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.

 

 

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 1^ом разделе мы предоставляем общее описание и настройки проекта, с последующей презентацией его различных компонентов. Во 2^ом разделе рассматривается наша библиотека OPV кандидатов. Раздел 3 объясняет использование химико-информационных дескрипторов позволяющих быстро оценить потенциал имеющихся заготовок. А 4^ый раздел сосредоточен на высокоуровневой иерархии вычислений в CEP. 5^ый 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 1^ого-4^ого 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).