Hawk 超级计算机提高太阳能电池效率

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帕德博恩大学研究人员利用 Hawk 超级计算机并利用缺陷来提高太阳能电池效率

太阳能是最有前途、最广泛采用的可再生能源之一，但提高将光转化为电能的太阳能电池的效率仍然是一个挑战。 科学家们向斯图加特高性能计算中心寻求帮助，以了解系统中的战略性设计缺陷如何能够实现更高效的能源转换。

自世纪之交以来，德国在太阳能生产方面取得了重大进展。 2000 年，该国太阳能发电量不足 1%，但到 2022 年，这一数字已上升至约 11%。 对房主的丰厚补贴和降低太阳能电池板成本的技术进步相结合，推动了这一增长。

由于全球冲突导致石油和天然气市场的可靠性降低，太阳能将在帮助满足德国未来几年的能源需求方面发挥更大的作用。 尽管太阳能技术在过去 25 年里取得了长足的进步，但当代太阳能电池板中的太阳能电池的平均运行效率仍然仅为 22% 左右。

为了提高太阳能电池效率，帕德博恩大学 Wolf Gero Schmidt 教授领导的研究小组一直在使用斯图加特高性能计算中心 (HLRS) 的高性能计算 (HPC) 资源来研究这些细胞将光转化为电。 最近，该团队一直在使用 HLRS 的 Hawk 超级计算机来确定如何设计太阳能电池中的某些战略杂质来提高性能。

“我们对此的动机有两个：在我们位于帕德博恩的研究所，我们已经花了相当长的时间研究一种从微观上描述光激发材料动力学的方法，并且我们在近年来，”施密特说。 “但最近，我们收到了柏林亥姆霍兹中心合作者的一个问题，他们要求我们帮助他们从根本上了解这些细胞是如何工作的，所以我们决定使用我们的方法，看看我们能做什么。”

最近，该团队使用 Hawk 来模拟激子（光学射出电子及其留下的电子“空穴”的配对）如何在太阳能电池内控制和移动，从而捕获更多能量。 在研究中，该团队有了一个令人惊讶的发现：他们发现，系统中策略性引入的某些缺陷会改善而不是阻碍激子转移。 该团队将其结果发表于 物理评论快报。

设计太阳能电池以实现更高效的能量转换

大多数太阳能电池，就像许多现代电子产品一样，主要由硅制成。 就质量而言，它是地球上第二丰富的化学元素，仅次于氧。 整个地球约 15% 的面积由硅组成，其中包括地壳的 25.8%。 因此，气候友好型能源生产的基本材料非常丰富，几乎随处可用。

然而，这种材料在捕获太阳辐射并将其转化为电能方面确实存在某些缺点。 在传统的硅基太阳能电池中，称为光子的光粒子将其能量转移到太阳能电池中的可用电子。 然后，电池利用这些激发的电子来产生电流。

问题？ 高能光子提供的能量远多于硅转化为电能的能量。 例如，紫光光子具有大约 3 电子伏 (eV) 的能量，但硅只能将大约 1.1 eV 的能量转化为电能。 其余的能量以热量的形式损失掉，这既错失了捕获额外能量的机会，又降低了太阳能电池的性能和耐用性。

近年来，科学家们开始寻找改变路线或以其他方式捕获部分多余能量的方法。 虽然正在研究几种方法，但施密特的团队重点关注使用分子薄层并四苯（另一种有机半导体材料）作为太阳能电池的顶层。

与硅不同，当并四苯接收高能光子时，它会在称为单线态裂变的过程中将产生的激子分裂成两个较低能量的激发。 通过在并四苯和硅之间放置精心设计的界面层，产生的低能激子可以从并四苯转移到硅中，其中大部分能量可以转化为电能。

实用性不完美

无论是使用并四苯还是其他材料来增强传统太阳能电池，研究人员都致力于尝试设计太阳能电池组成部分之间的完美界面，为激子转移提供最佳的条件。

施密特和他的团队使用 从一开始就 分子动力学 (AIMD) 模拟可研究粒子如何在太阳能电池内相互作用和移动。 通过使用 Hawk，该团队能够进行计算量大的计算，以观察数百个原子及其电子如何相互作用。 该团队使用 AIMD 模拟以飞秒间隔推进时间，以了解电子如何与系统中的电子空穴和其他原子相互作用。 与其他研究人员一样，该团队试图利用其计算方法来识别系统中的缺陷，并寻找改进方法。

在寻找完美的界面时，他们发现了一个惊喜：不完美的界面可能更适合激子传输。 在原子系统中，未完全饱和的原子（即它们未完全与其他原子键合）具有所谓的“悬空键”。 研究人员通常认为悬挂键会导致电子界面效率低下，但在 AIMD 模拟中，研究小组发现硅悬挂键实际上促进了界面上额外的激子转移。

“缺陷总是意味着系统中存在一些不需要的东西，但在我们的案例中事实并非如此，”帕德博恩大学教授兼该项目合作者 Uwe Gerstmann 教授说。 “在半导体物理学中，我们已经战略性地使用了我们称为施主或受主的缺陷，这有助于我们构建二极管和晶体管。 因此，从战略上讲，缺陷肯定可以帮助我们开发新技术。”

帕德博恩大学博士后研究员、该团队论文的主要作者 Marvin Krenz 博士指出，与太阳能电池研究的现状相比，该团队的研究结果存在矛盾。 “对我们来说，有趣的一点是，当前的研究方向是设计更加完美的界面，并不惜一切代价消除缺陷。 “我们的论文可能会引起更大的研究界的兴趣，因为它指出了设计这些系统时的不同方法，”他说。

有了这一新的见解，该团队现在计划利用其未来的计算能力来设计可以说是完美不完美的界面。 该团队知道硅悬键可以帮助促进这种激子转移，因此希望使用 AIMD 可靠地设计一个具有改进的激子转移的界面。 对于团队来说，目标不是一夜之间设计出完美的太阳能电池，而是继续让后代的太阳能技术变得更好。

“我相信，随着时间的推移，我们将继续逐步提高太阳能电池的效率，”施密特说。 “在过去的几十年里，我们看到各种太阳能电池架构的效率平均每年提高约 1%。 我们在这里开展的工作表明，未来预计会进一步增加。 原则上，通过持续利用单线态裂变，效率可以提高 1.4 倍。”

-埃里克纪念馆

相关出版物： Krenz, M.、U. Gerstmann 和 WG Schmidt。“通过并四苯-Si(111):H 界面的缺陷辅助激子转移” 物理评论快报 132（2024）。 DOI:10.1103/PhysRevLett.132.076201

Hawk 的资金由巴登-符腾堡州科学、研究和艺术部以及德国联邦教育和研究部通过高斯超级计算中心 (GCS) 提供。

致谢 高斯超级计算中心

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2024-03-09 01:56:26
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