Kilde: sciencedaily.com
I det pågående kappløpet om å utvikle stadig bedre materialer og konfigurasjoner for solceller, er det mange variabler som kan justeres for å prøve å forbedre ytelsen, inkludert materialtype, tykkelse og geometrisk arrangement. Å utvikle nye solceller har generelt vært en kjedelig prosess med å gjøre små endringer i en av disse parameterne om gangen. Mens beregningssimulatorer har gjort det mulig å evaluere slike endringer uten å måtte bygge hver ny variant for testing, forblir prosessen sakte.
Nå har forskere ved MIT og Google Brain utviklet et system som gjør det mulig ikke bare å vurdere ett foreslått design om gangen, men å gi informasjon om hvilke endringer som vil gi de ønskede forbedringene. Dette kan øke hastigheten for oppdagelsen av nye, forbedrede konfigurasjoner betraktelig.
Det nye systemet, kalt en differensierbar solcellesimulator, er beskrevet i en artikkel publisert i tidsskriftet Computer Physics Communications, skrevet av MIT junior Sean Mann, forsker Giuseppe Romano fra MIT's Institute for Soldier Nanotechnologies, og fire andre ved MIT og hos Google Brain.
Tradisjonelle solcellesimulatorer, forklarer Romano, tar detaljene i en solcellekonfigurasjon og produserer som utgang en forutsagt effektivitet - det vil si hvor mange prosent av energien til innkommende sollys som faktisk blir omdannet til en elektrisk strøm. Men denne nye simulatoren både forutsier effektiviteten og viser hvor mye den utgangen påvirkes av en av inngangsparametrene."Det forteller deg direkte hva som skjer med effektiviteten hvis vi gjør dette laget litt tykkere, eller hva som skjer med effektiviteten hvis vi for eksempel endrer egenskapen til materialet," han sier.
Kort sagt, sier han,"vi oppdaget'ikke en ny enhet, men vi utviklet et verktøy som vil gjøre det mulig for andre å oppdage raskere andre enheter med høyere ytelse." Ved å bruke dette systemet," reduserer vi antallet ganger vi trenger å kjøre en simulator for å gi raskere tilgang til et bredere rom med optimaliserte strukturer." I tillegg, sier han,"verktøyet vårt kan identifisere et unikt sett med materialparametere som har vært skjult så langt fordi det'er veldig komplisert å kjøre disse simuleringene."
Mens tradisjonelle tilnærminger i hovedsak bruker et tilfeldig søk av mulige variasjoner, sier Mann, med sitt verktøy"vi kan følge en endringsbane fordi simulatoren forteller deg hvilken retning du vil endre enheten din. Det gjør prosessen mye raskere fordi i stedet for å utforske hele mulighetene, kan du bare følge en enkelt vei" som fører direkte til forbedret ytelse.
Siden avanserte solceller ofte er sammensatt av flere lag sammenflettet med ledende materialer for å bære elektrisk ladning fra det ene til det andre, avslører dette beregningsverktøyet hvordan endring av de relative tykkelsene til disse forskjellige lagene vil påvirke enhetens's utgang."Dette er veldig viktig fordi tykkelsen er kritisk. Det er et sterkt samspill mellom lysutbredelse og tykkelsen på hvert lag og absorpsjonen av hvert lag," Mann forklarer.
Andre variabler som kan evalueres inkluderer mengden doping (innføring av atomer av et annet grunnstoff) som hvert lag mottar, eller dielektrisitetskonstanten til isolerende lag, eller båndgapet, et mål på energinivåene til fotoner av lys som kan være fanget opp av forskjellige materialer som brukes i lagene.
Denne simulatoren er nå tilgjengelig som et åpen kildekodeverktøy som kan brukes umiddelbart for å veilede forskning på dette feltet, sier Romano."Den er klar og kan tas opp av bransjeeksperter." For å gjøre bruk av det, ville forskere koblet denne enhetens's beregninger med en optimaliseringsalgoritme, eller til og med et maskinlæringssystem, for raskt å vurdere en lang rekke mulige endringer og raskt finne de mest lovende alternativene.
På dette tidspunktet er simulatoren basert på kun en endimensjonal versjon av solcellen, så neste trinn vil være å utvide mulighetene til å inkludere to- og tredimensjonale konfigurasjoner. Men selv denne 1D-versjonen"kan dekke flertallet av cellene som for øyeblikket er under produksjon," sier Romano. Visse variasjoner, for eksempel såkalte tandemceller som bruker forskjellige materialer, kan ennå ikke simuleres direkte med dette verktøyet, men"det er måter å tilnærme en tandemsolcelle ved å simulere hver av de individuelle cellene," ; Mann sier.
Simulatoren er"ende-til-ende," Romano sier, noe som betyr at den beregner følsomheten til effektiviteten, og tar også hensyn til lysabsorpsjon. Han legger til:"En tiltalende fremtidig retning er å komponere simulatoren vår med avanserte eksisterende differensierbare lys-forplantningssimulatorer, for å oppnå økt nøyaktighet."
Fremover, sier Romano, fordi dette er en åpen kildekode,"det betyr at når den'er der oppe, kan fellesskapet bidra til det. Og det'er grunnen til at vi er veldig spente." Selv om denne forskergruppen er"bare en håndfull mennesker," sier han, nå kan alle som jobber i felten gjøre sine egne forbedringer og forbedringer av koden og introdusere nye funksjoner.
& quot;Differensierbar fysikk kommer til å gi nye muligheter for simuleringer av konstruerte systemer," sier Venkat Viswanathan, en førsteamanuensis i maskinteknikk ved Carnegie Mellon University, som ikke var assosiert med dette arbeidet."Den differensierbare solcellesimulatoren er et utrolig eksempel på differensierbar fysikk, som nå kan gi nye muligheter for å optimere ytelsen til solcelleenheter," sier han og kaller studien"et spennende skritt fremover."
I tillegg til Mann og Romano inkluderte teamet Eric Fadel og Steven Johnson ved MIT, og Samuel Schoenholz og Ekin Cubuk ved Google Brain. Arbeidet ble delvis støttet av Eni SpA og MIT Energy Initiative, og MIT Quest for Intelligence.
