現在，由于它結合了數據的科學(xué)實(shí)驗方法超級計算能力的研究中，研究人員在能源公司(美國能源部DOE)阿貢國家實(shí)驗室和英國劍橋大學(xué)的大學(xué)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種新的“設計到設備”的方法為染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSCs)確定有前途的材料。DSSC可以采用低成本，可擴展的技術(shù)制造，從而實(shí)現具有競爭力的性?xún)r(jià)比。
由Argonne材料科學(xué)家Jacqueline Cole領(lǐng)導的團隊，他也是劍橋大學(xué)卡文迪什實(shí)驗室分子工程小組的負責人，使用Argonne領(lǐng)導計算機構(ALCF)的Theta超級計算機來(lái)確定五個(gè)高性能，低從近池花色素系材料10，000的候選制造和設備測試。該ALCF是美國能源部科學(xué)辦公室的用戶(hù)工具。
這項研究特別令人興奮，因為我們能夠展示數據驅動(dòng)材料發(fā)現的完整周期 - 從使用先進(jìn)的計算方法識別具有最佳性能的材料到在實(shí)驗室中合成這些材料并在實(shí)際光伏器件中進(jìn)行測試，”Cole說(shuō)過(guò)。
通過(guò)ALCF數據科學(xué)計劃項目，Cole與Argonne計算科學(xué)家合作創(chuàng )建了一個(gè)自動(dòng)化工作流程，該工作流程結合了模擬，數據挖掘和機器學(xué)習技術(shù)，可同時(shí)分析數千種化合物。該過(guò)程始于努力對數十萬(wàn)種科學(xué)期刊進(jìn)行分類(lèi)，以收集各種有機染料候選物的化學(xué)和吸收數據。
“這個(gè)過(guò)程的優(yōu)勢在于它消除了舊的手工數據庫管理，這需要多年的工作量，并將其減少到幾個(gè)月，最終幾天，”科爾說(shuō)。
計算工作涉及使用更精細和更精細的篩選技術(shù)來(lái)生成成對的潛在染料，這些染料可以彼此組合以吸收太陽(yáng)光譜上的光。“這幾乎是不可能找到一種染料，真正行之有效的所有波長(cháng)，”科爾說(shuō)。“這是特別真實(shí)與有機分子，因為它們具有更窄的光吸收帶; 然而，我們真的只想專(zhuān)注于有機分子，因為它們更加環(huán)保。“
為了縮小首批的10，000電位染料考生到短短的再次參與最有前途的可能性使用ALCF計算資源，開(kāi)展多步法。首先，Cole和她的同事使用數據挖掘工具來(lái)消除任何有機金屬分子，這些分子通常比給定波長(cháng)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(jiàn)光。
即使在第一次掃描，研究人員仍然有大約3，000染料考生考慮。要進(jìn)一步細化該選擇，科學(xué)家篩選含有可用于化學(xué)羧酸成分染料“膠水”，或錨定件，以連接到染料的二氧化鈦載體。然后，研究人員使用Theta對剩余的候選物進(jìn)行電子結構計算，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(gè)分子中都很高，”科爾說(shuō)。“這允許光激發(fā)電子穿過(guò)染料的長(cháng)度，經(jīng)過(guò)化學(xué)膠水，并進(jìn)入二氧化鈦半導體啟動(dòng)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設置來(lái)檢查他們的光學(xué)吸收光譜，以生成一批大約30種染料，這些染料可以作為實(shí)驗驗證的候選者。然而，在實(shí)際合成染料之前，Cole和她的同事們在Theta上進(jìn)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(shí)驗環(huán)境中的表現。
該研究的最后階段涉及通過(guò)實(shí)驗驗證這些預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(shí)驗室中合成用于其他目的，因此Cole聯(lián)系了原始的染料開(kāi)發(fā)商，每個(gè)染料開(kāi)發(fā)人員都派遣了一種新的樣品染料供她的團隊調查。
“讓來(lái)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(shuō)。
在A(yíng)rgonne的納米材料中心，另一個(gè)DOE科學(xué)辦公室用戶(hù)設施，以及劍橋大學(xué)和Rutherford Appleton實(shí)驗室的實(shí)驗中，Cole及其同事發(fā)現其中一些染料一旦嵌入光伏器件中，實(shí)現的功率轉換效率大致等于工業(yè)標準有機金屬染料的功率轉換效率。
“這是一個(gè)特別令人鼓舞的結果，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)現這些有機染料的表現與一些最著(zhù)名的有機金屬一樣，”科爾說(shuō)。