Ученые используют машинное обучение для выявления высокоэффективных солнечных материалов

С помощью суперкомпьютеров ученые находят многообещающие новые материалы для солнечных элементов. Поиск лучших светопоглощающих веществ для использования в солнечных элементах подобен поиску иголки в стоге сена.

За прошедшие годы исследователи разработали и протестировали тысячи различных красителей и пигментов, чтобы увидеть, как они поглощают солнечный свет и преобразуют его в электричество.

Сортировка по всем из них требует инновационного подхода. Теперь, благодаря исследованию, сочетающему мощь суперкомпьютеров с наукой о данных и экспериментальными методами, исследователи из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) и Кембриджского университета в Англии разработали новый подход «проектирования устройств» для определения перспективных материалов для солнечных батарей со светочувствительными красителями (DSSC).

DSSC могут быть изготовлены с использованием недорогих масштабируемых технологий , что позволяет им достигать конкурентоспособного соотношения производительности и цены. Команда, возглавляемая материаловедом из Аргоннской лаборатории и руководителем группы молекулярной инженерии в Кавендишской лаборатории в Кембридже Жаклин Коул (Jacqueline Cole), использовала суперкомпьютер Theta в Аргоннском Ведущем Вычислительном центре (Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), чтобы определить пять высокопроизводительных стоимость красителей из почти 10000 кандидатов на изготовление и испытания устройств.

ALCF - это научный центр в подчинении Министерства энергетики США. «Это был особенно обнадеживающий результат, потому что мы усложнили себе задачу, ограничившись органическими молекулами по экологическим причинам, и все же мы обнаружили, что эти органические красители обладают такой же эффективностью, как и некоторые из самых известных металлорганических соединений», - говорит Жаклин Коул.

«Это исследование особенно интересно, потому что мы смогли продемонстрировать полный цикл обнаружения материалов на основе данных - от использования передовых вычислительных методов для определения материалов с оптимальными свойствами до синтеза этих материалов в лаборатории и тестирования их в реальных фотоэлектрических устройствах», - говорит Коул.

В рамках проекта ALCF Data Science Program Коул совместно с учеными Аргоннского вычислительного центра работала над созданием автоматизированного рабочего процесса, в котором использовалась комбинация методов моделирования, интеллектуального анализа данных и машинного обучения для одновременного анализа тысяч химических соединений.

Процесс начался с попытки отсортировать сотни тысяч научных журналов, чтобы собрать химические данные и данные о поглощении света для широкого круга кандидатов на органические красители.

«Преимущество этого процесса состоит в том, что он позволяет избежать устаревшей ручной работы с базами данных, которая может длиться много лет, и сокращает ее до нескольких месяцев и, в конечном итоге, нескольких дней», - отметила Коул. Вычислительная работа включала использование все более более тонких методов скрининга для создания пар потенциальных красителей, которые могли бы работать в сочетании друг с другом, чтобы поглощать свет по всему солнечному спектру.

«Почти невозможно найти один краситель, который действительно хорошо работает для всех длин волн», - сказал Коул. «Это особенно верно для органических молекул, потому что они имеют более узкие оптические полосы поглощения; и все же мы действительно хотели сосредоточиться только на органических молекулах, потому что они значительно более безопасны для окружающей среды»

Как найти иголку в стоге сена

Чтобы сузить начальную партию из 10 000 потенциальных кандидатов на красители, до нескольких наиболее многообещающих возможностей, пришлось разработать многоэтапный подход с использованием вычислительных ресурсов ALCF для его реализации.

Во-первых, Коул и ее коллеги использовали инструменты интеллектуального анализа данных для устранения любых металлоорганических молекул, которые обычно поглощают меньше света, чем органические красители на данной длине волны, и органических молекул, которые слишком малы, чтобы поглощать видимый свет. Даже после этого первого прохода у исследователей оставалось около 3000 кандидатов в красители.

Чтобы еще больше уточнить выбор, ученые провели скрининг красителей, содержащих компоненты карбоновой кислоты, которые можно использовать в качестве химического «клея» или якорей для закрепления красителей на подложках из диоксида титана. Затем исследователи использовали суперкомпьютер Theta для проведения расчетов электронной структуры остальных кандидатов для определения молекулярного дипольного момента - или степени полярности - каждого отдельного красителя.

«Мы очень хотим, чтобы эти молекулы были достаточно полярными, чтобы их электронный заряд был высоким по всей молекуле», - говорит Коул. «Это позволяет возбужденному светом электрону пройти через краситель, через химический клей и войти в полупроводник на основе диоксида титана, чтобы запустить электрическую цепь».

Таким образом, сузив поиск до примерно 300 красителей, исследователи использовали свои вычислительные установки для изучения своих спектров оптического поглощения, чтобы получить серию из примерно 30 красителей, которые были бы кандидатами для экспериментальной проверки. Однако перед тем, как синтезировать красители, Коул и ее коллеги выполнили сложные вычисления на основе теории функциональной плотности (DFT) на суперкомпьютере Theta, чтобы оценить, как каждый из них примерно будет работать в экспериментальной обстановке.

С миру по нитке

Заключительный этап исследования включал в себя экспериментальную проверку набора из пяти наиболее перспективных кандидатов на красители из этих прогнозов, что требовало международного сотрудничества.

Поскольку каждый из различных красителей был первоначально синтезирован в разных лабораториях по всему миру для какой-то другой цели, Коул обратилась к разработчикам оригинальных красителей, каждый из которых отправил новый образец красителя ее команде для исследования. «Это была действительно огромная командная работа, чтобы заставить так много людей со всего мира внести свой вклад в это исследование», - сказала Коул.

Экспериментируя с красителями в Аргоннском центре наноразмерных материалов, другом учреждении пользователя Центра науки Министерства энергетики, а также в Кембриджском университете и Лаборатории Резерфорда Эпплтона.

Коул и ее коллеги обнаружили, что некоторые из них, будучи встроены в фотоэлектрическое устройство, достигали показателей эффективности преобразования энергии, примерно равной эффективности стандартного металлоорганического красителя.

«Это был особенно обнадеживающий результат, потому что мы усложнили задачу, ограничившись органическими молекулами по экологическим причинам, и все же мы обнаружили, что эти органические красители обладают такими же свойствами, как и некоторые из самых известных металлорганических соединений», - сказала Коул.