|
任务
我们生活在“能源时代”。当前以化石燃料为基础的经济必须为以可再生能源为基础的未来经济让路，但实现这一目标却是人类面临的最大挑战之一。化学通过发现具备以下特点的新材料来应对该挑战：材料应当可以充分吸收太阳辐射，存储太阳能以供今后使用，并在需要时可以将存储的太阳能转化为其他能量。 “清洁能源项目”使用计算化学，根据人们的意愿，帮助寻找最适用于提供廉价太阳能电池的有机光伏材料和燃料电池发电中所使用的高分子膜的分子，并确定如何才能最好地组合这些分子以制作这些设备。通过帮助组合搜索数以千计的可能系统，World Community Grid 志愿者为实现上述目标做出了贡献。 研究人员采用分子力学和电子结构计算，来预测有可能成下一代太阳能电池材料的分子的光学和传输特性。 a) 第 1 阶段执行分子力学计算：在该项目的第 1 阶段，计算主要集中于了解假定的候选分子块如何形成一个实体（晶体、膜、聚合体...），并预测该实体是否具备可用于太阳能电池的适当电子属性。这些计算在该项目的第 1 阶段中由哈佛大学 Karplus 小组开发的 CHARMM 分子力学软件程序包执行。要了解更多信息，请参阅清洁能源项目 - 第 1 阶段。 b) 第 2 阶段要执行电子结构计算：为了获取候选太阳能材料更准确的光学、电子和其他物理属性，将对每种候选材料进行量子力学计算。这些计算将通过 Q-Chem, Inc. 开发的 Q-Chem 量子化学软件来执行。这项工作将生成有用的数据库，其中包含有关大量化合物属性的信息。此阶段还将直接帮助实验小组设计改进的太阳能电池。 World Community Grid 和哈佛大学化学与化学生物系的研究人员正合作开发使用有机分子材料的高效廉价的太阳能电池，以便能够通过可再生能源满足未来全球的能源需求。
如果当前太阳能电池的成本可以降低到原来的 1/5 到 1/10，那么许多国家或地区就可能使用太阳能电池来供应 20% 的电量。有理由预期，随着行业的发展以及规模经济的实现，制造硅太阳能电池的成本将下降到原来的 1/2 到 1/3，但这对于实现太阳能电池的革命性应用还远远不够。 鉴于对更为廉价的太阳能电池的需求日益增加，在基于碳或有机太阳能电池领域的研究为低成本材料和采用高吞吐量卷轴式镀膜机（类似于印报机）的低成本制造流程的可能性打开了大门。这些主要由碳原子构成的材料可能兼备传统半导体的电子属性以及塑料材料出色的力学和加工属性。 目前有机太阳能电池的能量转化率约为 5%，而在连续照明的情况下使用寿命超过 1000 小时，接近于进入特定环境商用太阳能电池市场所需的值。市面上一些实际的太阳能电池产品包括：手机和笔记本的便携式电池充电器、应急发电机以及户外设备，例如帐篷和背包。尽管如此，要取得更大的市场份额，特别是要满足 2050 年全球的能源需求（请参阅 清洁能源项目 - 第 1 阶段），必须大幅度提高这些光伏产品的使用寿命和效率。例如，要使用这些材料作为未来全球的主要能源，那么转化效率达到 15%、使用寿命不低于 10000 小时是完全合理的要求。
KVA SOFT CITIES 项目进行有机光伏屋顶天蓬试验。MITEI 和葡萄牙政府为此提供支持。
该项目的第 1 阶段采用 CHARMM 软件来预测候选分子块如何组合成一个实体，并了解该实体的属性是否适合作为用于太阳能电池的候选材料。该项目的第 2 阶段使用量子力学计算来更精确地预测这些候选实体是否具备用于制造太阳能电池所需的电子及物理方面的属性。这些电子结构计算将通过 Q-Chem, Inc. 开发的 Q-Chem 量子化学软件来执行。 我们希望该项目能够实现预计的能力，并为实验人员提供洞察力，以使他们能够设计出满足实用设备高标准（在空气中化学性质稳定的材料、与太阳光谱兼容的吸光特性以及高电荷承载传输特征）的新化合物。 最终，依靠 World Community Grid 的支持，哈佛大学的科学家们希望发明一种新材料，以生产高效廉价的太阳能电池，从而为人类未来的能源需求提供一种切实可行的解决方案。 |
