden (NAISS) vid C3SE.