麻省理工学院的科学家们相信建立有机光伏材料中电子激发的模型可以改变太阳能的未来。

半导电塑料重量轻、有柔性、相对便宜，并且容易制备。问题是，不同于无机光伏材料，它不是非常有效或稳定的。但麻省理工学院化学系助理教授Adam Willard的工作具有改变这个问题的潜力。

Willard是一个使用建模和仿真研究分子体系的理论化学家。他的研究小组的目标是探索和了解分子紊乱的基本原理和后果 - 这是有机光伏材料形成的挑战的核心。

虽然有机光伏薄膜在肉眼看来貌似是光滑和均匀的，但它们在分子尺度上是非常无序的，在那里它们表现为未对齐分子的巨型混乱状态。这种纠缠使得人们难以了解当光子被激发时，电子如何能更容易地穿过该结构并到达外部电极。理解单个电子的行为也是一个挑战。

 “激发电子的位置和形状是动态的，并受核运动的微妙变化的影响，” Willard解释。 “你可以想象理解上百万的微妙核运动及其对数百万电子的影响是多么困难。”

直到最近，研究人员甚至还是不能设想这种问题。

 “计算机已经变得如此快速和高效，以至于我们可以探索50年前不能碰触的这类问题，” Willard说。 “多年来，许多理论化学问题的解决方法必须通过纸笔来发现，这意味着不得不做许多近似，以使解决方法更易于处理。现在，这项技术可以做数据的处理。我们能够探索一直进行的和教科书揭露的近似值造成的分子影响，并解决一些近似值的失败或无法预测的行为。”

Willard利用了马萨诸塞州绿色高性能中心（MGHPCC）对麻省理工学院教员开放使用的电脑。MGHPCC提供了世界级的计算基础设施，在传感器和数据丰富的现代科学与工程发现环境中是不可或缺的。

即使使用当今的高性能计算机，在一个大分子上建立激发电子行为的模型也接近目前可行的限制，数百分子的组合更是遥不可及。为了解决这个限制，Willard正在采取一种多层次的方法，模拟单个分子中激发电子的行为，然后将他学到的东西用于包含许多简单分子的模型。这就将一个只需要超大计算的问题转化成一个需要许多相对简单的计算机的问题。后者可以分布在包含许多单独处理器的平台上。

 “了解电子是如何从光伏材料内深处移动到他们可以被收集的地方，并用于给我们的电扇和灯泡供电，这是一个具有挑战性的问题，是使这种材料能在全球范围内是有用需要解决的一个问题，”Willard说。

新材料在线编译整理——翻译：王晶晶      校正：摩天轮