写的AZoM2021年6月10
今天，太阳能为美国提供了2%的电力。然而，到2050年，可再生能源预计将成为使用最多的能源(超过石油和其他液体、天然气和煤炭)，太阳能将取代风能成为主要的可再生能源。
为了达到这一目标，并使太阳能更便宜，太阳能技术还需要一些突破。一是能够更有效地将太阳光中的光子转化为可用的能量。
有机光伏的最高效率为15%到20%，这是一个可观的数字，但对太阳能的潜力来说是一个限制。里海大学的工程师Ganesh Balasubramanian，像许多其他人一样，想知道是否有办法改进太阳能电池的设计，使他们更有效率
Balasubramanian,机械工程的副教授和力学,研究材料的基本物理太阳能能量转换的核心——有机聚合物通过电子从分子分子所以他们可以存储和利用,以及制造过程生产商用太阳能电池。欧洲杯足球竞彩
OPV体异质结结构体系结构及设计范围。[资料来源:Ganesh Balasubramanian, Joydeep Munshi，里海大学]
使用Frontera超级计算机在得克萨斯高级计算中心(TACC)——一个世界上最强大的Balasubramanian和他的研究生Joydeep Munshi一直是分子有机太阳能电池生产过程的模型,并设计一个框架来确定最优工程的选择。他们描述了计算的努力和相关的发现IEEE计算机科学与工程杂志五月号欧洲杯线上买球．
“当工程师制造太阳能电池时，他们将两种有机分子混合在溶剂中，然后蒸发溶剂，产生一种有助于激子转换和电子传递的混合物。”Balasubramanian说。“我们模拟了这些电池是如何产生的，特别是体异质结——太阳能电池的吸收层。基本上，我们试图了解结构变化如何与太阳能转换效率相关——”
Balasubramanian使用了他所谓的“基于物理的机器学习”。他的研究结合了粗粒度模拟——使用近似的分子模型来代表有机材料——和机器学习。欧洲杯足球竞彩巴拉萨布拉曼尼亚认为，这种结合有助于防止人工智能想出不切实际的解决方案。
“很多研究都在原始数据上使用机器学习，”Balasubramanian说。“但人们对使用受过物理教育的机器学习越来越感兴趣。我认为这是最大的好处所在。机器学习本身就是数学。这里面并没有太多的物理知识。”
写在计算材料科学欧洲杯足球竞彩欧洲杯线上买球在2021年2月，Balasubramanian和Munshi以及Wei Chen(西北大学)和TeYu Chien(怀俄明大学)描述了在Frontera上进行的一系列虚拟实验的结果，这些实验测试了各种设计更改的影响。其中包括改变本体异质结中供体和受体分子的比例，以及退火的温度和时间——一个有助于产品稳定性的冷却和硬化过程。
他们利用这些数据训练了一类被称为支持向量机(support vector machines)的机器学习算法，以识别材料和生产过程中的参数，这些参数将产生最大的能量转换效率，同时保持结构强度和稳定性。欧洲杯足球竞彩将这些方法结合在一起，Balasubramanian的团队能够将达到最佳流程所需的时间减少40%。
“说到底，分子动力学就是物理引擎。这就是基本物理，“他说。”机器学习着眼于数字和模式，而进化算法有助于模拟。”
权衡和局限性
就像许多工业过程一样，在调整制造过程的任何方面都需要权衡利弊。例如，更快的冷却可能有助于提高功率效率，但也可能使材料变脆，容易断裂。Balasubramanian和他的团队采用了一种多目标优化算法，该算法平衡了每个变化的优缺点，从而得出整体的最优制造过程。
描述典型耦合布谷鸟搜索-粗粒度分子动力学(CS-CGMD)算法步骤的流程图。虚线框表示在每次CS优化生成过程中，增强机器学习探索感兴趣的区域，以更新的备选方案补充性能不佳的巢。[资料来源:Ganesh Balasubramanian, Joydeep Munshi，里海大学]
“当你试图优化一个特定的变量时，你是线性地看待问题的，”他说。“但大多数的努力都有多管齐下的挑战，你要同时解决这些挑战。为了得到正确的设计，你需要做出权衡，必须获取协同角色。”
Balasubramanian的模拟与实验结果相符。他们确定异质结的组成和退火温度/时间对整体效率有最大的影响。他们还发现了异质结中材料的比例对效率最有利。欧洲杯足球竞彩
“在文献中有一些特定的条件，人们声称这些条件是那些选择分子和处理行为的效率的最佳条件，”他说。“我们的模拟能够验证这些，并表明其他可能的标准不能给你相同的性能。我们能够从虚拟世界中了解真相。”
由于在2021-22年度获得了在Frontera上投入更多时间的奖励，Balasubramanian将为机器学习系统添加更多层，使其更加健壮。他计划添加实验数据，以及其他计算机模型的形式，如电子结构计算。
“数据的异质性将改善结果，”他说。“我们计划首先对材料进行原理模拟，然后将数据输入机器学习模型，以及来自粗粒度模拟的数据。”欧洲杯足球竞彩
Balasubramanian认为，目前的有机光伏可能已经达到其效率的极限。“有一堵很难穿透的墙，那就是材料，”他说。“我们使用的这些分子只能到此为止。接下来要尝试的是将我们的框架用于其他分子和先进材料。”欧洲杯足球竞彩
他的团队挖掘文献以了解提高太阳能效率的特征，然后训练机器学习模型来识别具有理想电荷传输行为的潜在新分子。他们发表了他们的研究化学信息与建模学报．Frontera未来的工作将使用Balasubramanian的框架来探索和计算测试这些替代材料，假设它们可以被生产出来。欧洲杯足球竞彩
“一旦确定了，我们就可以把实验室里制造的真实分子放入我们创建的框架中，”他说。“如果我们发现性能良好的新材料，它将降低欧洲杯足球竞彩太阳能发电设备的成本，并帮助地球母亲。”
他说，Balasubramanian的研究利用了计算机模拟的两个关键因素。“一个是理解我们无法用现实世界的工具来研究的科学。欧洲杯线上买球另一个是加快科学——简化我们真正必须做的事情，这减少了我们制造东西欧洲杯线上买球和实际测试它们的成本和时间。”
来源:https://www.tacc.utexas.edu/