有机光伏材料为太阳能提供了巨大的前景

有机光伏材料中的电子激发模型

自上而下观点的照片激发紊乱的分子膜。在该薄膜中,激发的电子倾向于以非均匀的图案横跨多个单独的分子散布,这取决于潜在的病症。这里,通过每个分子核的遮蔽来表示分层激发的形状和尺寸;在这种情况下,激励被分配到材料的四个非重叠区域中。

科学家们麻省理工学院认为在有机光伏材料中模拟电子激发可以改变太阳能的未来。

半导体塑料轻巧,灵活,相对便宜,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。但是,在麻省理工学院的化学系助理教授Adam Willard工作有可能改变这一点。yabovip2021

Willard是一种理论化学家,用于研究分子系统的建模和模拟。他的研究小组的目标是探索和理解分子障碍的基础和后果 - 这在于有机光伏材料造成挑战的核心。

虽然有机光伏薄膜在肉眼看来可能是光滑均匀的,但在分子尺度上它们是极其无序的,它们看起来是一团巨大的无序分子。这种纠缠使我们很难理解,当光子激发电子时,电子是如何更容易地穿过该结构并到达外部电极的。即使是理解单个电子的行为也是一个挑战。

“激发态电子的位置和形状是动态的,受到核运动中极其细微的变化的影响,”威拉德解释说。“你可以想象理解数以百万计的微小核运动及其对数以百万计电子的影响是多么困难。”

直到最近,研究人员甚至无法考虑这类问题。

威拉德说:“计算机已经变得如此快速和高效,以至于我们可以用计算机来探索一整类50年前无法触及的问题。”多年来,许多理论化学问题的解决方案必须通过铅笔和纸的分析来找到,这意味着必须进行许多近似才能使解决方案易于分析。现在,技术可以做跑腿的工作。我们能够探索已经做出的和已经在教科书中出现的近似的分子后果,并解决一些这些近似失效或无法预测行为的地方。”

Willard正在Massachusetts绿色高性能中心(MGHPCC)的MIT教师使用计算机。MGHPCC提供了世界级的计算基础设施,在越来越多的传感器和现代科学和工程发现的数据富裕环境中不可或缺。

即使使用当今高性能的计算机,在单个大分子上模拟激发态电子的行为已经接近目前可行的极限,而集成数百个分子更是遥不可及。为了绕过这个极限,威拉德采用了一种多层次的方法,模拟单个分子中受激电子的行为,然后将他所学到的知识应用到由许多简化分子组成的模型中。这将问题从一个需要一个非常大的计算变成一个需要许多相对简单的计算。后者可以跨包含许多单独处理器的平台分布。

“了解电子从深处光伏材料,他们可以收集,用于我们的球迷和灯泡,是一个具有挑战性的问题,但需要解决这种材料跨越到领域可以是有用的在全球范围内,“威拉德说。

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