Forskere bruger maskinlæring til at identificere højtydende solceller

At finde de bedste lysindsamlingskemikalier til brug i solceller kan føles som at lede efter en nål i en høstak. I årenes løb, forskere har udviklet og testet tusindvis af forskellige farvestoffer og pigmenter for at se, hvordan de absorberer sollys og omdanner det til elektricitet. At sortere gennem dem alle kræver en innovativ tilgang.

Nu, takket være en undersøgelse, der kombinerer kraften ved supercomputing med datavidenskab og eksperimentelle metoder, forskere ved U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory og University of Cambridge i England har udviklet en ny "design to device"-tilgang til at identificere lovende materialer til farvesensibiliserede solceller (DSSC'er). DSSC'er kan fremstilles til lave omkostninger, skalerbare teknikker, giver dem mulighed for at opnå konkurrencedygtige præstations-til-pris-forhold.

Holdet, ledet af Argonne materialeforsker Jacqueline Cole, som også er leder af Molecular Engineering-gruppen ved University of Cambridges Cavendish Laboratory, brugte Theta-supercomputeren på Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) til at udpege fem højtydende, billige farvestoffer fra en pulje på næsten 10, 000 kandidater til fremstilling og enhedstest. ALCF er en DOE Office of Science-brugerfacilitet.

"Dette studie er særligt spændende, fordi vi var i stand til at demonstrere den fulde cyklus af datadrevet materialeopdagelse - fra at bruge avancerede computermetoder til at identificere materialer med optimale egenskaber til at syntetisere disse materialer i et laboratorium og teste dem i faktiske fotovoltaiske enheder, " sagde Cole.

Gennem et ALCF Data Science Program-projekt, Cole arbejdede sammen med Argonne-beregningsforskere for at skabe en automatiseret arbejdsgang, der brugte en kombination af simulering, data mining og maskinlæringsteknikker for at muliggøre analyse af tusindvis af kemiske forbindelser samtidigt. Processen begyndte med et forsøg på at sortere gennem hundredtusindvis af videnskabelige tidsskrifter for at indsamle kemiske og absorptionsdata for en lang række organiske farvestofkandidater.

"Fordelen ved denne proces er, at den fjerner den gamle manuelle kurering af databaser, som indebærer mange års arbejde, og reducerer det til et spørgsmål om et par måneder og, ultimativt, et par dage, " sagde Cole.

Det beregningsmæssige arbejde involverede at bruge finere og finere screeningsteknikker til at generere par af potentielle farvestoffer, der kunne arbejde i kombination med hinanden for at absorbere lys over hele solspektret. "Det er næsten umuligt at finde et farvestof, der virkelig fungerer godt til alle bølgelængder, " sagde Cole. "Dette gælder især for organiske molekyler, fordi de har smallere optiske absorptionsbånd; og stadigvæk, vi ønskede virkelig kun at koncentrere os om organiske molekyler, fordi de er væsentligt mere miljøvenlige."

For at indsnævre den indledende batch på 10, 000 potentielle farvestofkandidater ned til blot nogle få af de mest lovende muligheder involveret igen ved at bruge ALCF computerressourcer til at udføre en flertrinstilgang. Først, Cole og hendes kolleger brugte data mining-værktøjer til at eliminere alle organometalliske molekyler, som generelt absorberer mindre lys end organiske farvestoffer ved en given bølgelængde, og organiske molekyler, der er for små til at absorbere synligt lys.

Selv efter dette første pas, forskerne havde stadig ca. 3, 000 farvestofkandidater at overveje. For yderligere at forfine udvalget, forskerne screenede for farvestoffer, der indeholdt carboxylsyrekomponenter, der kunne bruges som kemiske "lim, " eller ankre, at fastgøre farvestofferne til titaniumdioxidunderstøtninger. Derefter, forskerne brugte Theta til at udføre elektroniske strukturberegninger på de resterende kandidater for at bestemme det molekylære dipolmoment - eller graden af ​​polaritet - af hvert enkelt farvestof.

"Vi ønsker virkelig, at disse molekyler skal være tilstrækkeligt polære, så deres elektroniske ladning er høj på tværs af molekylet, " sagde Cole. "Dette gør det muligt for den lysexciterede elektron at krydse farvestoffets længde, gå gennem den kemiske lim, og ind i titaniumdioxid-halvlederen for at starte det elektriske kredsløb."

Efter således at have indsnævret søgningen til ca. 300 farvestoffer, forskerne brugte deres beregningsmæssige opsætning til at undersøge deres optiske absorptionsspektre for at generere en batch på omkring 30 farvestoffer, der ville være kandidater til eksperimentel verifikation. Før man rent faktisk syntetiserer farvestofferne, imidlertid, Cole og hendes kolleger udførte beregningsintensive density functional theory (DFT) beregninger på Theta for at vurdere, hvordan hver af dem sandsynligvis ville klare sig i en eksperimentel indstilling.

Den sidste fase af undersøgelsen involverede eksperimentelt at validere en samling af de fem mest lovende farvestofkandidater fra disse forudsigelser, hvilket krævede et verdensomspændende samarbejde. Da hvert af de forskellige farvestoffer oprindeligt var blevet syntetiseret i forskellige laboratorier over hele verden til et andet formål, Cole nåede ud til de originale farvestofudviklere, hver af dem sendte en ny prøve farvestof tilbage, som hendes team kunne undersøge.

"Det var virkelig en enorm portion teamwork at få så mange mennesker fra hele verden til at bidrage til denne forskning, " sagde Cole.

Ved at se på farvestofferne eksperimentelt på Argonne's Center for Nanoscale Materials, en anden DOEOffice of Science-brugerfacilitet, og ved University of Cambridge og Rutherford Appleton Laboratory, Cole og hendes kolleger opdagede, at nogle af dem, en gang indlejret i en fotovoltaisk enhed, opnåede effektkonverteringseffektiviteter, der stort set svarer til den for det industrielle standard organometalliske farvestof.

"Dette var et særligt opmuntrende resultat, fordi vi havde gjort vores liv sværere ved at begrænse os til organiske molekyler af miljømæssige årsager, og alligevel fandt vi ud af, at disse organiske farvestoffer fungerede lige så godt som nogle af de bedst kendte organometaller, " sagde Cole.

Et papir baseret på undersøgelsen, "Design-to-device tilgang giver pankromatisk co-sensibiliserede solceller, " optrådte som forsideartikel i 1. februar-udgaven af Avancerede energimaterialer .