Trouver les meilleurs produits chimiques pour récolter la lumière à utiliser dans les cellules solaires peut ressembler à chercher une aiguille dans une botte de foin. Au cours des années, les chercheurs ont développé et testé des milliers de colorants et pigments différents pour voir comment ils absorbent la lumière du soleil et la convertissent en électricité. Les trier tous nécessite une approche innovante.

Maintenant, grâce à une étude qui combine la puissance du supercalcul avec la science des données et les méthodes expérimentales, des chercheurs du laboratoire national d'Argonne du département de l'Énergie des États-Unis (DOE) et de l'Université de Cambridge en Angleterre ont développé une nouvelle approche « de la conception à l'appareil » pour identifier des matériaux prometteurs pour les cellules solaires à colorant (DSSC). Les DSSC peuvent être fabriqués à faible coût, techniques évolutives, leur permettant d'atteindre des rapports performances/prix compétitifs.

L'équipe, dirigé par Jacqueline Cole, scientifique en matériaux d'Argonne, qui est également à la tête du groupe d'ingénierie moléculaire au laboratoire Cavendish de l'Université de Cambridge, utilisé le supercalculateur Theta de l'Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) pour identifier cinq hautes performances, des matières colorantes à bas prix parmi un pool de près de 10, 000 candidats pour la fabrication et les tests de dispositifs. L'ALCF est une installation utilisateur du DOE Office of Science.

"Cette étude est particulièrement passionnante car nous avons pu démontrer le cycle complet de découverte de matériaux basée sur les données - de l'utilisation de méthodes informatiques avancées pour identifier les matériaux avec des propriétés optimales à la synthèse de ces matériaux en laboratoire et à leur test dans des dispositifs photovoltaïques réels, " a déclaré Cole.

Grâce à un projet du programme de science des données de l'ALCF, Cole a travaillé avec les informaticiens d'Argonne pour créer un flux de travail automatisé utilisant une combinaison de simulation, techniques d'exploration de données et d'apprentissage automatique pour permettre l'analyse simultanée de milliers de composés chimiques. Le processus a commencé par un effort pour trier des centaines de milliers de revues scientifiques afin de collecter des données chimiques et d'absorption pour une grande variété de candidats colorants organiques.

"L'avantage de ce procédé est qu'il supprime l'ancienne curation manuelle des bases de données, ce qui implique de nombreuses années de travail, et la réduit à quelques mois et, finalement, quelques jours, " a déclaré Cole.

Le travail informatique impliquait l'utilisation de techniques de criblage de plus en plus fines pour générer des paires de colorants potentiels qui pourraient fonctionner en combinaison les uns avec les autres pour absorber la lumière à travers le spectre solaire. "Il est presque impossible de trouver un colorant qui fonctionne vraiment bien pour toutes les longueurs d'onde, " a déclaré Cole. « Cela est particulièrement vrai avec les molécules organiques car elles ont des bandes d'absorption optique plus étroites ; et encore, nous voulions vraiment nous concentrer uniquement sur les molécules organiques, car ils sont nettement plus respectueux de l'environnement."

Pour réduire le lot initial de 10, 000 candidats potentiels de colorants jusqu'à quelques-unes des possibilités les plus prometteuses impliquées à nouveau en utilisant les ressources informatiques de l'ALCF pour mener à bien une approche en plusieurs étapes. D'abord, Cole et ses collègues ont utilisé des outils d'exploration de données pour éliminer toutes les molécules organométalliques, qui absorbent généralement moins de lumière que les colorants organiques à une longueur d'onde donnée, et des molécules organiques trop petites pour absorber la lumière visible.

Même après ce premier passage, les chercheurs avaient encore environ 3, 000 candidats de teinture à considérer. Pour affiner davantage la sélection, les scientifiques ont recherché des colorants contenant des composants d'acide carboxylique pouvant être utilisés comme "colles" chimiques, " ou des ancres, pour fixer les colorants sur des supports en dioxyde de titane. Puis, les chercheurs ont utilisé Theta pour effectuer des calculs de structure électronique sur les candidats restants afin de déterminer le moment dipolaire moléculaire - ou le degré de polarité - de chaque colorant individuel.

"Nous voulons vraiment que ces molécules soient suffisamment polaires pour que leur charge électronique soit élevée à travers la molécule, " a déclaré Cole. " Cela permet à l'électron excité par la lumière de traverser la longueur du colorant, passer par la colle chimique, et dans le semi-conducteur de dioxyde de titane pour démarrer le circuit électrique."

Après avoir ainsi restreint la recherche à environ 300 colorants, les chercheurs ont utilisé leur configuration informatique pour examiner leurs spectres d'absorption optique afin de générer un lot d'environ 30 colorants qui seraient candidats à une vérification expérimentale. Avant de synthétiser réellement les colorants, cependant, Cole et ses collègues ont effectué des calculs de théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) intensive en calcul sur Theta pour évaluer comment chacun d'entre eux était susceptible de fonctionner dans un cadre expérimental.

La dernière étape de l'étude consistait à valider expérimentalement une collection des cinq candidats colorants les plus prometteurs à partir de ces prédictions, qui nécessitait une collaboration mondiale. Comme chacun des différents colorants avait été initialement synthétisé dans différents laboratoires à travers le monde à d'autres fins, Cole a contacté les développeurs de colorants d'origine, chacun d'eux a renvoyé un nouvel échantillon de colorant pour que son équipe enquête.

"C'était vraiment un travail d'équipe énorme pour amener autant de personnes du monde entier à contribuer à cette recherche, " a déclaré Cole.

En examinant expérimentalement les colorants au Centre des matériaux nanométriques d'Argonne, une autre installation utilisateur du DOEOffice of Science, et à l'Université de Cambridge et au Rutherford Appleton Laboratory, Cole et ses collègues ont découvert que certains d'entre eux, une fois intégré dans un dispositif photovoltaïque, ont obtenu des rendements de conversion de puissance à peu près égaux à ceux du colorant organométallique standard industriel.

"C'était un résultat particulièrement encourageant car nous nous étions compliqué la vie en nous limitant aux molécules organiques pour des raisons environnementales, et pourtant nous avons constaté que ces colorants organiques fonctionnaient aussi bien que certains des organométalliques les plus connus, " a déclaré Cole.

Un article basé sur l'étude, « L'approche de la conception à l'appareil offre des cellules solaires co-sensibilisées panchromatiques, " est apparu comme l'article de couverture dans le numéro du 1er février de Matériaux énergétiques avancés .