Encontrar os melhores produtos químicos de coleta de luz para uso em células solares pode ser parecido com a procura de uma agulha em um palheiro. Ao longo dos anos, pesquisadores desenvolveram e testaram milhares de corantes e pigmentos diferentes para ver como eles absorvem a luz solar e a convertem em eletricidade. Classificar todos eles requer uma abordagem inovadora.

Agora, graças a um estudo que combina o poder da supercomputação com a ciência de dados e métodos experimentais, pesquisadores do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) e da Universidade de Cambridge, na Inglaterra, desenvolveram uma nova abordagem de "design para dispositivo" para identificar materiais promissores para células solares sensibilizadas por corante (DSSCs). DSSCs podem ser fabricados com baixo custo, técnicas escaláveis, permitindo que alcancem índices competitivos de desempenho em relação ao preço.

O time, liderado pela cientista de materiais de Argonne Jacqueline Cole, que também é chefe do grupo de Engenharia Molecular do Laboratório Cavendish da Universidade de Cambridge, usou o supercomputador Theta no Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) para apontar cinco de alto desempenho, materiais de tingimento de baixo custo de um pool de quase 10, 000 candidatos para fabricação e teste de dispositivos. O ALCF é um DOE Office of Science User Facility.

"Este estudo é particularmente empolgante porque fomos capazes de demonstrar o ciclo completo de descoberta de materiais baseada em dados - desde o uso de métodos de computação avançados para identificar materiais com propriedades ideais até a síntese desses materiais em um laboratório e testá-los em dispositivos fotovoltaicos reais, "Cole disse.

Por meio de um projeto do Programa de Ciência de Dados ALCF, Cole trabalhou com cientistas computacionais de Argonne para criar um fluxo de trabalho automatizado que empregava uma combinação de simulação, técnicas de mineração de dados e aprendizado de máquina para permitir a análise de milhares de compostos químicos simultaneamente. O processo começou com um esforço para classificar centenas de milhares de periódicos científicos para coletar dados químicos e de absorção para uma ampla variedade de candidatos a corantes orgânicos.

“A vantagem desse processo é que ele tira a velha curadoria manual de bancos de dados, que envolve muitos anos de trabalho, e reduz para uma questão de alguns meses e, em última análise, alguns dias, "Cole disse.

O trabalho computacional envolveu o uso de técnicas de triagem cada vez mais refinadas para gerar pares de corantes potenciais que poderiam funcionar em combinação uns com os outros para absorver luz em todo o espectro solar. "É quase impossível encontrar um corante que realmente funcione bem para todos os comprimentos de onda, "Cole disse." Isso é particularmente verdadeiro com moléculas orgânicas porque elas têm bandas de absorção óptica mais estreitas; e ainda, realmente queríamos nos concentrar apenas nas moléculas orgânicas, porque são significativamente mais ecológicos. "

Para reduzir o lote inicial de 10, 000 potenciais candidatos a corantes reduzidos a apenas algumas das possibilidades mais promissoras envolvidas novamente com o uso de recursos de computação ALCF para realizar uma abordagem de várias etapas. Primeiro, Cole e seus colegas usaram ferramentas de mineração de dados para eliminar quaisquer moléculas organometálicas, que geralmente absorvem menos luz do que os corantes orgânicos em um determinado comprimento de onda, e moléculas orgânicas que são muito pequenas para absorver a luz visível.

Mesmo depois dessa primeira passagem, os pesquisadores ainda tinham aproximadamente 3, 000 candidatos a corantes a serem considerados. Para refinar ainda mais a seleção, os cientistas fizeram a triagem de corantes que continham componentes de ácido carboxílico que poderiam ser usados ​​como "colas químicas, "ou âncoras, para anexar os corantes a suportes de dióxido de titânio. Então, os pesquisadores usaram Theta para realizar cálculos de estrutura eletrônica nos candidatos restantes para determinar o momento de dipolo molecular - ou grau de polaridade - de cada corante individual.

"Nós realmente queremos que essas moléculas sejam polares o suficiente para que sua carga eletrônica seja alta em toda a molécula, "Disse Cole." Isso permite que o elétron excitado pela luz atravesse o comprimento do corante, passe pela cola química, e no semicondutor de dióxido de titânio para iniciar o circuito elétrico. "

Depois de ter, assim, estreitado a pesquisa para cerca de 300 corantes, os pesquisadores usaram sua configuração computacional para examinar seus espectros de absorção óptica para gerar um lote de cerca de 30 cores que seriam candidatos para verificação experimental. Antes de realmente sintetizar os corantes, Contudo, Cole e seus colegas realizaram cálculos de teoria funcional de densidade intensiva computacionalmente (DFT) em Theta para avaliar como cada um deles provavelmente funcionaria em um ambiente experimental.

A fase final do estudo envolveu a validação experimental de uma coleção dos cinco candidatos a corantes mais promissores a partir dessas previsões, o que exigiu uma colaboração mundial. Como cada um dos diferentes corantes foi inicialmente sintetizado em diferentes laboratórios em todo o mundo para alguma outra finalidade, Cole procurou os desenvolvedores do corante original, cada um deles enviou de volta uma nova amostra de corante para sua equipe investigar.

"Foi realmente um tremendo trabalho de equipe conseguir que tantas pessoas de todo o mundo contribuíssem com esta pesquisa, "Cole disse.

Ao observar os corantes experimentalmente no Centro de Materiais em Nanoescala de Argonne, outro DOEOffice of Science User Facility, e na Universidade de Cambridge e no Laboratório Rutherford Appleton, Cole e seus colegas descobriram que alguns deles, uma vez embutido em um dispositivo fotovoltaico, alcançou eficiências de conversão de energia aproximadamente iguais às do corante organometálico padrão industrial.

"Este foi um resultado particularmente encorajador porque tornamos nossas vidas mais difíceis ao nos restringirmos a moléculas orgânicas por razões ambientais, e ainda descobrimos que esses corantes orgânicos tiveram um desempenho tão bom quanto alguns dos organometálicos mais conhecidos, "Cole disse.

Um artigo baseado no estudo, "A abordagem de design para dispositivo permite células solares co-sensibilizadas pancromáticas, "apareceu como artigo de capa na edição de 1º de fevereiro da Materiais de energia avançados .