Organika regen die Solarzellenforschung an | 2020

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Anonim

Während die Erde nur einen kleinen Teil dieser Strahlung empfängt, stellt sie eine unendliche Menge an potentieller Energie dar. Diese Energie haben wir erst vor kurzem gewonnen und in Elektrizität umgewandelt.

Heutzutage basieren die meisten Solarmodultechnologien auf kristallinen Silizium-Photovoltaikzellen. Trotz ihrer zunehmenden Beliebtheit und der Fortschritte bei der Energieerzeugung in den letzten 10 bis 15 Jahren ist ihre Herstellung immer noch kostspielig, sie bleiben sperrig und starr und sie verwenden Herstellungsverfahren, die insgesamt nicht umweltfreundlich sind.

Da unsere Nation nicht mehr auf Öl als neue Energie- und Treibstoffquellen angewiesen ist, arbeiten Forscher auf der ganzen Welt daran, diese Technologien voranzutreiben. Ein internationales Team, das von Forschern der Tulane University in New Orleans geleitet wird, konzentriert sich auf organische Photovoltaik (OPV) und farbstoffsensibilisierte oder hybride Solarzellen (DSCs).

Die Struktur dieser Materialien und die Prozesse, durch die elektrische Ladung erzeugt wird, sind komplizierter als bei typischen Einkristallsolarzellen. Um die physikalischen Prozesse besser zu verstehen und zu steuern, die erforderlich sind, damit organische und hybride Zellen effektiv funktionieren, nutzt das Team die leistungsstarken Rechenressourcen der Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), einem Nutzer des US-Energieministeriums (DOE) Einrichtung.

"In unserem Fall müssen wir nicht nur ein Material entwerfen, sondern auch eine funktionelle Nanostruktur, die aus mehr als einem Material besteht und deren Funktionalität aus der Kombination von Materialien resultiert", erklärt Noa Marom, Assistant Professor für Physik und technische Physik in Tulane. "Sie fügen die Materialien zu einer Schnittstelle zusammen."

Maroms Team verwendet den ALCF-Supercomputer IBM Blue Gene / Q (BG / Q), Mira, um die Grenzflächeneigenschaften auf der quantenmechanischen Ebene zu untersuchen, wobei die Funktionen der Grenzfläche im Nanomaßstab bestimmt werden.

Organische und Hybridzellen sind kommerziell attraktiv, weil sie leichtgewichtig, anpassungsfähiger und möglicherweise kostengünstiger sind. Der derzeitige Nachteil besteht darin, dass sie weniger effizient sind als anorganische Standardzellen. Während einkristalline Siliziumzellen mit einem Wirkungsgrad von etwa 25 Prozent - dem Maß für die Umwandlung von Sonnenlicht in Energie - Spitzenwerte aufweisen, schwanken organische Solarzellen derzeit um 11 Prozent.

Ein Grund dafür ist, dass Moleküle normalerweise nicht so viel des Sonnenspektrums absorbieren wie Silizium, wodurch die anfängliche Energieaufnahme einer Zelle verringert wird. Und im Gegensatz zu Siliziumzellen müssen sich Elektronen auf dem Weg zur Elektrode durch ein ungeordnetes Wirrwarr von Molekülen oder Oxidnanopartikeln schlängeln, wo sie gefangen werden oder verloren gehen können, was die Effizienz weiter verringert.

Ein weiterer und vielleicht noch wichtigerer Grund ist ein Energieverlust während des Prozesses der Ladungstrennung, bei dem gebundene Elektronen in freie Ladungsträger umgewandelt werden, die elektrischen Strom leiten können. Dieser Schlüsselschritt findet an molekularen Treffpunkten oder Grenzflächen statt, an denen Donormoleküle in OPV Elektronen auf Akzeptormoleküle übertragen, und in DSCs übertragen Farbstoffmoleküle Elektronen auf Oxidnanopartikel.

Die Erzeugung von elektrischem Strom in OPV und DSC hängt daher entscheidend von den Eigenschaften dieser aktiven Schnittstellen ab.

Um dies im Detail zu untersuchen, ist nicht nur ein leistungsfähiger Computer erforderlich, sondern auch ein Computercode, der quantenmechanische Phänomene in großem Maßstab simulieren kann. In diesem Fall verwenden die Forscher einen Code namens FHI, um die Struktur und die elektronischen Eigenschaften nanostrukturierter funktioneller Grenzflächen zu simulieren.

Alvaro Vazquez-Mayagoitia, stellvertretender Informatiker und Chemiker der ALCF, arbeitet mit Maroms Team zusammen, um die Effizienz von Mira zu verbessern, indem er teilweise den Code für FHI-Ziele modernisiert. Durch die Verwendung von OpenMP-Parallelität und die Nutzung von ELPA, einer speziellen vektorisierten Bibliothek für parallele dichte lineare Algebra, können FHI-Ziele die BG / Q-Hardware effizienter nutzen. Diese Verbesserungen haben die Gesamtberechnungszeit um etwa 30 Prozent verkürzt.

Maroms Team arbeitete auch mit ALCF zusammen, um einen Workflow-Manager für die BG / Q-Architektur in den GAtor-Code zu integrieren, einen genetischen Algorithmus (GA) zur Vorhersage der Kristallstruktur. Diese Entwicklung erforderte das Fachwissen einer Reihe von Teams bei ALCF, darunter die Bereiche Katalysator, Performance Engineering und Operations. Jetzt kann GAtor mehr als 16.384 Knoten gleichzeitig verwenden und beschleunigt die Entdeckung neuer Materialien auf Mira.

Die Ergebnisse beginnen bereits zu steigen.

In einer kürzlich durchgeführten Benchmark-Studie wurde die Genauigkeit verschiedener elektronischer Strukturmethoden (Näherungswerte für die Anwendung der Quantenmechanik auf komplexe Systeme) für einen Satz von 24 Akzeptormolekülen aus chemischen Familien untersucht, die typischerweise in der organischen Elektronik verwendet werden. Aus den Ergebnissen generierten sie einen quantenchemischen Referenzdatensatz, mit dessen Hilfe wichtige Parameter für die Funktionalität dieser Solarzellen beschrieben und zuverlässig vorhergesagt werden können.

Ein weiterer Teil des Projekts konzentrierte sich auf nanostrukturierte Grenzflächen zwischen Farbstoffmolekülen, die Sonnenlicht absorbieren, und Titandioxid-Clustern, die Elektronen auf ihrem Weg zu den Elektroden unterstützen. Die Forscher fanden heraus, dass sie durch Nanostrukturierung des Oxids die Energiedifferenz zwischen dem Oxid und dem Molekül manipulieren können.

"Die Idee ist, dass Sie einen Energieunterschied haben möchten, der wirklich optimal ist", erklärt Marom. "Es muss groß genug sein, um als treibende Kraft für die Ladungstrennung zu wirken, aber nicht zu viel von Ihrer Maximalspannung abschneiden. Daher kann die Grenzflächentechnik ein Weg zu effizienteren farbstoffsensibilisierten Solarzellen sein."

Die Ergebnisse dieser Studien werden dazu beitragen, das Verständnis der Quantenmechanik, die die Ladungstrennung an diesen Grenzflächen fördert, zu verbessern und die Haltbarkeit und Effizienz zu verbessern.

Für Marom und ihr Team geht es jedoch nicht nur um die Entwicklung von organischen und hybriden Solarzellen. Es geht auch um die Rechenprozesse, die zum Erfolg dieser Entwicklungen beitragen.

"Wir sind Theoretiker", sagt sie, "also ist die treibende Kraft für das gesamte Gebiet der rechnergestützten Materialwissenschaft im Allgemeinen der Science-Fiction-Traum, dass wir eines Tages den Computer nach einem Material mit Ziel fragen können Eigenschaften für eine bestimmte Anwendung. Der Computer wird darüber nachdenken, die Anweisungen an eine atomare Baugruppe senden und uns dann das Material übergeben. "

Zugegeben, es ist ein Prozess, der einige Zeit in Anspruch nehmen wird. Und während der Bedarf an besseren Mechanismen für erneuerbare Energien unmittelbar bevorsteht, bleiben die Ressourcen, die sie antreiben, stabil. Schätzungen gehen davon aus, dass die Sonne uns in den nächsten fünf Milliarden Jahren größtenteils mit strahlender Energie überschütten wird.

Es sieht so aus, als hätten Marom und Forscher wie sie etwas Zeit, es richtig zu machen.

Die Rechenzeit bei der ALCF wurde durch das ASCR Leadership Computing Challenge (ALCC) -Programm von DOE zugeteilt.