有机光伏材料为太阳能提供了巨大的承诺

em麻省理工学院的科学家认为,在有机光伏材料中建模电子激发可能会改变太阳能的未来。 / em

半导体塑料重量轻,灵活,相对便宜,并且易于制造。问题是,与无机光伏材料不同,它不是非常有效或稳定。但麻省理工学院化学系助理教授Adam Willard的工作有可能改变这种状况。

威拉德是一位理论化学家,他使用建模和模拟来研究分子系统。他的研究小组的目标是探索和理解分子无序的基本原理和后果 - 这是有机光伏材料挑战的核心。

虽然有机光伏电极可能看起来光滑且均匀,但它们在分子尺度上非常无序,在那里它们表现为未对齐分子的巨大缠结。这种纠结使得很难理解电子如何在被光子激发时更容易穿过结构并到达外部电极。即使理解单电子的行为也是一个挑战。

“激发电子的位置和形状是动态的,并受到核运动极微妙变化的影响,”Willard解释说。 “你可以想象难以理解数百万微妙的核运动及其对数百万电子的影响。”

直到最近,研究人员甚至无法考虑这种问题。

“计算机已经变得如此快速和高效,以至于我们可以在计算上探索一整类50年前无法触及的问题,”威拉德说。 “多年来,许多理论化学问题的解决方案必须通过铅笔和纸张进行分析,这意味着必须进行许多近似处理才能使分析方法更易于处理。现在,这项技术可以完成这项工作。我们能够探索在教科书中已经出现的近似值的分子结果,以及解决其中一些近似值中断或未能预测行为的地方。“

威拉德正在使用麻省理工绿色高性能中心(MGHPCC)麻省理工学院的计算机。 MGHPCC提供世界级的计算基础设施,在日益传感和数据丰富的现代科学和工程发现环境中不可或缺。

即使在今天的高性能计算机中,对单个大分子上激发电子的行为进行建模也接近目前可行的极限,并且数百个分子的集合是遥不可及的。为了避开这个限制,威拉德正在采取多层次的方法,模拟激发电子在单个分子中的行为,然后将他学到的知识应用到由许多简化分子组成的模型中。这将问题从需要单个非常大的计算的问题转换为需要许多相对简单的计算的问题。后者可以分布在包含许多单独处理器的平台上。

“了解电子如何从深层光伏材料到可以收集的地方,以及用于驱动风扇和灯泡的方式,这是一个具有挑战性的问题,但需要解决这个材料需要跨越到领域它可以在全球范围内发挥作用,“威拉德说。

来源:麻省理工学院化学系

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