Izvor:sciencedaily.com
U tekućoj trci za razvojem sve boljih materijala i konfiguracija za solarne ćelije, postoje mnoge varijable koje se mogu prilagoditi kako bi se poboljšale performanse, uključujući vrstu materijala, debljinu i geometrijski raspored. Razvoj novih solarnih ćelija je općenito bio dosadan proces unošenja malih promjena u jedan od ovih parametara u isto vrijeme. Dok su računarski simulatori omogućili procjenu takvih promjena bez potrebe za stvarnom izradom svake nove varijacije za testiranje, proces ostaje spor.
Sada su istraživači sa MIT-a i Google Brain-a razvili sistem koji omogućava ne samo procjenu jednog po jednog predloženog dizajna, već i pružanje informacija o tome koje promjene će pružiti željena poboljšanja. Ovo bi moglo uvelike povećati stopu za otkrivanje novih, poboljšanih konfiguracija.
Novi sistem, nazvan simulatorom solarnih ćelija, opisan je u radu objavljenom u časopisu Computer Physics Communications, koji su napisali mlađi MIT Sean Mann, istraživač Giuseppe Romano sa MIT-a's Instituta za vojničke nanotehnologije, i četiri drugi na MIT-u i u Google Brain-u.
Tradicionalni simulatori solarnih ćelija, objašnjava Romano, uzimaju detalje konfiguracije solarnih ćelija i kao svoj izlaz proizvode predviđenu efikasnost – to jest, koji se postotak energije dolazne sunčeve svjetlosti zapravo pretvara u električnu struju. Ali ovaj novi simulator istovremeno predviđa efikasnost i pokazuje koliko na taj izlaz utiče bilo koji od ulaznih parametara."To vam direktno govori šta se dešava sa efikasnošću ako ovaj sloj učinimo malo debljim, ili šta se dešava sa efikasnošću ako na primer promenimo svojstva materijala," On kaže.
Ukratko, kaže on,"nismo'otkrili novi uređaj, ali smo razvili alat koji će omogućiti drugima da brže otkriju druge uređaje viših performansi." Koristeći ovaj sistem,"smanjujemo broj puta koji nam je potreban da pokrenemo simulator da bismo dali brži pristup širem prostoru optimiziranih struktura." Osim toga, kaže on,&"naš alat može identificirati jedinstveni skup parametara materijala koji je do sada bio skriven jer je' vrlo složeno za pokretanje tih simulacija."
Dok tradicionalni pristupi u suštini koriste nasumično pretraživanje mogućih varijacija, Mann kaže, sa svojim alatom"možemo pratiti putanju promjene jer vam simulator govori u kojem smjeru želite da promijenite svoj uređaj. To čini proces mnogo bržim jer umjesto da istražujete čitav prostor mogućnosti, možete samo slijediti jedan put" što direktno vodi ka poboljšanju performansi.
Budući da se napredne solarne ćelije često sastoje od više slojeva isprepletenih provodljivim materijalima za prenos električnog naboja od jednog do drugog, ovaj računski alat otkriva kako će promjena relativnih debljina ovih različitih slojeva utjecati na izlaz uređaja'."Ovo je veoma važno jer je debljina kritična. Postoji jaka interakcija između širenja svjetlosti i debljine svakog sloja i apsorpcije svakog sloja," Mann objašnjava.
Ostale varijable koje se mogu procijeniti uključuju količinu dopinga (uvođenje atoma drugog elementa) koju svaki sloj prima, ili dielektričnu konstantu izolacijskih slojeva, ili razmak, mjeru energetskog nivoa fotona svjetlosti koji se može zarobljeni različitim materijalima koji se koriste u slojevima.
Ovaj simulator je sada dostupan kao alat otvorenog koda koji se može odmah koristiti kao pomoć u vođenju istraživanja u ovoj oblasti, kaže Romano."Spreman je i mogu ga uzeti stručnjaci iz industrije." Da bi to iskoristili, istraživači bi uparili proračune ovog uređaja' sa algoritmom optimizacije, ili čak sistemom mašinskog učenja, kako bi brzo procijenili širok spektar mogućih promjena i brzo došli do najperspektivnijih alternativa.
U ovom trenutku, simulator je baziran samo na jednodimenzionalnoj verziji solarne ćelije, tako da će sljedeći korak biti proširenje njegovih mogućnosti na dvo- i trodimenzionalne konfiguracije. Ali čak i ova 1D verzija&"može pokriti većinu ćelija koje su trenutno u proizvodnji," Romano kaže. Određene varijacije, kao što su takozvane tandem ćelije koje koriste različite materijale, još uvijek se ne mogu simulirati direktno ovim alatom, ali"postoje načini da se tandem solarna ćelija aproksimira simulacijom svake od pojedinačnih ćelija," ; Mann kaže.
Simulator je"kraj do kraja," Romano kaže, što znači da izračunava osjetljivost efikasnosti, uzimajući u obzir i apsorpciju svjetlosti. On dodaje:"Privlačan budući pravac je sastavljanje našeg simulatora sa naprednim postojećim diferenciranim simulatorima širenja svjetlosti, kako bi se postigla poboljšana preciznost."
Idemo naprijed, kaže Romano, jer je ovo otvoreni kod,"to znači da kada' bude tamo, zajednica može doprinijeti tome. I zato smo'zašto smo zaista uzbuđeni." Iako je ova istraživačka grupa"samo šačica ljudi," kaže, sada svako ko radi na terenu može napraviti sopstvena poboljšanja i poboljšanja koda i uvesti nove mogućnosti.
& quot;Diferencibilna fizika će pružiti nove mogućnosti za simulacije projektovanih sistema," kaže Venkat Viswanathan, vanredni profesor mašinstva na Univerzitetu Carnegie Mellon, koji nije bio povezan s ovim radom."Simulator diferencibilnih solarnih ćelija je nevjerovatan primjer diferencibilne fizike, koji sada može pružiti nove mogućnosti za optimizaciju performansi uređaja solarnih ćelija," kaže on, nazivajući studiju&"uzbudljivim korakom naprijed."
Pored Manna i Romana, tim su činili Eric Fadel i Steven Johnson sa MIT-a, te Samuel Schoenholz i Ekin Cubuk iz Google Brain-a. Rad su djelimično podržali Eni SpA i MIT Energy Initiative, te MIT Quest for Intelligence.
