Оригинал статьи можно посмотреть тут ...

Автор перевода - Alexone

Это пока 1-я часть перевода. (Январь 2012)

 

Скачать полным файлом:

В формате MSWord 2003

В формате MSWord 2007

 

 

Гарвардский проект экологически чистой энергии:  Крупномасштабный вычислительный проект по сортировке и проектированию органических фотоэлементов на World Community Grid (общемировая сеть распределенных вычислений).

 

Johannes Hachmann,*,Roberto Olivares-Amaya,Sule Atahan-Evrenk,Carlos Amador-Bedolla,,

Roel S. S_anchez-Carrera,||,Aryeh Gold-Parker,Leslie Vogt,Anna M. Brockway,§ and Al_an Aspuru-Guzik,*

 

Department of Chemistry and Chemical Biology, Harvard University, 12 Oxford Street, Cambridge, Massachusetts 02138,United States

Факультет химии и биохимии, Гарвардский университет, ул. Оксфорда 12, Кембридж, Массачусец,02138 США.

Facultad de Química, Universidad Nacional Autonoma de M_exico, M_exico, DF 04510, Mexico

Факультет химии, Национальный автономный университет Мексики, Мексика, DF 0410. Мексика.

§Department of Chemistry, Haverford College, 370 Lancaster Avenue, Haverford, Pennsylvania 19041, United States

§ Факультет химии. Хаверфордский колледж, Ланкастер авеню 370, Хаверфорд, Пенсильвания, 19041, США.

 

Абстрактно: Перспективы, которые предоставляет Гарвардский проект «Чистой» Энергии (CEP – это теория управляемого1 поиска органических материалов следующего поколения для солнечных батарей. Мы предоставляем широкий обзор его инфраструктуры и настроек, первых результатов и возможных будущих открытий. CEP создал автоматизированную, высокопроизводительную модель основанную на соединениях кремния,  для изучения потенциально-выгодных экземпляров органических фотоэлектрических структур. Данная фаза проекта посвящена характеризации миллионов молекулярных соединений, используя  первый принцип квантовой химии. Соответственно масштабы этого исследования требуют больших вычислительных ресурсов, которые предоставляются добровольцами распределенных вычислений на World Community Grid. Результаты проанализированы и обобщены в справочную базу данных, которая будет доступна для публичного использования. В дополнение к поиску конкретных материалов с определенными свойствами, одной из целей CEP является осветить и предоставить более глубокое понимание связи свойств органических структур в электронике. Понимание данных вещей может открыть дверь для рациональной и систематической разработки будущих высокопроизводительных материалов. Вычисления CEP проходят в тесном сотрудничестве с экспериментаторами, которые предоставляют ценную информацию и обратную связь с проектом.

 

Солнце богатый источник энергии. Количество энергии от Солнца, поступающее на Землю, превышает мировое потребление на 4 порядка. Очевидно, что альтернативы ископаемым и ядерным источникам энергии будут играть важную роль в безопасности и стабильном покрытии растущих потребностей. К сожалению, текущая стоимость электроэнергии на коммерческой основе от кремниевых солнечных батарей, все еще примерно в 10 раз выше, чем стоимость электроэнергии производимой коммунальными предприятиями. Традиционные неорганические фотоэлементы имеют следующие недостатки, такие как сложный и энергоемкий процесс производства, что приводит к высоким издержкам производства. Также они могут содержать крупицы опасных химических элементов, и еще устройства, основанные на них, как правило, получаются тяжелыми, крупногабаритными, жесткими и хрупкими.

Солнечные батареи, основанные на углеродных соединениях, являются одной из интересных альтернатив стандартным разработкам. Органические фотоэлектрические элементы (OPV) состоят из  маленьких  кристаллизированных молекул и некоторых сенсибилизированных2 красителем аморфных полимеров (пластмасс), открытых Grätzel. OPV имеют большой потенциал в двух важных областях: они должны быть простыми в исполнении, недорогими, выпускаться большими объемами, а так же сочетать в себе уникальную гибкость и универсальность пластмасс с электрическими функциями. OPV могут быть изготовлены с помощью принципа roll-to-roll3 ,а так же имеются исследования в области распыляемых в виде покраски различных материалов. Кроме того, они могут быть разноцветными, полупрозрачными и могут принимать любую форму. Эти свойства делают их перспективной разработкой для достижения повсеместной переработки солнечной энергии и построения, интегрированных и ультрапортативных вариантов применения, что является основной целью проекта. Например, на международном саммите «The Equinox Summit» было предложено использовать OPV для электрификации 2,5 миллиардов человек проживающих в сельских районах, где нет доступа к электросети.

Однако чтобы в будущем пластиковые солнечные батареи стали жизнеспособной технологией, надо преодолеть еще много серьезных проблем. Одними из основных проблем являются относительно низкая эффективность и ограниченный срок службы. Мало того, что КПД современных солнечных батарей достигает всего лишь 9,2% , так еще и материалы из которых они состоят, деградируют под воздействием окружающей среды, понижая эту эффективность. Повышение эффективности на 10-15% процентов с увеличением срока службы до 10 лет за счет OPV, может подтолкнуть стоимость производства  электроэнергии снизиться до уровня стоимости энергии, получаемой от источников, имеющихся в настоящее время, и даже ниже.

В 2008 году мы начали наш Гарвардский проект «Чистой» Энергии, чтобы найти высокоэффективные OPV материалы. Эта перспективная статья дает общий обзор CEP и обеспечивает условия на будущее для ряда детальных технических и ориентированных на результат статей. В 1ом разделе мы предоставляем общее описание и настройки проекта, с последующей презентацией его различных компонентов. Во 2ом разделе рассматривается наша библиотека OPV кандидатов. Раздел 3 объясняет использование химико-информационных дескрипторов позволяющих быстро оценить потенциал имеющихся заготовок. А 4ый раздел сосредоточен на высокоуровневой иерархии вычислений в CEP. 5ый раздел посвящен калибровке и стандартизации полученных результатов. Базы данных CEP применяются в разделе 4, а World Community Grid (WCG) - является нашим основным вычислительным средством – в разделе 5. На протяжении 1ого-4ого раздела мы также кратко поясним следующие этапы работы и дополнительные настройки проекта. Итог нашей дискуссии подведем последних двух абзацах статьи.

1.Гарвардский проект «Чистой» Энергии (CEP). Основные параметры необходимые для улучшения OPV общеизвестны. Однако воплощение в инженерных материалах, которые сочетают в себе все эти свойства, является сложной задачей. Традиционные экспериментальные разработки в значительной степени основаны на интуиции или опыте в некоторой области знаний, но только несколько образцов в течение года может быть изучено экспериментально, из-за длительного времени синтеза и сложной характеризации. Теоретическая же работа, как правило, также ограничивается небольшим набором образцов, в которых моделируются различные аспекты фотоэлектрического процесса.

Проект «Чистой» Энергии отличается от других вычислительных научных подходов материаловедения, так как он сочетает в себе обычное моделирование со стратегий из моделирования современных лекарственных препаратов: CEP это автоматизированная, высокопроизводительная модель для изучения миллионов потенциально-выгодных экземпляров органических фотоэлектрических структур, базирующаяся на первых принципах структуры электронных уровней. Он также перенимает методы из химической информатики и в большой степени зависит от интеллектуального анализа данных. Новаторские работы по химико-информационным методам и массивным расчетам электронной структуры, в исполнении Rajan и др., а Ceder и др. в области неорганических твердых тел. Исследования, основанные на кремниевых соединениях, сочетающие такой масштаб и уровень теории разработанной CEP , беспрецедентны.

 

Проект «Чистой» Энергии отличается от других вычислительных научных подходов материаловедения, так как он сочетает в себе обычное моделирование со стратегий из моделирования современных лекарственных препаратов: CEP это автоматизированная, высокопроизводительная модель для изучения миллионов потенциально-выгодных экземпляров органических фотоэлектрических структур, базирующаяся на первых принципах структуры электронных уровней.

 

Отправной точкой для нашего проекта мы выбрали исследование молекулярных экземпляров лежащих в основе OPV материалов. Экземпляр, удовлетворяющий всем требованиями, является необходимым условием успешного научного открытия в области OPV. Только ограниченное число структурных моделей были изучены до сих пор, в то время как бесконечные возможности моделирования вполне могут иметь ключевое значение для преодоления текущих проблем в создании требуемого материала. Мы подчеркиваем, что перспективная молекулярная структура не является достаточным условием, так как необходимо учитывать вещества, из которых производиться данный материал и устройства необходимые для его производства. Вычисления в CEP имеют четкую иерархию, в которой последовательно характеризуются параметры электронных структур наших  OPV кандидатов. Со временем, мы выйдем за рамки исследования одной молекулы и будем  рассматривать свойства газообразных сред, межмолекулярные взаимодействия и даже проблемы взаимодействия большого числа частиц.

Кроме поиска конкретных структур с желаемый набор свойств, мы также стараемся прийти к пониманию взаимосвязи структура – свойства. Изучение основных принципов структурирования OPV является ключевым моментом в переходе от скрининга к активным инженерным разработкам новейшей органической электроники.

В то время как основой проекта является изучение OPV материалов основанных на кремнии, все же хотелось подчеркнуть, что еще одной важной целью проекта является связь теоретических работ с экспериментальными данными. Проект частично руководствуется информацией из экспериментов сотрудников (в частности, the Bao Group at Stanford University), и наши наиболее перспективные экземпляры подлежат углубленным исследованиям в их лабораториях. CEP представляет собой общественную организацию, и мы приглашаем всех желающих к совместной работе

 

                 

 

На рисунке 1 приведена общая структура CEP и указана последовательность процесса обработки, в следующих разделах мы обсудим работу его различных компонентов.

 

Сноски:

1.Управляемого –  поиска по заданным параметрам.

2. Спектральная сенсибилизация — придание фотоматериалу чувствительности к определённым диапазонам спектра.

3. Roll-to-roll –  принцип нанесения одного материала поверх другого пленками или тонкими слоями.(например фотолитография).

 

 

 

Вернуться на BOINC.RU

Обсудить на форуме ...