憑借超級計算機，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了有希望的太陽能電池新材料。

尋找用于太陽能電池的最佳捕光化學(xué)品可能就像在大海撈針一樣。多年來，研究人員開發(fā)并測試了數(shù)千種不同的染料和顏料，以了解它們?nèi)绾挝贞柟獠⑵滢D(zhuǎn)化為電能。對所有這些進行排序需要一種創(chuàng)新的方法。

現(xiàn)在，由于一項將超級計算的力量與數(shù)據(jù)科學(xué)和實驗方法結(jié)合起來的研究，美國能源部(DOE)阿貢國家實驗室和英國劍橋大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種新穎的“設(shè)計到設(shè)備”方法。確定用于染料敏化太陽能電池(DSSCs)的有前途的材料。DSSC可以采用低成本，可擴展的技術(shù)制造，從而實現(xiàn)具有競爭力的性價比。

由Argonne材料科學(xué)家Jacqueline Cole領(lǐng)導(dǎo)的團隊，他也是劍橋大學(xué)卡文迪什實驗室分子工程小組的負責(zé)人，使用Argonne領(lǐng)導(dǎo)計算機構(gòu)(ALCF)的Theta超級計算機來確定五個高性能，低從近10,000名制造和設(shè)備測試的候選人中獲得成本的染料。ALCF是美國能源部科學(xué)用戶設(shè)施辦公室。

“這項研究特別令人興奮，因為我們能夠展示數(shù)據(jù)驅(qū)動材料發(fā)現(xiàn)的完整周期 - 從使用先進的計算方法識別具有最佳性能的材料到在實驗室中合成這些材料并在實際光伏器件中測試它們，”科爾說。

通過ALCF數(shù)據(jù)科學(xué)計劃項目，Cole與Argonne計算科學(xué)家合作創(chuàng)建了一個自動化工作流程，該工作流程結(jié)合了模擬，數(shù)據(jù)挖掘和機器學(xué)習(xí)技術(shù)，可同時分析數(shù)千種化合物。該過程始于努力對數(shù)十萬種科學(xué)期刊進行分類，以收集各種有機染料候選物的化學(xué)和吸收數(shù)據(jù)。

“這個過程的優(yōu)勢在于它消除了舊的手工數(shù)據(jù)庫管理，這需要多年的工作量，并將其減少到幾個月，最終幾天，”科爾說。

計算工作涉及使用更精細和更精細的篩選技術(shù)來生成成對的潛在染料，這些染料可以彼此組合以吸收太陽光譜上的光。“幾乎不可能找到一種真正適用于所有波長的染料，”科爾說。“有機分子尤其如此，因為它們具有更窄的光學(xué)吸收帶;然而，我們真的只想專注于有機分子，因為它們更加環(huán)保。”

為了將初始批次的10,000個潛在染料候選者縮小到僅使用ALCF計算資源來執(zhí)行多步驟方法的幾個最有希望的可能性。首先，Cole和她的同事使用數(shù)據(jù)挖掘工具來消除任何有機金屬分子，這些分子通常比給定波長的有機染料吸收更少的光，而有機分子則太小而不能吸收可見光。

即使在第一次通過后，研究人員仍然需要考慮大約3,000個染料候選者。為了進一步完善選擇，科學(xué)家篩選出含有羧酸成分的染料，這些成分可用作化學(xué)“膠水”或錨，將染料附著在二氧化鈦載體上。然后，研究人員使用Theta對剩余的候選物進行電子結(jié)構(gòu)計算，以確定每種染料的分子偶極矩(或極性程度)。

“我們真的希望這些分子具有足夠的極性，使得它們的電子電荷在整個分子中都很高，”科爾說。“這使得光激發(fā)的電子穿過染料的長度，通過化學(xué)膠，進入二氧化鈦半導(dǎo)體，啟動電路。”

在將搜索范圍縮小到大約300種染料之后，研究人員使用他們的計算機設(shè)置來檢查它們的光學(xué)吸收光譜，以生成一批大約30個染料，這些染料可以作為實驗驗證的候選對象。然而，在實際合成染料之前，Cole和她的同事們在Theta上進行了計算密集型密度泛函理論(DFT)計算，以評估每種染料在實驗環(huán)境中的表現(xiàn)。

該研究的最后階段涉及通過實驗驗證這些預(yù)測中五種最有希望的染料候選物的集合，這需要全球合作。由于每種不同的染料最初都是在世界各地的不同實驗室中合成用于其他目的，因此Cole聯(lián)系了原始的染料開發(fā)商，每個染料開發(fā)人員都派遣了一種新的樣品染料供她的團隊調(diào)查。

“讓來自世界各地的這么多人為這項研究做出貢獻真的是一團糟的團隊合作，”科爾說。

在Argonne的納米材料研究中心，另一個DOEOffice of Science用戶設(shè)施，以及劍橋大學(xué)和Rutherford Appleton實驗室的實驗中，Cole和她的同事們發(fā)現(xiàn)，其中一些曾經(jīng)嵌入光伏器件中，實現(xiàn)了功率轉(zhuǎn)換效率大致等于工業(yè)標(biāo)準有機金屬染料的功率轉(zhuǎn)換效率。

“這是一個特別令人鼓舞的結(jié)果，因為我們因為環(huán)境原因限制自己的有機分子使我們的生活更加艱難，但我們發(fā)現(xiàn)這些有機染料的表現(xiàn)與一些最著名的有機金屬一樣，”科爾說。