Att hitta de bästa ljusinsamlingskemikalierna för användning i solceller kan kännas som att leta efter en nål i en höstack. Över åren, forskare har utvecklat och testat tusentals olika färgämnen och pigment för att se hur de absorberar solljus och omvandlar det till elektricitet. Att sortera igenom dem alla kräver ett innovativt tillvägagångssätt.

Nu, tack vare en studie som kombinerar kraften i superdatorer med datavetenskap och experimentella metoder, forskare vid U.S. Department of Energys (DOE) Argonne National Laboratory och University of Cambridge i England har utvecklat en ny "design to device"-metod för att identifiera lovande material för färgsensibiliserade solceller (DSSC). DSSC:er kan tillverkas till låg kostnad, skalbara tekniker, så att de kan nå konkurrenskraftiga prestanda-till-pris-förhållanden.

Laget, ledd av Argonne materialforskare Jacqueline Cole, som också är chef för gruppen Molecular Engineering vid University of Cambridges Cavendish Laboratory, använde superdatorn Theta vid Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) för att hitta fem högpresterande, billiga färgämnen från en pool på nästan 10, 000 kandidater för tillverkning och enhetstestning. ALCF är en DOE Office of Science-användaranläggning.

"Den här studien är särskilt spännande eftersom vi kunde demonstrera hela cykeln av datadriven materialupptäckt - från att använda avancerade beräkningsmetoder för att identifiera material med optimala egenskaper till att syntetisera dessa material i ett laboratorium och testa dem i faktiska fotovoltaiska enheter, " sa Cole.

Genom ett ALCF Data Science Program-projekt, Cole arbetade med Argonne beräkningsforskare för att skapa ett automatiserat arbetsflöde som använde en kombination av simulering, datautvinning och maskininlärningstekniker för att möjliggöra analys av tusentals kemiska föreningar samtidigt. Processen började med ett försök att sortera igenom hundratusentals vetenskapliga tidskrifter för att samla in kemiska och absorptionsdata för en mängd olika organiska färgkandidater.

"Fördelen med den här processen är att den tar bort den gamla manuella kureringen av databaser, som innebär många års arbete, och minskar det till några månader och, i sista hand, några dagar, " sa Cole.

Beräkningsarbetet involverade att använda finare och finare screeningtekniker för att generera par av potentiella färgämnen som kunde fungera i kombination med varandra för att absorbera ljus över solspektrumet. "Det är nästan omöjligt att hitta ett färgämne som verkligen fungerar bra för alla våglängder, " Cole sa. "Detta är särskilt sant med organiska molekyler eftersom de har smalare optiska absorptionsband; och ändå, vi ville verkligen koncentrera oss på organiska molekyler, eftersom de är betydligt mer miljövänliga."

För att begränsa den initiala gruppen på 10, 000 potentiella färgämneskandidater ner till bara några av de mest lovande möjligheterna som är involverade igen genom att använda ALCF beräkningsresurser för att genomföra en flerstegsmetod. Först, Cole och hennes kollegor använde datautvinningsverktyg för att eliminera alla organometalliska molekyler, som i allmänhet absorberar mindre ljus än organiska färgämnen vid en given våglängd, och organiska molekyler som är för små för att absorbera synligt ljus.

Även efter detta första pass, forskarna hade fortfarande cirka 3, 000 färgkandidater att överväga. För att ytterligare förfina urvalet, forskarna undersökte efter färgämnen som innehöll karboxylsyrakomponenter som kunde användas som kemiska "lim, " eller ankare, för att fästa färgämnena på titandioxidstöd. Sedan, forskarna använde Theta för att utföra elektroniska strukturberäkningar på de återstående kandidaterna för att bestämma det molekylära dipolmomentet – eller graden av polaritet – för varje enskilt färgämne.

"Vi vill verkligen att dessa molekyler ska vara tillräckligt polära så att deras elektroniska laddning är hög över molekylen, " sa Cole. "Detta tillåter den ljusexciterade elektronen att korsa färgämnets längd, gå igenom det kemiska limmet, och in i titandioxidhalvledaren för att starta den elektriska kretsen."

Efter att ha begränsat sökningen till cirka 300 färgämnen, forskarna använde sin beräkningsuppsättning för att undersöka deras optiska absorptionsspektra för att generera en sats med ungefär 30 färgämnen som skulle vara kandidater för experimentell verifiering. Innan man faktiskt syntetiserar färgämnena, dock, Cole och hennes kollegor utförde beräkningsintensiva densitetsfunktionsteori (DFT) beräkningar på Theta för att bedöma hur var och en av dem sannolikt skulle prestera i en experimentell miljö.

Det sista steget av studien innebar att experimentellt validera en samling av de fem mest lovande färgkandidaterna från dessa förutsägelser, vilket krävde ett världsomspännande samarbete. Eftersom vart och ett av de olika färgämnena från början hade syntetiserats i olika laboratorier över hela världen för något annat ändamål, Cole nådde ut till de ursprungliga färgämnesutvecklarna, som var och en skickade tillbaka ett nytt provfärgämne för hennes team att undersöka.

"Det var verkligen ett enormt lagarbete att få så många människor från hela världen att bidra till denna forskning, " sa Cole.

När man tittade på färgämnena experimentellt vid Argonne's Center for Nanoscale Materials, en annan DOEOffice of Science-användaranläggning, och vid University of Cambridge och Rutherford Appleton Laboratory, Cole och hennes kollegor upptäckte att några av dem, en gång inbäddad i en solcellsenhet, uppnådde effektomvandlingseffektiviteter som är ungefär lika med den för det organometalliska färgämnet av industriell standard.

"Detta var ett särskilt uppmuntrande resultat eftersom vi hade gjort våra liv svårare genom att begränsa oss till organiska molekyler av miljöskäl, och ändå fann vi att dessa organiska färgämnen fungerade lika bra som några av de mest kända organometallerna, " sa Cole.

Ett papper baserat på studien, "Design-to-device approach ger pankromatiska samsensibiliserade solceller, " dök upp som omslagsartikel i numret 1 februari av Avancerade energimaterial .