Źródło:sciencedayly.com
W trwającym wyścigu do opracowywania coraz lepszych materiałów i konfiguracji ogniw słonecznych istnieje wiele zmiennych, które można dostosować, aby spróbować poprawić wydajność, w tym rodzaj materiału, grubość i układ geometryczny. Opracowywanie nowych ogniw słonecznych było generalnie żmudnym procesem wprowadzania niewielkich zmian w jednym z tych parametrów na raz. Chociaż symulatory obliczeniowe umożliwiły ocenę takich zmian bez konieczności budowania każdej nowej odmiany do testowania, proces ten pozostaje powolny.
Teraz naukowcy z MIT i Google Brain opracowali system, który umożliwia nie tylko ocenę jednego proponowanego projektu na raz, ale także dostarczanie informacji o tym, jakie zmiany zapewnią pożądane ulepszenia. Mogłoby to znacznie zwiększyć tempo odkrywania nowych, ulepszonych konfiguracji.
Nowy system, nazwany zróżnicowanym symulatorem ogniw słonecznych, został opisany w artykule opublikowanym w czasopiśmie Computer Physics Communications, napisanym przez MIT juniora Seana Manna, naukowca Giuseppe Romano z Instytutu Nanotechnologii Żołnierza w MIT&i czterech inni w MIT i Google Brain.
Tradycyjne symulatory ogniw słonecznych, wyjaśnia Romano, uwzględniają szczegóły konfiguracji ogniw słonecznych i generują jako wynik przewidywaną wydajność – to znaczy, jaki procent energii wpadającego światła słonecznego jest faktycznie przekształcany w prąd elektryczny. Ale ten nowy symulator zarówno przewiduje wydajność, jak i pokazuje, jak duży wpływ na ten wynik ma jeden z parametrów wejściowych."Wskazuje bezpośrednio, co dzieje się z wydajnością, jeśli nieco pogrubimy tę warstwę, lub co stanie się z wydajnością, jeśli na przykład zmienimy właściwości materiału," on mówi.
Krótko mówiąc, mówi,&„nie odkryliśmy' nowego urządzenia, ale opracowaliśmy narzędzie, które umożliwi innym szybsze odkrywanie innych urządzeń o wyższej wydajności.&cyt; Używając tego systemu,"zmniejszamy liczbę razy, które musimy uruchomić symulator, aby zapewnić szybszy dostęp do większej przestrzeni zoptymalizowanych konstrukcji.&cyt; Ponadto, mówi,&„nasze narzędzie może zidentyfikować unikalny zestaw parametrów materiałowych, który do tej pory był ukryty, ponieważ przeprowadzenie tych symulacji' jest bardzo skomplikowane.&cyt;
Podczas gdy tradycyjne podejścia wykorzystują zasadniczo losowe wyszukiwanie możliwych odmian, mówi Mann, za pomocą swojego narzędzia&możemy śledzić trajektorię zmian, ponieważ symulator mówi, w jakim kierunku chcesz zmienić swoje urządzenie. To znacznie przyspiesza ten proces, bo zamiast eksplorować całą przestrzeń możliwości, można po prostu podążać jedną ścieżką" co bezpośrednio prowadzi do poprawy wydajności.
Ponieważ zaawansowane ogniwa słoneczne często składają się z wielu warstw przeplatanych materiałami przewodzącymi, które przenoszą ładunek elektryczny z jednej do drugiej, to narzędzie obliczeniowe pokazuje, jak zmiana względnych grubości tych różnych warstw wpłynie na wydajność urządzenia'."To bardzo ważne, ponieważ grubość ma kluczowe znaczenie. Istnieje silna zależność między propagacją światła a grubością każdej warstwy i absorpcją każdej warstwy," Mann wyjaśnia.
Inne zmienne, które można ocenić, obejmują ilość domieszkowania (wprowadzanie atomów innego pierwiastka), które otrzymuje każda warstwa, lub stała dielektryczna warstw izolacyjnych lub pasmo wzbronione, miara poziomów energii fotonów światła, które mogą być uchwycone przez różne materiały użyte w warstwach.
Ten symulator jest teraz dostępny jako narzędzie typu open source, które można natychmiast wykorzystać do prowadzenia badań w tej dziedzinie, mówi Romano."Jest gotowy i może zostać podjęty przez ekspertów branżowych.&cyt; Aby to wykorzystać, naukowcy połączyliby obliczenia tego urządzenia' z algorytmem optymalizacji, a nawet systemem uczenia maszynowego, aby szybko ocenić szeroką gamę możliwych zmian i szybko znaleźć najbardziej obiecujące alternatywy.
W tym momencie symulator bazuje tylko na jednowymiarowej wersji ogniwa słonecznego, więc kolejnym krokiem będzie rozszerzenie jego możliwości o konfiguracje dwu- i trójwymiarowe. Ale nawet ta wersja 1D"może objąć większość ogniw, które są obecnie w produkcji," mówi Romano. Niektóre odmiany, takie jak tak zwane ogniwa tandemowe wykorzystujące różne materiały, nie mogą być jeszcze symulowane bezpośrednio przez to narzędzie, ale"istnieją sposoby na przybliżenie tandemowego ogniwa słonecznego poprzez symulację każdego z pojedynczych ogniw," ; mówi Mann.
Symulator to"end-to-end," Mówi Romano, co oznacza, że oblicza czułość wydajności, uwzględniając również pochłanianie światła. Dodaje:&„Atrakcyjnym kierunkiem na przyszłość jest skomponowanie naszego symulatora z zaawansowanymi istniejącymi symulatorami zróżnicowanej propagacji światła, aby osiągnąć zwiększoną dokładność.&cyt;
Idąc dalej, mówi Romano, ponieważ jest to kod o otwartym kodzie źródłowym,"oznacza to, że gdy już' już tam jest, społeczność może się do tego przyczynić. I dlatego' jest to powód, dla którego jesteśmy naprawdę podekscytowani.&cyt; Chociaż ta grupa badawcza to"tylko garstka ludzi," mówi, teraz każdy, kto pracuje w terenie, może wprowadzać własne ulepszenia i ulepszenia kodu oraz wprowadzać nowe możliwości.
& quot;Zróżnicowana fizyka zapewni nowe możliwości symulacji systemów inżynierskich," mówi Venkat Viswanathan, profesor nadzwyczajny inżynierii mechanicznej na Uniwersytecie Carnegie Mellon, który nie był związany z tą pracą."Symulator różniczkowalnych ogniw słonecznych jest niesamowitym przykładem różniczkowej fizyki, która może teraz zapewnić nowe możliwości optymalizacji wydajności urządzenia z ogniwami słonecznymi," mówi, nazywając badanie&„ekscytującym krokiem naprzód”.&cyt;
Oprócz Manna i Romano w zespole znaleźli się Eric Fadel i Steven Johnson z MIT oraz Samuel Schoenholz i Ekin Cubuk z Google Brain. Prace były częściowo wspierane przez Eni SpA i MIT Energy Initiative oraz MIT Quest for Intelligence.
