Sursa:sciencedaily.com
În cursa continuă de a dezvolta materiale și configurații din ce în ce mai bune pentru celulele solare, există multe variabile care pot fi ajustate pentru a încerca să îmbunătățească performanța, inclusiv tipul materialului, grosimea și aranjamentul geometric. Dezvoltarea de noi celule solare a fost, în general, un proces obositor de a face mici modificări la unul dintre acești parametri la un moment dat. În timp ce simulatoarele de calcul au făcut posibilă evaluarea unor astfel de modificări fără a fi nevoie să construiască efectiv fiecare nouă variație pentru testare, procesul rămâne lent.
Acum, cercetătorii de la MIT și Google Brain au dezvoltat un sistem care face posibilă nu doar evaluarea unui design propus la un moment dat, ci și furnizarea de informații despre modificările care vor aduce îmbunătățirile dorite. Acest lucru ar putea crește foarte mult rata de descoperire a unor configurații noi, îmbunătățite.
Noul sistem, numit simulator de celule solare diferențiabile, este descris într-o lucrare publicată în revista Computer Physics Communications, scrisă de juniorul MIT Sean Mann, cercetătorul Giuseppe Romano de la Institutul pentru Nanotehnologii Soldaților MIT' și patru alții la MIT și la Google Brain.
Simulatoarele tradiționale de celule solare, explică Romano, iau detaliile unei configurații de celule solare și produc ca rezultat o eficiență estimată - adică ce procent din energia luminii solare care intră este convertită de fapt într-un curent electric. Dar acest nou simulator prezice eficiența și arată cât de mult este afectată acea ieșire de oricare dintre parametrii de intrare."Îți spune direct ce se întâmplă cu eficiența dacă facem acest strat puțin mai gros, sau ce se întâmplă cu eficiența dacă de exemplu schimbăm proprietatea materialului," el spune.
Pe scurt, spune el,"nu am descoperit'un dispozitiv nou, dar am dezvoltat un instrument care le va permite altora să descopere mai repede alte dispozitive de performanță mai înaltă." Folosind acest sistem,&a spus că scădem numărul de ori de care avem nevoie să rulăm un simulator pentru a oferi acces mai rapid la un spațiu mai larg de structuri optimizate." În plus, spune el, &, instrumentul nostru poate identifica un set unic de parametri de material care a fost ascuns până acum, deoarece'este foarte complex să rulezi acele simulări."
În timp ce abordările tradiționale folosesc în esență o căutare aleatorie a posibilelor variații, spune Mann, cu instrumentul său &, putem urmări o traiectorie a schimbării, deoarece simulatorul vă spune în ce direcție doriți să vă schimbați dispozitivul. Acest lucru face procesul mult mai rapid pentru că în loc să explorezi întregul spațiu de oportunități, poți doar să urmezi o singură cale" care duce direct la o performanță îmbunătățită.
Deoarece celulele solare avansate sunt adesea compuse din mai multe straturi întrețesute cu materiale conductoare pentru a transporta sarcina electrică de la unul la altul, acest instrument de calcul dezvăluie modul în care modificarea grosimilor relative ale acestor straturi diferite va afecta ieșirea dispozitivului'."Acest lucru este foarte important deoarece grosimea este critică. Există o interacțiune puternică între propagarea luminii și grosimea fiecărui strat și absorbția fiecărui strat," explică Mann.
Alte variabile care pot fi evaluate includ cantitatea de dopaj (introducerea atomilor altui element) pe care o primește fiecare strat sau constanta dielectrică a straturilor izolatoare sau bandgap-ul, o măsură a nivelurilor de energie ale fotonilor de lumină care pot fi captate de diferite materiale utilizate în straturi.
Acest simulator este acum disponibil ca instrument open-source care poate fi folosit imediat pentru a ajuta la ghidarea cercetării în acest domeniu, spune Romano."Este gata și poate fi preluat de experții din industrie." Pentru a-l folosi, cercetătorii ar combina calculele acestui dispozitiv' cu un algoritm de optimizare, sau chiar cu un sistem de învățare automată, pentru a evalua rapid o mare varietate de modificări posibile și pentru a ajunge rapid la cele mai promițătoare alternative.
În acest moment, simulatorul se bazează doar pe o versiune unidimensională a celulei solare, așa că următorul pas va fi extinderea capacităților sale pentru a include configurații bidimensionale și tridimensionale. Dar chiar și această versiune 1D"poate acoperi majoritatea celulelor care sunt în prezent în producție," spune Romano. Anumite variații, cum ar fi așa-numitele celule tandem care folosesc diferite materiale, nu pot fi încă simulate direct de acest instrument, dar"există modalități de aproximare a unei celule solare tandem prin simularea fiecărei celule individuale," ; spune Mann.
Simulatorul este"end-to-end," spune Romano, adică calculează sensibilitatea eficienței, ținând cont și de absorbția luminii. El adaugă:"O direcție viitoare atrăgătoare este alcătuirea simulatorului nostru cu simulatoare avansate de propagare a luminii diferențiabile existente, pentru a obține o precizie îmbunătățită."
Mergând mai departe, spune Romano, pentru că acesta este un cod open-source,&înseamnă că, odată ce'este acolo sus, comunitatea poate contribui la el. Și de aceea&suntem cu adevărat încântați." Deși acest grup de cercetare este"doar o mână de oameni," spune el, acum oricine lucrează în domeniu poate face propriile îmbunătățiri și îmbunătățiri la cod și poate introduce noi capabilități.
& quot;Fizica diferențiabilă va oferi noi capabilități pentru simulările sistemelor proiectate," spune Venkat Viswanathan, profesor asociat de inginerie mecanică la Universitatea Carnegie Mellon, care nu a fost asociat cu această lucrare."Simulatorul de celule solare diferențiabile este un exemplu incredibil de fizică diferențiabilă, care poate oferi acum noi capabilități de optimizare a performanței dispozitivului de celule solare," spune el, numind studiul"un pas interesant înainte."
Pe lângă Mann și Romano, echipa a inclus Eric Fadel și Steven Johnson de la MIT și Samuel Schoenholz și Ekin Cubuk de la Google Brain. Lucrarea a fost susținută parțial de Eni SpA și de MIT Energy Initiative și de MIT Quest for Intelligence.
