太阳，这颗位于我们太阳系中心的黄矮星，已经照亮了我们的天空近45亿年。通过核聚变过程，太阳的丰富氢储存转化为氦。在此过程中产生的能量被释放或辐射到太阳表面之外，在光和热的作用下沐浴其行星邻居。

虽然地球只接收到这种辐射的一小部分，但它构成了无穷无尽的潜在能量供应，我们最近才开始收获并转化为电能。

如今，大多数太阳能电池板技术依赖于晶体硅光伏电池。尽管它们在过去的10 - 15年中越来越受欢迎并且能源产量有所提高，但它们的生产成本仍然很高，仍然庞大而且刚性，并且采用不完全环保的制造工艺。

由于我们的国家不仅仅依赖石油来获取新的燃料和能源，世界各地的研究人员正致力于推动这些技术的发展。由新奥尔良杜兰大学的研究人员领导的国际团队正致力于有机光伏(OPV)和染料敏化或混合太阳能电池(DSC)。

这些材料的结构和产生电荷的过程比典型的单晶太阳能电池更复杂。为了更好地理解和控制有机和混合电池有效工作所需的物理过程，该团队正在使用能源部(DOE)科学用户办公室Argonne Leadership Computing Facility(ALCF)的高性能计算资源。设施。

“在我们的案例中，我们不仅需要设计一种材料，我们需要设计一种由多种材料制成的功能性纳米结构，其功能来自材料组合，”物理学助理教授Noa Marom解释说。杜兰的工程物理学。“你把材料放在一起形成一个界面。”

Marom的团队正在使用ALCF的IBM Blue Gene / Q(BG / Q)超级计算机Mira来研究量子力学水平的界面特性，其中界面的功能在纳米级确定。

有机和混合电池在商业上是有吸引力的，因为它们重量轻，适应性更强并且可能更便宜。目前的缺点是它们的效率低于标准无机电池。虽然单晶硅电池的效率达到约25% - 太阳光转换为能量的测量 - 有机太阳能电池目前约为11%。

一个原因是分子通常不像硅那样吸收太阳光谱，从而减少了细胞最初的能量摄入。与硅电池不同，电子必须在通往电极的途中蜿蜒穿过无序混杂的分子或氧化物纳米颗粒，在那里它们会被捕获或丢失，从而进一步降低效率。

另一个也许是更重要的原因是在电荷分离过程中能量损失，其中束缚电子变成自由载流子，能够传导电流。该关键步骤发生在分子会合的位置，或在OPV中，供体分子将电子转移到受体分子的界面，并且在DSC中，染料分子将电子转移到氧化物纳米颗粒。

因此，OPV和DSC中的电流的产生关键取决于这些有源接口的特性。

详细研究这一点不仅需要强大的计算机，还需要能够大规模模拟量子力学现象的计算机代码。在这种情况下，研究人员使用一种名为FHI的代码，旨在模拟纳米结构功能界面的结构和电子特性。

ALCF助理计算科学家和化学家Alvaro Vazquez-Mayagoitia正在与Marom团队合作，通过现代化FHI目标代码来提高Mira的效率。通过使用OpenMP并行性和利用ELPA(一种用于并行密集线性代数的专用矢量化库)，FHI-targets能够更有效地使用BG / Q硬件。这些增强功能使总计算时间缩短了约30%。

Marom的团队还与ALCF合作，将BG / Q架构的工作流程管理器集成到GAtor代码中，这是一种用于晶体结构预测的遗传算法(GA)。这一发展需要ALCF的许多团队的专业知识，包括催化剂，性能工程和运营团队。现在GAtor可以同时使用超过16,384个节点，并且正在加速在Mira上发现新材料。

结果已经开始增加。

最近的一项基准研究评估了一组24种受体分子的不同电子结构方法(近似用于将量子力学应用于复杂系统)的准确性，这些分子来自通常用于有机电子学的化学家族。根据调查结果，他们生成了量子化学参考数据集，以帮助描述这些太阳能电池功能的关键参数并可靠地预测它们。

该项目的另一部分重点是吸收太阳光的染料分子和帮助电子进入电极的二氧化钛簇之间的纳米结构界面。研究人员发现，通过纳米结构氧化物，它们可以控制氧化物和分子之间的能量差异。

“有这样的想法，你想要的能量差异真的是最佳的，”Marom解释说。“它必须足够大才能充当电荷分离的驱动力，但不能从你的最大电压中大吃一点。因此，接口工程可能是通往更高效的染料敏化太阳能电池的途径。”

这些研究的结果将有助于推进对驱动这些界面处的电荷分离的量子力学的理解，从而提高耐用性和效率。

但对于Marom和她的团队来说，结果不仅仅是有机和混合太阳能电池的发展。它也是关于帮助这些发展取得成功的计算过程。

“我们是理论家，”她说，“因此，整个计算材料科学领域的驱动力一般是科幻小说的梦想，总有一天我们将能够向计算机询问具有目标的材料某些应用的属性。计算机会考虑它，将指令发送到原子装配单元，然后将材料交给我们。“

不可否认，这是一个需要一些时间的过程。虽然迫切需要更好的可再生能源机制，但推动它们的资源仍然稳定。据估计，在未来50亿年的大部分时间里，太阳将继续为我们注入辐射能量。

看来Marom和像她一样的研究人员有一点时间来做对。

ALCF的计算时间是通过DOE的ASCR领导计算挑战(ALCC)计划分配的。