現(xiàn)在，由于它結(jié)合了數(shù)據(jù)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法超級(jí)計(jì)算能力的研究中，研究人員在能源公司(美國能源部DOE)阿貢國家實(shí)驗(yàn)室和英國劍橋大學(xué)的大學(xué)已經(jīng)開發(fā)出一種新的“設(shè)計(jì)到設(shè)備”的方法為染料敏化太陽能電池(DSSCs)確定有前途的材料。DSSC可以采用低成本，可擴(kuò)展的技術(shù)制造，從而實(shí)現(xiàn)具有競爭力的性價(jià)比。

由Argonne材料科學(xué)家Jacqueline Cole領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，他也是劍橋大學(xué)卡文迪什實(shí)驗(yàn)室分子工程小組的負(fù)責(zé)人，使用Argonne領(lǐng)導(dǎo)計(jì)算機(jī)構(gòu)(ALCF)的Theta超級(jí)計(jì)算機(jī)來確定五個(gè)高性能，低從近池花色素系材料10，000的候選制造和設(shè)備測(cè)試。該ALCF是美國能源部科學(xué)辦公室的用戶工具。

這項(xiàng)研究特別令人興奮，因?yàn)槲覀兡軌蛘故緮?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)材料發(fā)現(xiàn)的完整周期 - 從使用先進(jìn)的計(jì)算方法識(shí)別具有最佳性能的材料到在實(shí)驗(yàn)室中合成這些材料并在實(shí)際光伏器件中進(jìn)行測(cè)試，”Cole說過。

通過ALCF數(shù)據(jù)科學(xué)計(jì)劃項(xiàng)目，Cole與Argonne計(jì)算科學(xué)家合作創(chuàng)建了一個(gè)自動(dòng)化工作流程，該工作流程結(jié)合了模擬，數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，可同時(shí)分析數(shù)千種化合物。該過程始于努力對(duì)數(shù)十萬種科學(xué)期刊進(jìn)行分類，以收集各種有機(jī)染料候選物的化學(xué)和吸收數(shù)據(jù)。

“這個(gè)過程的優(yōu)勢(shì)在于它消除了舊的手工數(shù)據(jù)庫管理，這需要多年的工作量，并將其減少到幾個(gè)月，最終幾天，”科爾說。

計(jì)算工作涉及使用更精細(xì)和更精細(xì)的篩選技術(shù)來生成成對(duì)的潛在染料，這些染料可以彼此組合以吸收太陽光譜上的光。“這幾乎是不可能找到一種染料，真正行之有效的所有波長，”科爾說。“這是特別真實(shí)與有機(jī)分子，因?yàn)樗鼈兙哂懈墓馕諑? 然而，我們真的只想專注于有機(jī)分子，因?yàn)樗鼈兏迎h(huán)保。“

為了縮小首批的10，000電位染料考生到短短的再次參與最有前途的可能性使用ALCF計(jì)算資源，開展多步法。首先，Cole和她的同事使用數(shù)據(jù)挖掘工具來消除任何有機(jī)金屬分子，這些分子通常比給定波長的有機(jī)染料吸收更少的光，而有機(jī)分子則太小而不能吸收可見光。

即使在第一次掃描，研究人員仍然有大約3，000染料考生考慮。要進(jìn)一步細(xì)化該選擇，科學(xué)家篩選含有可用于化學(xué)羧酸成分染料“膠水”，或錨定件，以連接到染料的二氧化鈦載體。然后，研究人員使用Theta對(duì)剩余的候選物進(jìn)行電子結(jié)構(gòu)計(jì)算，以確定每種染料的分子偶極矩(或極性程度)。

“我們真的希望這些分子具有足夠的極性，使得它們的電子電荷在整個(gè)分子中都很高，”科爾說。“這允許光激發(fā)電子穿過染料的長度，經(jīng)過化學(xué)膠水，并進(jìn)入二氧化鈦半導(dǎo)體啟動(dòng)電路”。

在將搜索范圍縮小到大約300種染料之后，研究人員使用他們的計(jì)算設(shè)置來檢查他們的光學(xué)吸收光譜，以生成一批大約30種染料，這些染料可以作為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的候選者。然而，在實(shí)際合成染料之前，Cole和她的同事們?cè)赥heta上進(jìn)行了計(jì)算密集型密度泛函理論(DFT)計(jì)算，以評(píng)估每種染料在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的表現(xiàn)。

該研究的最后階段涉及通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這些預(yù)測(cè)中五種最有希望的染料候選物的集合，這需要全球合作。由于每種不同的染料最初都是在世界各地的不同實(shí)驗(yàn)室中合成用于其他目的，因此Cole聯(lián)系了原始的染料開發(fā)商，每個(gè)染料開發(fā)人員都派遣了一種新的樣品染料供她的團(tuán)隊(duì)調(diào)查。

“讓來自世界各地的這么多人為這項(xiàng)研究做出貢獻(xiàn)真的是一團(tuán)糟的團(tuán)隊(duì)合作，”科爾說。

在Argonne的納米材料中心，另一個(gè)DOE科學(xué)辦公室用戶設(shè)施，以及劍橋大學(xué)和Rutherford Appleton實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)中，Cole及其同事發(fā)現(xiàn)其中一些染料一旦嵌入光伏器件中，實(shí)現(xiàn)的功率轉(zhuǎn)換效率大致等于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)有機(jī)金屬染料的功率轉(zhuǎn)換效率。

“這是一個(gè)特別令人鼓舞的結(jié)果，因?yàn)槲覀円驗(yàn)榄h(huán)境原因限制自己的有機(jī)分子使我們的生活更加艱難，但我們發(fā)現(xiàn)這些有機(jī)染料的表現(xiàn)與一些最著名的有機(jī)金屬一樣，”科爾說。