并行超算云小讲堂|第一性原理计算在新能源领域的应用

目前在全世界范围内能源可持续发展和环境保护的要求下,环境污染和化石能源匮乏的问题日益显著。为了保持人类的可持续发展,寻求开发新能源和可再生资源迫在眉睫。 在探索新能源材料的过程中,基于密度泛函理论的第一性原理计算等方法扮演着越来越重要的角色。该方法已经被广泛应用在新能源领域,比如光伏、光催化、锂离子电池、热电等前沿研究领域,为新能源材料的制备和新材料的开发提供了有效的理论指导。本文以光伏材料为例来简单说明第一性原理计算在新能源领域的重要应用。

第一性原理,或称从头算,指从基本的物理学定律出发,不外加假设与经验拟合的推导与计算。例如利用薛定谔方程在一些近似方法下解电子结构,但不从实验数据得到拟合参数的从头计算法。与之对应的方法是材料学中常用的各种经验公式。相比于经验公式存在着可靠性和普适的问题,只要给出材料的晶体结构,应用第一性原理理论上就能精确地算出材料的各种基本性质。随着计算机技术的飞速发展和人们对电子交换关联模型的进一步研究认识,基于密度泛函理论发展起来的第一性原理计算方法已经在材料的设计和模拟等方面取得了很多突破性的成就,是从理论上精确研究晶体结构和其物理性质的一种重要且有效的方法,更是计算材料科学方向的重要技术核心[1-2]。

第一性原理计算方法目前被全世界科研工作者广泛应用在材料、物理、化学、生命科学等科研前言研究领域。通过输入的晶体结构信息,第一性原理计算可以确定已知材料的基态结构和基本物理化学性质,并实现原子级别的精准控制,是二十一世纪解决实验理论问题和预测新材料结构性能的强有力工具。该研究方法不需要开展真实的实验,极大地节省了实验成本,缩短了新材料的开发周期。因此为材料的制备和改性,新材料的开发,以及极端环境下材料的性质研究提供了有效的理论指导。表1列举了目前第一性原理计算软件可以计算的常用物理化学性质。

表1 第一性原理计算软件常用功能

目前基于第一性原理计算开发的程序包有很多,包括免费开源和商业收费版本。根据对势函数及内层电子的处理方法不同主要分为两大类,一种是波函数中包含了高能态和内层电子,而势函数只是原子核的贡献,这称为全电子(all electron calculation)法;另一种处理方法是势函数为原子核和内层电子联合产生的势,称为离子赝势,波函数只是高能态电子的函数,这称为赝势(pseudo-potential)法。总之,在目前众多的第一性原理计算方法中,全电势线性缀加平面波法(FLAPW)是一种计算精确度高、性能可靠的运算方法,它的可靠性已经被理论领域的科研工作者所认同,该方法特别适合于具有周期性晶体材料的研究。表2列举了目前科学研究中比较常用的开源和商业版本的第一性原理计算软件。

表2 第一性原理计算常用开源软件

利用计算机模拟材料的各种理化性质,从而深入理解材料从微观到宏观多个尺度的各种现象与特征,为高技术新材料研制提供理论基础和优选方案,对于多数的模拟计算,本地PC机或小集群进行常会受到计算规模、机器性能、集群管理等限制。于是,模拟计算领域的科研者对超算的需求越来越大,并行科技基于中国高性能计算环境与云计算技术,结合自身在高性能计算领域多年的研发与经验打造出能够提供各大超算与数据中心的计算资源、优化网络、应用与工具、软件与服务的一站式服务平台,为科研科技工作者提供高效便捷式计算服务,使科研工作者可以把精力集中于专业领域,使得计算省心、省力、省时、省钱。

图1为并行科技的相关软件,其中,图1(a)是并行®云服务软件,可以免VPN登录各大超算、快速下载上传文件、集成方式提交作业(不需要学习Linux命令和超算系统相关知识));图1(b)是ParaAlarm手机APP软件,可以随时随地通过手机监控作业运行状态;图1(c)是Paramon软件界面,可以监控作业运行性能。

新能源领域的案例

光伏材料是指将太阳能直接转换成电能的材料,光伏材料又称太阳能电池材料,只有半导体材料才具有这种功能。常见的太阳能电池材料有单晶硅、多晶硅、非晶硅、GaAs、CdTe等。目前研究最热门的是有机无机杂化钙钛矿太阳能电池材料(PSCs),它是一种具有巨大应用前景的新一代光伏材料。以有机无机杂化钙钛矿半导体材料作为吸光层材料的电池称为钙钛矿太阳能电池,钙钛矿太阳能电池作为一种新型低廉高效光伏技术在近年来备受关注。自从2009年日本科学家Miyasaka首次报道钙钛矿太阳能电池以来,在短短的几年内,钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从3.8%上升到23.7% (见图2)。

图2 经过权威认证的各种太阳能电池效率演化图

虽然目前钙钛矿太阳能电池光电转换效率已经可以和单晶硅太阳能电池匹敌了,但是它的核心吸光层材料结构中含有有毒的铅(Pb)元素,会对环境造成极大地污染,而且遇到外部因素(空气中的水、氧气等)的干扰很容易分解,这些悬而未决的问题严重限制了它的实际商业化应用。通过第一性原理计算来筛选高效稳定无毒的新型光伏材料显得尤为重要。比如图3和4,我们可以通过理论计算一些性能指示器来与实验中光伏材料的关键性能指标关联起来,进而达到通过理论计算直接来衡量一个材料是否是理想的光伏材料,大大缩短了新材料的开发周期,节省了实验成本。

图3 光伏材料实验性能关键指标和理论性能描述器相互依赖关系

2018年Ju等人首先通过理论计算预测了无铅稳定的Cs2TiX6系列新材料具有很好的光伏性能,下一步他们通过与实验组合作,首次成功实验合成了Cs2TiX6系列材料,并且制备了基于Cs2TiBr6的光伏器件,该器件展示了~3%左右的光电转换效率,为无铅稳定的光伏材料的研究指明了新的方向[7]。

图4 通过理论预测并实验合成制备Cs2TiBr6光伏材料实例分析

本文简单介绍了第一性原理及其计算内容、使用的主要软件、计算需要的平台,并介绍了第一性原理在新能源领域的应用和前景。计算机作为一种现代工具,在材料和新能源领域日益发挥着巨大作用,科技的不断进步使得计算对超算的需求也越来越多,利用超算进行模拟预测大幅度缩短从研究到应用的周期,对经济发展国防建设做出了重要贡献。

作者:唐刚、陈晶晶

参考文献
1.Baltache H, Khenata R,Sahnoun M, et al. Full potential calculation of structural, electronic andelastic properties of alkaline earth oxides MgO, CaO and SrO[J]. Physica B:Condensed Matter, 2004, 344(1): 334-342.
2.熊家炬. 介观尺度计算材料学研究进展[J]. 材料设计, 2000, 21: 10-19
3.https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%AC%AC%E4%B8%80%E5%8E%9F%E7%90%86
4.https://www.vasp.at/index.php/about-vasp/59-about-vasp
5.https://www.nrel.gov/pv/assets/pdfs/pv-efficiency-chart.20190103.pdf
6.Chen et al., Cesium Titanium (IV) Bromide Thin Films Based StableLead-free Perovskite Solar Cells,  Joule (2018), https://doi.org/10.1016/j.joule.2018.01.009.
7.Ju et al., Earth-Abundant Nontoxic Titanium(IV)-based Vacancy-OrderedDouble Perovskite Halides with Tunable 1.0 to 1.8 eV Bandgaps for PhotovoltaicApplications, ACS Energy Lett. 2018, 3, 297−304.