Encontrar los mejores productos químicos para la recolección de luz para usar en células solares puede parecer como buscar una aguja en un pajar. A través de los años, Los investigadores han desarrollado y probado miles de tintes y pigmentos diferentes para ver cómo absorben la luz solar y la convierten en electricidad. Clasificarlos todos requiere un enfoque innovador.

Ahora, gracias a un estudio que combina el poder de la supercomputación con la ciencia de datos y los métodos experimentales, Investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y la Universidad de Cambridge en Inglaterra han desarrollado un enfoque novedoso de "diseño a dispositivo" para identificar materiales prometedores para células solares sensibilizadas con colorante (DSSC). Los DSSC se pueden fabricar a bajo costo, técnicas escalables, permitiéndoles alcanzar proporciones competitivas entre rendimiento y precio.

El equipo, dirigido por la científica de materiales de Argonne Jacqueline Cole, quien también es jefe del grupo de Ingeniería Molecular en el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge, usó la supercomputadora Theta en Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) para identificar cinco de alto rendimiento, materiales de tinte de bajo costo de un grupo de casi 10, 000 candidatos para fabricación y pruebas de dispositivos. El ALCF es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.

"Este estudio es particularmente emocionante porque pudimos demostrar el ciclo completo de descubrimiento de materiales basado en datos, desde el uso de métodos informáticos avanzados para identificar materiales con propiedades óptimas hasta sintetizar esos materiales en un laboratorio y probarlos en dispositivos fotovoltaicos reales, "Dijo Cole.

A través de un proyecto del Programa de ciencia de datos de ALCF, Cole trabajó con científicos computacionales de Argonne para crear un flujo de trabajo automatizado que empleaba una combinación de simulación, técnicas de minería de datos y aprendizaje automático para permitir el análisis de miles de compuestos químicos al mismo tiempo. El proceso comenzó con un esfuerzo por clasificar cientos de miles de revistas científicas para recopilar datos químicos y de absorción para una amplia variedad de candidatos a colorantes orgánicos.

"La ventaja de este proceso es que elimina la antigua curación manual de bases de datos, que implica muchos años de trabajo, y lo reduce a unos pocos meses y, por último, unos pocos días, "Dijo Cole.

El trabajo computacional implicó el uso de técnicas de detección cada vez más finas para generar pares de tintes potenciales que podrían funcionar en combinación entre sí para absorber la luz en todo el espectro solar. "Es casi imposible encontrar un tinte que realmente funcione bien para todas las longitudes de onda, ", Dijo Cole." Esto es particularmente cierto con las moléculas orgánicas porque tienen bandas de absorción óptica más estrechas; y todavía, realmente queríamos concentrarnos solo en moléculas orgánicas, porque son significativamente más respetuosos con el medio ambiente ".

Para reducir el lote inicial de 10, 000 candidatos a colorantes potenciales hasta solo algunas de las posibilidades más prometedoras involucradas nuevamente utilizando los recursos informáticos de ALCF para llevar a cabo un enfoque de varios pasos. Primero, Cole y sus colegas utilizaron herramientas de minería de datos para eliminar cualquier molécula organometálica, que generalmente absorben menos luz que los tintes orgánicos a una determinada longitud de onda, y moléculas orgánicas que son demasiado pequeñas para absorber la luz visible.

Incluso después de este primer paso, los investigadores todavía tenían aproximadamente 3, 000 candidatos a tinte para considerar. Para refinar aún más la selección, los científicos examinaron los tintes que contenían componentes de ácido carboxílico que pudieran utilizarse como "pegamentos químicos", "o anclas, para unir los tintes a soportes de dióxido de titanio. Luego, los investigadores utilizaron Theta para realizar cálculos de estructura electrónica en los candidatos restantes para determinar el momento dipolar molecular, o grado de polaridad, de cada tinte individual.

"Realmente queremos que estas moléculas sean lo suficientemente polares para que su carga electrónica sea alta en toda la molécula, ", Dijo Cole." Esto permite que el electrón excitado por la luz atraviese la longitud del tinte, pasar por el pegamento químico, y en el semiconductor de dióxido de titanio para iniciar el circuito eléctrico ".

Después de haber reducido así la búsqueda a aproximadamente 300 tintes, los investigadores utilizaron su configuración computacional para examinar sus espectros de absorción óptica para generar un lote de aproximadamente 30 tintes que serían candidatos para la verificación experimental. Antes de sintetizar realmente los tintes, sin embargo, Cole y sus colegas realizaron cálculos de teoría funcional de densidad (DFT) computacionalmente intensivos en Theta para evaluar cómo era probable que cada uno de ellos se desempeñara en un entorno experimental.

La etapa final del estudio implicó la validación experimental de una colección de los cinco candidatos a tinte más prometedores de estas predicciones. lo que requirió una colaboración mundial. Como cada uno de los diferentes tintes se había sintetizado inicialmente en diferentes laboratorios de todo el mundo para algún otro propósito, Cole se acercó a los desarrolladores de tinte originales, cada uno de los cuales envió un nuevo colorante de muestra para que su equipo lo investigara.

"Fue realmente un gran trabajo en equipo lograr que tanta gente de todo el mundo contribuyera a esta investigación, "Dijo Cole.

Al observar los tintes experimentalmente en el Centro de materiales a nanoescala de Argonne, otra instalación para usuarios de la DOEOffice of Science, y en la Universidad de Cambridge y el Laboratorio Rutherford Appleton, Cole y sus colegas descubrieron que algunos de ellos, una vez integrado en un dispositivo fotovoltaico, logró eficiencias de conversión de energía aproximadamente iguales a las del tinte organometálico estándar industrial.

"Este fue un resultado particularmente alentador porque nos habíamos hecho la vida más difícil al restringirnos a las moléculas orgánicas por razones ambientales, y, sin embargo, descubrimos que estos tintes orgánicos funcionaban tan bien como algunos de los organometálicos más conocidos, "Dijo Cole.

Un artículo basado en el estudio, "El enfoque de diseño a dispositivo permite células solares co-sensibilizadas pancromáticas, "apareció como artículo de portada en la edición del 1 de febrero de Materiales energéticos avanzados .