Les matériaux photovoltaïques organiques représentent de grandes promesses pour l’énergie solaire. Le plastique semi-conducteur est léger, souple, relativement peu coûteux et facile à faire. Le problème est que, à la différence des matériaux photovoltaïques inorganiques, il est peu efficace ou stable. Mais le travail d’Adam Willard, professeur adjoint au Département de chimie au MIT, a le potentiel de changer cela.
Adam Willard est un chimiste théoricien qui utilise la modélisation et la simulation pour étudier les systèmes moléculaires. L’objectif de son groupe de recherche est d’explorer et de comprendre les fondements et les conséquences du désordre moléculaire – qui est au cœur du défi posé par les matériaux photovoltaïques organiques.
Alors que les films photovoltaïques organiques peuvent apparaître lisses et homogènes à l’œil nu, ils sont extrêmement désordonnés à l’échelle moléculaire, où ils apparaissent comme un enchevêtrement géant de molécules non alignées. De cet enchevêtrement, il est difficile de comprendre comment les électrons, lorsqu’ils sont excités par des photons, pourraient plus facilement voyager à travers la structure et atteindre une électrode externe. Même comprendre le comportement d’un électron unique est un défi.
« La position et la forme de l’électron excité sont dynamiques et affectés par des changements très subtils dans le mouvement nucléaire », explique Adam Willard. « Vous pouvez imaginer la difficulté de comprendre des millions de mouvements subtils nucléaires et leur impact sur des millions d’électrons. »
Jusqu’à récemment, les chercheurs ont été incapables même de considérer ce genre de problème.
« Les ordinateurs sont devenus tellement rapides et efficaces que nous pouvons explorer toute une classe de problèmes de calcul que nous ne pouvions même pas toucher il y a 50 ans», assure Adam Willard. «Pendant des années, la solution à de nombreux problèmes théoriques chimiques devait être trouvée analytiquement par le crayon et du papier, ce qui signifie que de nombreuses approximations ont dû être apportées afin de rendre la solution analytique traitable. Maintenant, la technologie peut faire les démarches. Nous sommes en mesure d’explorer les conséquences moléculaires des approximations qui ont été faites et qui ont été montrées dans les manuels scolaires, et aborder où certaines de ces approximations ne fonctionnent pas ou ne parviennent pas à prédire le comportement « .
Adam Willard utilise des ordinateurs disponibles pour les professeurs du MIT au Massachusetts Green High Performance Center (MGHPCC). Le MGHPCC fournit une infrastructure informatique de classe mondiale, indispensable dans les environnements de plus en plus riches en données et en capteurs, de la science moderne et de la découverte en ingénierie.
Même avec les ordinateurs de haute performance d’aujourd’hui, la modélisation du comportement des électrons excités sur une seule grande molécule est proche de la limite de ce qui est actuellement faisable, et des ensembles de centaines de molécules sont hors de portée. Pour contourner cette limite, Adam Willard adopte une approche multi-niveau, simulant le comportement des électrons excités dans des molécules individuelles, puis en appliquant ce qu’il a appris à des modèles constitués de nombreuses molécules simplifiées.
Cela transforme le problème d’une molécule qui nécessite un puissant calcul prohibitif à une molécule qui exige de nombreux calculs relativement simples. Cette dernière peut être distribuée sur des plates-formes qui contiennent de nombreux processeurs individuels.
« Comprendre comment les électrons font leur chemin à l’intérieur profond d’un matériau photovoltaïque vers à l’endroit où ils peuvent être collectés et utilisés pour alimenter nos ventilateurs fans et nos ampoules, est un problème difficile, mais qui doit être abordé pour ce matériau afin que cela puisse arriver dans le monde réel et être utile à l’échelle mondiale « , conclut Adam Willard.
http://news.mit.edu/2015/solar-excitement-modeling-electron-excitation-1001
