現(xiàn)在，由于結(jié)合了數(shù)據(jù)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法和超級(jí)計(jì)算能力的研究，研究人員在能源公司(DOE)的Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和英國(guó)劍橋大學(xué)開發(fā)了一種“設(shè)計(jì)到設(shè)備”的新方法，以確定有希望的染料敏化太陽能電池(DSSCs)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(jìng)爭(zhēng)力的性價(jià)比。

阿貢材料科學(xué)家杰奎琳科爾(Jacqueline Cole)領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)也是劍橋大學(xué)卡文迪什實(shí)驗(yàn)室分子工程團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人，他們使用阿貢領(lǐng)先計(jì)算研究所(ALCF)的Theta超級(jí)計(jì)算機(jī)，從10，000種近池花青素材料中確定了5種高性能、低成本的候選制造和設(shè)備測(cè)試。ALCF是美國(guó)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)槲覀兛梢哉故緮?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的材料發(fā)現(xiàn)的完整周期——從使用先進(jìn)的計(jì)算方法識(shí)別性能最佳的材料，到在實(shí)驗(yàn)室合成這些材料，并在實(shí)際光伏器件中進(jìn)行測(cè)試，”科爾說。

通過ALCF數(shù)據(jù)科學(xué)項(xiàng)目，科爾與阿貢計(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)，可以同時(shí)分析數(shù)千種化合物。這一過程始于對(duì)成千上萬的科學(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)。

科爾說：“這個(gè)過程的優(yōu)勢(shì)在于，它消除了舊的手動(dòng)數(shù)據(jù)庫管理，這需要數(shù)年的工作，并將其減少到幾個(gè)月，最后幾天。

計(jì)算包括使用越來越精細(xì)的篩選技術(shù)來產(chǎn)生潛在的染料對(duì)，這些染料可以相互結(jié)合來吸收太陽光譜上的光?？茽栒f：“幾乎不可能找到一種真正適用于所有波長(zhǎng)的染料?！斑@是特別真實(shí)和有機(jī)的，因?yàn)樗鼈冇懈墓馕諑?；然而，我們真的只想關(guān)注有機(jī)分子，因?yàn)樗鼈兏h(huán)保?！?

為了將第一批10，000個(gè)潛在的染料候選減少到最有希望的短期重新參與的可能性，我們使用ALCF計(jì)算資源并進(jìn)行多步驟方法。首先，科爾和她的同事使用數(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(zhǎng)的有機(jī)染料吸收更少的光，而有機(jī)分子太小，無法吸收可見光。

即使在第一次掃描時(shí)，研究人員仍有大約3000種染料候選物需要考慮。為了進(jìn)一步完善選擇，科學(xué)家篩選出了染料“膠”或錨，可用于化學(xué)羧酸成分與染料的二氧化鈦載體連接。然后，研究人員使用Theta計(jì)算剩余候選染料的電子結(jié)構(gòu)，以確定每種染料的分子偶極矩(或極性程度)。

科爾說：“我們真的希望這些分子有足夠的極性，這樣它們的電子電荷在整個(gè)分子中就非常高。這允許光激發(fā)電子穿過染料的長(zhǎng)度，穿過化學(xué)膠，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。然而，在實(shí)際合成染料之前，Cole和她的同事對(duì)Theta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)境中的性能。

研究的最后階段包括通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這些預(yù)測(cè)中五種最有希望的候選染料的收集，這需要全球合作。由于每種不同的染料最初是在世界各地的不同實(shí)驗(yàn)室合成的，用于其他目的，科爾聯(lián)系了最初的染料開發(fā)人員，每個(gè)染料開發(fā)人員都發(fā)送了一種新的染料樣本供她的團(tuán)隊(duì)調(diào)查。

科爾說：“讓來自世界各地的這么多人為這項(xiàng)研究做出貢獻(xiàn)，真的是團(tuán)隊(duì)合作的一個(gè)爛攤子。

在美國(guó)能源部科學(xué)辦公室、劍橋大學(xué)和盧瑟福阿普爾頓實(shí)驗(yàn)室的另一個(gè)用戶設(shè)施阿貢納米材料中心的實(shí)驗(yàn)中，科爾和他的同事發(fā)現(xiàn)，一旦一些染料嵌入光伏器件，所達(dá)到的功率轉(zhuǎn)換效率大致相當(dāng)于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)有機(jī)金屬染料。

科爾說：“這是一個(gè)特別令人鼓舞的結(jié)果，因?yàn)槲覀兂鲇诃h(huán)境原因限制了我們的有機(jī)分子，這讓我們的生活變得更加困難，但我們發(fā)現(xiàn)這些有機(jī)染料的行為就像一些最著名的有機(jī)金屬一樣。

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