Het vinden van de beste chemicaliën voor het oogsten van licht voor gebruik in zonnecellen kan aanvoelen als zoeken naar een speld in een hooiberg. Door de jaren heen, onderzoekers hebben duizenden verschillende kleurstoffen en pigmenten ontwikkeld en getest om te zien hoe ze zonlicht absorberen en omzetten in elektriciteit. Om ze allemaal te doorzoeken, is een innovatieve aanpak nodig.

Nutsvoorzieningen, dankzij een onderzoek dat de kracht van supercomputing combineert met datawetenschap en experimentele methoden, onderzoekers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en de Universiteit van Cambridge in Engeland hebben een nieuwe 'design to device'-benadering ontwikkeld om veelbelovende materialen voor kleurstofgevoelige zonnecellen (DSSC's) te identificeren. DSSC's kunnen tegen lage kosten worden vervaardigd, schaalbare technieken, waardoor ze concurrerende prijs-prestatieverhoudingen kunnen bereiken.

Het team, onder leiding van Argonne materiaalwetenschapper Jacqueline Cole, die ook hoofd is van de Molecular Engineering-groep aan het Cavendish Laboratory van de Universiteit van Cambridge, gebruikte de Theta-supercomputer van de Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) om vijf goed presterende, goedkope kleurstoffen uit een pool van bijna 10, 000 kandidaten voor fabricage en apparaattesten. De ALCF is een DOE Office of Science User Facility.

"Deze studie is bijzonder opwindend omdat we de volledige cyclus van gegevensgestuurde materiaalontdekking konden demonstreren - van het gebruik van geavanceerde computermethoden om materialen met optimale eigenschappen te identificeren tot het synthetiseren van die materialen in een laboratorium en het testen ervan in echte fotovoltaïsche apparaten, ' zei Cole.

Via een ALCF Data Science Program-project, Cole werkte samen met computerwetenschappers van Argonne om een ​​geautomatiseerde workflow te creëren die gebruikmaakte van een combinatie van simulatie, datamining en machine learning-technieken om de analyse van duizenden chemische verbindingen tegelijk mogelijk te maken. Het proces begon met een poging om honderdduizenden wetenschappelijke tijdschriften te doorzoeken om chemische en absorptiegegevens te verzamelen voor een breed scala aan organische kleurstofkandidaten.

"Het voordeel van dit proces is dat het de oude handmatige beheer van databases wegneemt, die vele jaren werk met zich meebrengt, en reduceert het tot een kwestie van een paar maanden en, uiteindelijk, een paar dagen, ' zei Cole.

Het computationele werk omvatte het gebruik van fijnere en fijnere screeningtechnieken om paren van potentiële kleurstoffen te genereren die in combinatie met elkaar zouden kunnen werken om licht over het zonnespectrum te absorberen. "Het is bijna onmogelijk om één kleurstof te vinden die echt goed werkt voor alle golflengten, " Cole zei. "Dit geldt met name voor organische moleculen omdat ze smallere optische absorptiebanden hebben; en toch, we wilden ons alleen concentreren op organische moleculen, omdat ze aanzienlijk milieuvriendelijker zijn."

Om de eerste batch van 10 te verkleinen, 000 potentiële kleurstofkandidaten tot slechts enkele van de meest veelbelovende mogelijkheden die opnieuw betrokken zijn bij het gebruik van ALCF-computerbronnen om een ​​meerstapsbenadering uit te voeren. Eerst, Cole en haar collega's gebruikten dataminingtools om organometaalmoleculen te elimineren, die over het algemeen minder licht absorberen dan organische kleurstoffen bij een bepaalde golflengte, en organische moleculen die te klein zijn om zichtbaar licht te absorberen.

Zelfs na deze eerste doorgang, de onderzoekers hadden er nog ongeveer 3, 000 kleurstofkandidaten om te overwegen. Om de selectie verder te verfijnen, de wetenschappers gescreend op kleurstoffen die carbonzuurcomponenten bevatten die als chemische "lijmen, " of ankers, om de kleurstoffen aan titaniumdioxidedragers te hechten. Vervolgens, de onderzoekers gebruikten Theta om elektronische structuurberekeningen uit te voeren op de resterende kandidaten om het moleculaire dipoolmoment - of de polariteitsgraad - van elke individuele kleurstof te bepalen.

"We willen echt dat deze moleculen voldoende polair zijn, zodat hun elektronische lading hoog is over het molecuul, " zei Cole. "Hierdoor kan het door licht opgewekte elektron de lengte van de kleurstof doorkruisen, ga door de chemische lijm, en in de titaniumdioxide-halfgeleider om het elektrische circuit te starten."

Na aldus de zoektocht te hebben beperkt tot ongeveer 300 kleurstoffen, de onderzoekers gebruikten hun computeropstelling om hun optische absorptiespectra te onderzoeken om een ​​batch van ongeveer 30 kleurstoffen te genereren die kandidaten zouden zijn voor experimentele verificatie. Voordat de kleurstoffen daadwerkelijk worden gesynthetiseerd, echter, Cole en haar collega's voerden computationeel intensieve dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) -berekeningen uit op Theta om te beoordelen hoe elk van hen waarschijnlijk zou presteren in een experimentele setting.

De laatste fase van de studie omvatte het experimenteel valideren van een verzameling van de vijf meest veelbelovende kleurstofkandidaten uit deze voorspellingen, waarvoor een wereldwijde samenwerking nodig was. Omdat elk van de verschillende kleurstoffen aanvankelijk voor een ander doel in verschillende laboratoria over de hele wereld was gesynthetiseerd, Cole nam contact op met de oorspronkelijke kleurstofontwikkelaars, elk van hen stuurde een nieuwe monsterkleurstof terug voor haar team om te onderzoeken.

"Het was echt geweldig teamwork om zoveel mensen van over de hele wereld bij te dragen aan dit onderzoek. ' zei Cole.

Bij het experimenteel kijken naar de kleurstoffen in Argonne's Center for Nanoscale Materials, een andere DOEOffice of Science gebruikersfaciliteit, en aan de Universiteit van Cambridge en het Rutherford Appleton Laboratory, Cole en haar collega's ontdekten dat sommigen van hen, eenmaal ingebed in een fotovoltaïsch apparaat, bereikte vermogensconversie-efficiënties die ongeveer gelijk waren aan die van de industriële standaard organometaalkleurstof.

"Dit was een bijzonder bemoedigend resultaat omdat we ons leven moeilijker hadden gemaakt door ons om milieuredenen te beperken tot organische moleculen, en toch ontdekten we dat deze organische kleurstoffen even goed presteerden als enkele van de bekendste organometalen, ' zei Cole.

Een paper gebaseerd op de studie, "Ontwerp-naar-apparaat-benadering biedt panchromatische co-gesensibiliseerde zonnecellen, " verscheen als het omslagartikel in het nummer van 1 februari van Geavanceerde energiematerialen .