Con las supercomputadoras, los científicos encuentran nuevos materiales prometedores para las células solares.
Encontrar los mejores químicos para la recolección de luz para usar en las células solares puede ser como buscar una aguja en un pajar. A lo largo de los años, los investigadores han desarrollado y probado miles de tintes y pigmentos diferentes para ver cómo absorben la luz solar y la convierten enelectricidad. La clasificación a través de todos ellos requiere un enfoque innovador.
Ahora, gracias a un estudio que combina el poder de la supercomputación con la ciencia de datos y los métodos experimentales, los investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. DOE y la Universidad de Cambridge en Inglaterra han desarrollado un novedoso "diseño para dispositivo"enfoque para identificar materiales prometedores para células solares sensibilizadas con colorantes DSSC. Los DSSC pueden fabricarse con técnicas escalables y de bajo costo, lo que les permite alcanzar relaciones competitivas de rendimiento a precio.
El equipo, dirigido por la científica de materiales Argonne Jacqueline Cole, quien también es jefe del grupo de Ingeniería Molecular en el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge, usó la supercomputadora Theta en el Centro de Computación de Liderazgo de Argonne ALCF para identificar cinco de alto rendimiento,materiales de tinte de bajo costo de un grupo de casi 10,000 candidatos para fabricación y pruebas de dispositivos. El ALCF es una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE.
"Este estudio es particularmente emocionante porque pudimos demostrar el ciclo completo de descubrimiento de materiales basados en datos, desde el uso de métodos informáticos avanzados para identificar materiales con propiedades óptimas hasta la síntesis de esos materiales en un laboratorio y probarlos en dispositivos fotovoltaicos reales", Dijo Cole.
A través de un proyecto del Programa de Ciencia de Datos ALCF, Cole trabajó con científicos computacionales de Argonne para crear un flujo de trabajo automatizado que empleó una combinación de técnicas de simulación, minería de datos y aprendizaje automático para permitir el análisis de miles de compuestos químicos al mismo tiempo. El proceso comenzó con unesfuerzo por clasificar cientos de miles de revistas científicas para recopilar datos químicos y de absorción para una amplia variedad de colorantes orgánicos.
"La ventaja de este proceso es que elimina la antigua conservación manual de las bases de datos, que implica muchos años de trabajo, y la reduce a unos pocos meses y, en última instancia, unos pocos días", dijo Cole.
El trabajo computacional implicó el uso de técnicas de detección cada vez más finas para generar pares de tintes potenciales que podrían funcionar en combinación para absorber la luz a través del espectro solar. "Es casi imposible encontrar un tinte que realmente funcione bien para todas las longitudes de onda,"Dijo Cole." Esto es particularmente cierto con las moléculas orgánicas porque tienen bandas de absorción óptica más estrechas; y, sin embargo, realmente queríamos concentrarnos solo en moléculas orgánicas, porque son significativamente más amigables con el medio ambiente ".
Para reducir el lote inicial de 10,000 posibles candidatos de tinte a solo algunas de las posibilidades más prometedoras involucradas nuevamente usando recursos informáticos ALCF para llevar a cabo un enfoque de varios pasos. Primero, Cole y sus colegas usaron herramientas de minería de datos para eliminar cualquier molécula organometálica, que generalmente absorben menos luz que los tintes orgánicos a una longitud de onda dada, y moléculas orgánicas que son demasiado pequeñas para absorber la luz visible.
Incluso después de este primer pase, los investigadores aún tenían que considerar aproximadamente 3.000 candidatos de colorantes. Para refinar aún más la selección, los científicos examinaron los colorantes que contenían componentes de ácido carboxílico que podrían usarse como "colas" o anclajes químicos para unirlos tintes a los soportes de dióxido de titanio. Luego, los investigadores utilizaron Theta para realizar cálculos de estructura electrónica en los candidatos restantes para determinar el momento dipolar molecular, o el grado de polaridad, de cada tinte individual.
"Realmente queremos que estas moléculas sean lo suficientemente polares para que su carga electrónica sea alta a través de la molécula", dijo Cole. "Esto permite que el electrón excitado por la luz atraviese la longitud del tinte, atraviese el pegamento químico yen el semiconductor de dióxido de titanio para iniciar el circuito eléctrico "
Después de haber reducido así la búsqueda a aproximadamente 300 tintes, los investigadores utilizaron su configuración computacional para examinar sus espectros de absorción óptica para generar un lote de aproximadamente 30 tintes que serían candidatos para la verificación experimental. Antes de sintetizar los tintes, sin embargo, Cole ysus colegas realizaron cálculos de teoría de densidad funcional DFT computacionalmente intensivos en Theta para evaluar cómo era probable que cada uno de ellos se desempeñara en un entorno experimental.
La etapa final del estudio implicó validar experimentalmente una colección de los cinco candidatos de tinte más prometedores de estas predicciones, lo que requirió una colaboración mundial. Como cada uno de los diferentes colorantes se había sintetizado inicialmente en diferentes laboratorios de todo el mundo para algún otro propósito, Cole contactó a los desarrolladores de tinte originales, cada uno de los cuales envió un nuevo tinte de muestra para que su equipo lo investigara.
"Fue realmente un tremendo trabajo en equipo lograr que tanta gente de todo el mundo contribuyera a esta investigación", dijo Cole.
Al observar los tintes experimentalmente en el Centro de materiales nanoescalares de Argonne, otra instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE, y en la Universidad de Cambridge y el Laboratorio Rutherford Appleton, Cole y sus colegas descubrieron que algunos de ellos, una vez integrados en un dispositivo fotovoltaico, lograron eficiencias de conversión de potencia aproximadamente iguales a las del colorante organometálico estándar industrial.
"Este fue un resultado particularmente alentador porque habíamos hecho nuestras vidas más difíciles al restringirnos a las moléculas orgánicas por razones ambientales, y sin embargo, encontramos que estos colorantes orgánicos se desempeñaron tan bien como algunos de los organometálicos más conocidos", dijo Cole.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Argonne . Original escrito por Jared Sagoff. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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