Det globale strømforbruket øker raskt, og solenergi trenger materialer som kan tilby mer enn det tradisjonelle silisiumbaserte solcellepaneler gjør i dag. En familie av krystallinske forbindelser, såkalte halidperovskitter, har i flere år fått stor oppmerksomhet blant forskere fordi de er svært gode til å absorbere og sende ut lys. Samtidig har en viktig del av den interne strukturen vært vanskelig å forklare, noe som har bremset utviklingen.
Nå mener forskere ved Chalmers tekniska högskola i Sverige at de har fylt et sentralt kunnskapshull. Gjennom en simuleringsmetode som først nylig har blitt praktisk mulig, har de kartlagt en struktur som tidligere har vært en uløst gåte.
Halidperovskitter blir ofte trukket fram som lovende materialer for neste generasjon solceller. Mens silisiumbaserte paneler typisk er stive, relativt tunge og kostbare å produsere, kan perovskittbaserte solceller i prinsippet lages svært tynne og fleksible. Det åpner for løsninger som kan integreres i flere typer overflater, fra forbrukerelektronikk til bygningsfasader.
Blant materialene i denne familien har en forbindelse skilt seg ut: formamidinium blyjodid, ofte omtalt som FAPbI3. Det har svært gode optiske egenskaper og er derfor interessant for solceller med høy virkningsgrad. Utfordringen er stabilitet. Under realistiske forhold brytes materialet raskt ned, og mange forskere har antatt at en bedre forståelse av den interne strukturen kan bidra til å løse dette.
Et særlig problem har vært knyttet til fasen materialet går inn i ved lave temperaturer. Når den fasen ikke er godt nok forstått, blir utviklingen av stabile blandinger av perovskittmaterialer i stor grad basert på prøving og feiling.
Forskergruppen ved Chalmers kombinerte tradisjonelle beregningsmetoder fra faststoffysikk med det som kalles maskinlærte potensialer. Slike modeller trenes til å forutsi atomære vekselvirkninger mer effektivt enn mange klassiske beregningsoppsett, og kan dermed gjøre simuleringene både større og lengre.
– Ved å kombinere standardmetodene våre med maskinlæring kan vi nå kjøre simuleringer som er tusenvis av ganger lengre enn før, sier forsker Sangita Dutta.
Hun forklarer at modellene nå også kan inkludere millioner av atomer i stedet for bare hundrevis. Det er viktig fordi perovskitter kan være svært følsomme for små strukturelle detaljer som først viser seg når man studerer mange atomer over lang tid.
Med den økte beregningskapasiteten kunne forskerne kartlegge lavtemperaturstrukturen til FAPbI3 i detalj. Når materialet kjøles ned, ser ikke de formamidinium-baserte molekylene i krystallen ut til å «falle på plass» på en ryddig måte. I stedet blir de låst i en delvis stabil tilstand, en slags strukturell mellomposisjon som tidligere ikke har blitt identifisert tydelig.
Selv detaljerte simuleringer må testes mot laboratoriemålinger. Derfor samarbeidet Chalmers-forskerne med University of Birmingham, som kjølte ned fysiske prøver av FAPbI3 til minus 200 grader celsius og observerte hvordan materialet oppførte seg. Ifølge forskerne stemte laboratorieresultatene godt med simuleringene, noe som styrker troverdigheten til den nye strukturbeskrivelsen.
Studien, signert Dutta, Erik Fransson og flere kolleger, ble publisert i Journal of the American Chemical Society i august 2025. Prosjektleder Julia Wiktor, førsteamanuensis ved Chalmers, peker på at funnene adresserer et spørsmål forskningsfeltet har jobbet med i lang tid.
– Lavtemperaturfasen til dette materialet har lenge vært en manglende brikke i puslespillet, sier Dutta.
Bakgrunnen er også et økende press på energisystemene. Det internasjonale energibyrået anslår at elektrisitet kan utgjøre over 50 prosent av verdens energiforbruk innen 25 år, opp fra omtrent 20 prosent i dag. Skal etterspørselen møtes på en bærekraftig måte, trengs solcelleteknologi som er billigere, mer anvendelig og mer robust enn dagens dominerende løsninger.
Perovskitter har allerede vist laboratorieresultater som kan konkurrere med silisium når det gjelder virkningsgrad. Det som fortsatt gjenstår, er å få teknologien til å vare lenge nok i praktisk bruk. Ved å forstå hvordan FAPbI3 faktisk er bygget opp, og hva som skjer når materialet kjøles ned, får forskere et tydeligere mål å jobbe mot når de skal utvikle mer stabile perovskittblandinger.
Metoden med maskinlærte potensialer kan dessuten ha betydning langt utover dette ene materialet. Den samme tilnærmingen kan brukes på andre perovskitter og komplekse materialer der tilsvarende strukturelle spørsmål har vært vanskelige å besvare med tidligere simuleringsverktøy.
Neste steg blir å omsette innsikten i konkret ingeniørarbeid, slik at perovskittbaserte solceller kan fungere stabilt utenfor laboratoriet. Lykkes man med det, kan veien bli kortere til solceller som er tynne nok til å integreres i hverdagslige overflater, og rimelige nok til å tas i bruk i stor skala.
