Organske snovi spodbujajo raziskave sončnih celic | 2020

Vsebina:

Anonim

Medtem ko Zemlja prejme le majhen del tega sevanja, predstavlja neskončno zalogo potencialne energije, energije, ki smo jo šele pred kratkim začeli žeti in pretvoriti v elektriko.

Danes se večina tehnologij solarnih panelov opira na fotonapetostne celice iz kristalnega silicija. Kljub naraščajoči priljubljenosti in napredku v proizvodnji energije v zadnjih 10–15 letih so še vedno dragi za proizvodnjo, ostajajo kosovni in togi ter uporabljajo proizvodne procese, ki niso povsem okolju prijazni.

Ker naš narod gleda preko svoje odvisnosti od nafte za nove vire goriva in energije, raziskovalci po vsem svetu delajo na napredku teh tehnologij. Mednarodna ekipa, ki jo vodijo raziskovalci na Univerzi Tulane v New Orleansu, usmerja svoja prizadevanja na organske fotovoltaike (OPV) in na senzibilizirane barve ali hibridne sončne celice (DSC).

Struktura teh materialov in procesi, s katerimi se generira električni naboj, so bolj zapleteni kot v tipičnih monokristalnih sončnih celicah. Da bi bolje razumeli in nadzorovali fizikalne procese, ki so potrebni za učinkovito delovanje organskih in hibridnih celic, skupina uporablja visoko zmogljive računalniške vire na področju vodenja računalništva v podjetju Argonne (ALCF), ameriškega ministrstva za energijo (DOE). Objekt.

"V našem primeru ne potrebujemo le oblikovanja materiala, temveč moramo oblikovati funkcionalno nanostrukturo, ki je izdelana iz več kot enega materiala, njena funkcionalnost pa izhaja iz kombinacije materialov," pojasnjuje Noa Marom, docentka za fiziko. in inženirska fizika na Tulanah. "Sestavili ste materiale, da ustvarite vmesnik."

Maromova ekipa uporablja superračunalnik ALCF IBM Blue Gene / Q (BG / Q), Mira, za preučevanje lastnosti vmesnika na kvantno mehanski ravni, kjer so funkcionalnosti vmesnika določene na nanoskali.

Organske in hibridne celice so komercialno privlačne, ker so lahke, bolj prilagodljive in potencialno cenejše. Sedanja pomanjkljivost je, da so manj učinkoviti od standardnih anorganskih celic. Medtem ko so monokristalne silicijeve celice najvišje pri približno 25-odstotni učinkovitosti - merilo sončne svetlobe, ki se pretvarja v energijo - organske sončne celice trenutno okrog 11%.

Eden od razlogov je, da molekule običajno ne absorbirajo toliko sončnega spektra kot silicij, kar zmanjšuje začetni vnos energije v celici. In za razliko od silicijevih celic, se morajo elektroni meandrirati skozi neurejeno mešanico molekul ali oksidnih nanodelcev na poti do elektrode, kjer se lahko ujamejo ali izgubijo, kar še dodatno zmanjša učinkovitost.

Še en pomemben razlog je izguba energije med procesom ločevanja nabojev, v katerem se vezani elektroni spreminjajo v proste nosilce, ki lahko prevajajo električni tok. Ta ključni korak se pojavi na molekularnih sestankih ali vmesnikih, kjer v OPV donorske molekule prenašajo elektrone v molekule akceptorjev, v DSC pa molekule barv prenašajo elektrone v oksidne nanodelce.

Tako je generiranje električnega toka v OPV in DSC kritično odvisno od lastnosti teh aktivnih vmesnikov.

Za podrobno preučitev tega ne gre le za močan računalnik, temveč tudi za računalniško kodo, ki lahko v velikem obsegu simulira kvantne mehanske pojave. V tem primeru raziskovalci uporabljajo kodo, imenovano FHI-cilji, da simulira strukturo in elektronske lastnosti nanostrukturnih funkcionalnih vmesnikov.

ALCF pomočnik računski znanstvenik in kemik Alvaro Vazquez-Mayagoitia sodeluje z Maromovo ekipo, da bi izboljšal svojo učinkovitost na Mira, delno s posodobitvijo kodeksa FHI-ciljev. Z uporabo paralelizma OpenMP in izkoriščanja ELPA, vektorizirane knjižnice za namensko paralelno linearno algebre, FHI-cilji lahko učinkoviteje uporabljajo strojno opremo BG / Q. Te izboljšave so zmanjšale skupni čas izračuna za približno 30 odstotkov.

Maromova ekipa je sodelovala tudi z ALCF-jem, da bi integrirala managerja dela za BG / Q arhitekturo v kodo GAtor, genetski algoritem (GA) za napovedovanje kristalne strukture. Ta razvoj je zahteval strokovno znanje številnih skupin na ALCF, vključno s katalizatorjem, izvedbenim inženiringom in operacijskimi skupinami. Sedaj lahko GAtor uporablja več kot 16.384 vozlišč hkrati in pospešuje odkrivanje novih materialov na Miri.

Rezultati se že začenjajo nameščati.

Nedavna primerjalna študija je ocenila natančnost različnih metod elektronske strukture (aproksimacije za uporabo kvantne mehanike v kompleksnih sistemih) za skupino 24 akceptorskih molekul iz kemičnih družin, ki se običajno uporabljajo v organski elektroniki. Iz ugotovitev so ustvarili referenčni niz kvantne kemije, ki je pomagal opisati ključne parametre za delovanje teh sončnih celic in jih zanesljivo napovedati.

Drugi del projekta je bil osredotočen na nanostrukturne vmesnike med molekulami barv, ki absorbirajo sončno svetlobo, in gruče titanovega dioksida, ki pomagajo elektrone na poti do elektrod. Raziskovalci so ugotovili, da lahko z nanostrukturiranjem oksida manipulirajo z energetsko razliko med oksidom in molekulo.

"Ideja je, da želite imeti energijsko razliko, ki je resnično optimalna," pojasnjuje Marom. "Mora biti dovolj velika, da deluje kot gonilna sila za ločevanje nabojev, vendar ne sme vzeti velikega ugriza iz vaše maksimalne napetosti. Zato je lahko inženiring vmesnikov pot do učinkovitejših sončnih celic, občutljivih na barvilo."

Rezultati teh študij bodo pripomogli k boljšemu razumevanju kvantne mehanike, ki na teh vmesnikih poganja ločevanje nabojev, kar izboljšuje trajnost in učinkovitost.

Ampak za Marom in njeno ekipo, izid ni zgolj v razvoju organskih in hibridnih sončnih celic. Gre tudi za računske procese, ki pomagajo pri tem razvoju.

"Mi smo teoretiki," pravi, "tako da je gonilna sila za celotno področje računalniške materialne znanosti, na splošno, sanje znanstvene fantastike, da bomo nekega dne lahko od računalnika zahtevali gradivo s ciljnim gradivom. Računalnik bo o tem pomislil, poslal navodila atomski sestavni enoti in nam nato poslal material. "

Res je, da bo to proces, ki bo trajal nekaj časa. Medtem ko je potreba po boljših mehanizmih obnovljive energije neizbežna, sredstva, ki jih spodbujajo, ostajajo stabilna. Ocene kažejo, da nam bo sonce še naprej pritegnilo sevalno energijo večji del naslednjih pet milijard let.

Zdi se, da imajo Marom in raziskovalci, kot je ona, malo časa, da to popravijo.

Računalniški čas na ALCF je bil dodeljen prek programa ASCR Leadership Computing Challenge (ALCC).