Font: sciencedaily.com
En la carrera en curs per desenvolupar materials i configuracions cada cop millors per a cèl·lules solars, hi ha moltes variables que es poden ajustar per intentar millorar el rendiment, com ara el tipus de material, el gruix i la disposició geomètrica. El desenvolupament de noves cèl·lules solars ha estat generalment un procés tediós de fer petits canvis en un d'aquests paràmetres alhora. Tot i que els simuladors computacionals han permès avaluar aquests canvis sense haver de construir cada nova variació per a la prova, el procés continua sent lent.
Ara, els investigadors del MIT i Google Brain han desenvolupat un sistema que permet no només avaluar un disseny proposat alhora, sinó proporcionar informació sobre quins canvis aportaran les millores desitjades. Això podria augmentar molt la taxa de descoberta de configuracions noves i millorades.
El nou sistema, anomenat simulador de cèl·lules solars diferenciables, es descriu en un article publicat a la revista Computer Physics Communications, escrit pel junior del MIT Sean Mann, el científic investigador Giuseppe Romano de l'Institut de nanotecnologies del soldat del MIT', i quatre altres al MIT i a Google Brain.
Els simuladors de cèl·lules solars tradicionals, explica Romano, prenen els detalls d'una configuració de cèl·lules solars i produeixen com a sortida una eficiència prevista, és a dir, quin percentatge de l'energia de la llum solar entrant es converteix realment en corrent elèctric. Però aquest nou simulador prediu l'eficiència i mostra fins a quin punt aquesta sortida es veu afectada per qualsevol dels paràmetres d'entrada."T'explica directament què passa amb l'eficiència si fem aquesta capa una mica més gruixuda, o què passa amb l'eficiència si per exemple canviem la propietat del material," ell diu.
En resum, diu,"no vam descobrir'un dispositiu nou, però hem desenvolupat una eina que permetrà als altres descobrir més ràpidament altres dispositius de més rendiment." Amb aquest sistema,&estem disminuint el nombre de vegades que necessitem executar un simulador per donar accés més ràpid a un espai més ampli d'estructures optimitzades." A més, diu, &, la nostra eina pot identificar un conjunt únic de paràmetres de material que s'ha amagat fins ara perquè' és molt complex executar aquestes simulacions."
Si bé els enfocaments tradicionals utilitzen essencialment una cerca aleatòria de possibles variacions, diu Mann, amb la seva eina &, podem seguir una trajectòria de canvi perquè el simulador us indica quina direcció voleu canviar el vostre dispositiu. Això fa que el procés sigui molt més ràpid perquè en comptes d'explorar tot l'espai d'oportunitats, només podeu seguir un sol camí" que condueix directament a una millora del rendiment.
Com que les cèl·lules solars avançades sovint es componen de múltiples capes entrellaçades amb materials conductors per transportar càrrega elèctrica d'una a l'altra, aquesta eina computacional revela com canviar els gruixos relatius d'aquestes diferents capes afectarà la sortida del dispositiu'."Això és molt important perquè el gruix és crític. Hi ha una forta interacció entre la propagació de la llum i el gruix de cada capa i l'absorció de cada capa," En Mann explica.
Altres variables que es poden avaluar inclouen la quantitat de dopatge (la introducció d'àtoms d'un altre element) que rep cada capa, o la constant dielèctrica de les capes aïllants, o el bandgap, una mesura dels nivells d'energia dels fotons de llum que poden ser capturat pels diferents materials utilitzats en les capes.
Aquest simulador ja està disponible com a eina de codi obert que es pot utilitzar immediatament per ajudar a guiar la investigació en aquest camp, diu Romano."Està llest i els experts del sector poden assumir-lo." Per fer-ne ús, els investigadors combinarien els càlculs d'aquest dispositiu' amb un algorisme d'optimització, o fins i tot un sistema d'aprenentatge automàtic, per avaluar ràpidament una gran varietat de possibles canvis i trobar ràpidament les alternatives més prometedores.
En aquest punt, el simulador es basa només en una versió unidimensional de la cèl·lula solar, de manera que el següent pas serà ampliar les seves capacitats per incloure configuracions bidimensionals i tridimensionals. Però fins i tot aquesta versió 1D"pot cobrir la majoria de cèl·lules que estan actualment en producció," diu Romano. Algunes variacions, com les anomenades cèl·lules en tàndem que utilitzen diferents materials, encara no es poden simular directament amb aquesta eina, però"hi ha maneres d'aproximar una cèl·lula solar en tàndem simulant cadascuna de les cèl·lules individuals," ; diu en Mann.
El simulador és"extrem a extrem," Diu Romano, és a dir, calcula la sensibilitat de l'eficiència, tenint també en compte l'absorció de la llum. Afegeix:"Una direcció futura atractiva és la composició del nostre simulador amb simuladors de propagació de la llum diferenciables existents avançats, per aconseguir una precisió millorada."
Avançant, diu Romano, com que es tracta d'un codi de codi obert,"això vol dir que una vegada'és allà dalt, la comunitat hi pot contribuir. I per això'estem molt emocionats." Tot i que aquest grup de recerca és"només un grapat de persones," diu, ara qualsevol persona que treballi en el camp pot fer les seves pròpies millores i millores al codi i introduir noves capacitats.
& quot;La física diferencial proporcionarà noves capacitats per a les simulacions de sistemes d'enginyeria," diu Venkat Viswanathan, professor associat d'enginyeria mecànica a la Universitat Carnegie Mellon, que no estava associat amb aquest treball."El simulador de cèl·lules solars diferenciables és un exemple increïble de la física diferenciable, que ara pot proporcionar noves capacitats per optimitzar el rendiment del dispositiu de cèl·lules solars," diu, qualificant l'estudi&d'un pas endavant emocionant."
A més de Mann i Romano, l'equip incloïa Eric Fadel i Steven Johnson al MIT, i Samuel Schoenholz i Ekin Cubuk a Google Brain. El treball va comptar amb el suport d'Eni SpA i el MIT Energy Initiative i el MIT Quest for Intelligence.
