Trovare i migliori prodotti chimici per la raccolta della luce da utilizzare nelle celle solari può sembrare come cercare un ago in un pagliaio. Negli anni, i ricercatori hanno sviluppato e testato migliaia di coloranti e pigmenti diversi per vedere come assorbono la luce solare e la convertono in elettricità. Ordinarli tutti richiede un approccio innovativo.

Ora, grazie a uno studio che unisce la potenza del supercalcolo alla data science e ai metodi sperimentali, i ricercatori dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) e dell'Università di Cambridge in Inghilterra hanno sviluppato un nuovo approccio "dal design al dispositivo" per identificare materiali promettenti per le celle solari sensibilizzate a colorante (DSSC). Le DSSC possono essere prodotte con bassi costi, tecniche scalabili, consentendo loro di raggiungere rapporti prestazioni-prezzo competitivi.

Il gruppo, guidato dalla scienziata dei materiali delle Argonne Jacqueline Cole, che è anche a capo del gruppo di ingegneria molecolare presso il Cavendish Laboratory dell'Università di Cambridge, utilizzato il supercomputer Theta presso l'Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) per individuare cinque ad alte prestazioni, materiali coloranti a basso costo da un pool di quasi 10, 000 candidati per la fabbricazione e il test dei dispositivi. L'ALCF è una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE.

"Questo studio è particolarmente entusiasmante perché siamo stati in grado di dimostrare l'intero ciclo della scoperta di materiali basata sui dati, dall'utilizzo di metodi di calcolo avanzati per identificare materiali con proprietà ottimali alla sintesi di tali materiali in un laboratorio e testarli in dispositivi fotovoltaici reali, " ha detto Cole.

Attraverso un progetto ALCF Data Science Program, Cole ha lavorato con gli scienziati computazionali di Argonne per creare un flusso di lavoro automatizzato che utilizzasse una combinazione di simulazione, tecniche di data mining e machine learning per consentire l'analisi di migliaia di composti chimici contemporaneamente. Il processo è iniziato con lo sforzo di selezionare centinaia di migliaia di riviste scientifiche per raccogliere dati chimici e di assorbimento per un'ampia varietà di candidati coloranti organici.

"Il vantaggio di questo processo è che elimina la vecchia cura manuale dei database, che richiede molti anni di lavoro, e lo riduce a pochi mesi e, in definitiva, pochi giorni, " ha detto Cole.

Il lavoro computazionale ha comportato l'utilizzo di tecniche di screening sempre più fini per generare coppie di potenziali coloranti che potrebbero funzionare in combinazione tra loro per assorbire la luce attraverso lo spettro solare. "È quasi impossibile trovare un colorante che funzioni davvero bene per tutte le lunghezze d'onda, " Ha detto Cole. "Questo è particolarmente vero con le molecole organiche perché hanno bande di assorbimento ottico più strette; e ancora, volevamo davvero concentrarci solo sulle molecole organiche, perché sono significativamente più rispettosi dell'ambiente."

Per restringere il batch iniziale di 10, 000 potenziali candidati coloranti fino ad alcune delle possibilità più promettenti coinvolte di nuovo utilizzando le risorse informatiche ALCF per eseguire un approccio a più fasi. Primo, Cole e i suoi colleghi hanno utilizzato strumenti di data mining per eliminare qualsiasi molecola organometallica, che generalmente assorbono meno luce rispetto ai coloranti organici a una data lunghezza d'onda, e molecole organiche che sono troppo piccole per assorbire la luce visibile.

Anche dopo questo primo passaggio, i ricercatori avevano ancora circa 3, 000 coloranti da considerare. Per affinare ulteriormente la selezione, gli scienziati hanno esaminato i coloranti che contenevano componenti di acido carbossilico che potevano essere usati come "colle" chimiche, "o ancore, per fissare i coloranti ai supporti in biossido di titanio. Quindi, i ricercatori hanno utilizzato Theta per condurre calcoli della struttura elettronica sui candidati rimanenti per determinare il momento di dipolo molecolare, o grado di polarità, di ogni singolo colorante.

"Vogliamo davvero che queste molecole siano sufficientemente polari in modo che la loro carica elettronica sia elevata attraverso la molecola, " Ha detto Cole. "Questo consente all'elettrone eccitato dalla luce di attraversare la lunghezza del colorante, passare attraverso la colla chimica, e nel semiconduttore di biossido di titanio per avviare il circuito elettrico."

Dopo aver così ristretto la ricerca a circa 300 coloranti, i ricercatori hanno utilizzato la loro configurazione computazionale per esaminare i loro spettri di assorbimento ottico per generare un lotto di circa 30 coloranti che sarebbero candidati per la verifica sperimentale. Prima di sintetizzare effettivamente i coloranti, però, Cole e i suoi colleghi hanno eseguito calcoli di teoria del funzionale della densità computazionalmente intensiva (DFT) su Theta per valutare come ciascuno di essi avrebbe potuto comportarsi in un ambiente sperimentale.

La fase finale dello studio ha coinvolto la convalida sperimentale di una raccolta dei cinque candidati coloranti più promettenti da queste previsioni, che ha richiesto una collaborazione mondiale. Poiché ciascuno dei diversi coloranti era stato inizialmente sintetizzato in diversi laboratori in tutto il mondo per qualche altro scopo, Cole ha contattato gli sviluppatori di coloranti originali, ognuna delle quali ha inviato un nuovo campione di colorante affinché il suo team potesse indagare.

"È stato davvero un lavoro di squadra straordinario per convincere così tante persone da tutto il mondo a contribuire a questa ricerca, " ha detto Cole.

Osservando i coloranti sperimentalmente presso il Center for Nanoscale Materials di Argonne, un'altra struttura per gli utenti di DOEOffice of Science, e presso l'Università di Cambridge e il Rutherford Appleton Laboratory, Cole e i suoi colleghi hanno scoperto che alcuni di loro, una volta incorporato in un dispositivo fotovoltaico, ha raggiunto efficienze di conversione della potenza approssimativamente uguali a quelle del colorante organometallico standard industriale.

"Questo è stato un risultato particolarmente incoraggiante perché avevamo reso la nostra vita più difficile limitandoci alle molecole organiche per motivi ambientali, eppure abbiamo scoperto che questi coloranti organici si comportavano così come alcuni dei più noti organometallici, " ha detto Cole.

Un documento basato sullo studio, "L'approccio dal design al dispositivo offre celle solari co-sensibilizzate pancromatiche, " apparso come articolo di copertina nel numero del 1 febbraio di Materiali energetici avanzati .