Zdroj:sciencedaily.com
V probíhajícím závodě ve vývoji stále lepších materiálů a konfigurací pro solární články existuje mnoho proměnných, které lze upravit, aby se pokusily zlepšit výkon, včetně typu materiálu, tloušťky a geometrického uspořádání. Vývoj nových solárních článků byl obecně únavný proces provádění malých změn jednoho z těchto parametrů najednou. Zatímco výpočetní simulátory umožnily vyhodnotit takové změny, aniž by bylo nutné každou novou variantu skutečně sestavovat pro testování, proces zůstává pomalý.
Nyní výzkumníci z MIT a Google Brain vyvinuli systém, který umožňuje nejen vyhodnotit jeden navržený návrh po druhém, ale také poskytnout informace o tom, které změny poskytnou požadovaná vylepšení. To by mohlo výrazně zvýšit rychlost objevování nových, vylepšených konfigurací.
Nový systém, nazývaný simulátor diferencovatelných solárních článků, je popsán v článku publikovaném v časopise Computer Physics Communications, který napsal junior MIT Sean Mann, vědecký pracovník Giuseppe Romano z Institutu pro nanotechnologie vojáků MIT' další na MIT a Google Brain.
Tradiční simulátory solárních článků, vysvětluje Romano, berou detaily konfigurace solárních článků a produkují jako výstup předpokládanou účinnost – to znamená, jaké procento energie přicházejícího slunečního světla se skutečně přemění na elektrický proud. Ale tento nový simulátor předpovídá účinnost a ukazuje, jak moc je tento výstup ovlivněn některým ze vstupních parametrů."Přímo vám řekne, co se stane s účinností, když tuto vrstvu trochu zesílíme, nebo co se stane s účinností, když například změníme vlastnosti materiálu," on říká.
Stručně říká,&„neobjevili jsme' nové zařízení, ale vyvinuli jsme nástroj, který ostatním umožní rychleji objevit další výkonnější zařízení." Pomocí tohoto systému, &, snižujeme počet, kolikrát potřebujeme spustit simulátor, abychom poskytli rychlejší přístup k širšímu prostoru optimalizovaných struktur." Kromě toho říká, že&„náš nástroj dokáže identifikovat jedinečnou sadu parametrů materiálu, která byla dosud skryta, protože' je velmi složité spouštět tyto simulace."
Zatímco tradiční přístupy používají v podstatě náhodné hledání možných variací, říká Mann, s jeho nástrojem"můžeme sledovat trajektorii změn, protože simulátor vám řekne, jakým směrem chcete změnit své zařízení. Díky tomu je proces mnohem rychlejší, protože místo prozkoumávání celého prostoru příležitostí můžete sledovat jedinou cestu" což přímo vede ke zlepšení výkonu.
Vzhledem k tomu, že pokročilé solární články se často skládají z více vrstev prokládaných vodivými materiály, které přenášejí elektrický náboj z jedné do druhé, tento výpočetní nástroj odhaluje, jak změna relativní tloušťky těchto různých vrstev ovlivní výstup zařízení'"To je velmi důležité, protože tloušťka je kritická. Existuje silná souhra mezi šířením světla a tloušťkou každé vrstvy a absorpcí každé vrstvy," Mann vysvětluje.
Mezi další proměnné, které lze vyhodnotit, patří množství dopingu (zavedení atomů jiného prvku), které každá vrstva přijímá, nebo dielektrická konstanta izolačních vrstev nebo bandgap, což je míra energetických hladin fotonů světla, které mohou být zachycené různými materiály použitými ve vrstvách.
Tento simulátor je nyní k dispozici jako nástroj s otevřeným zdrojovým kódem, který lze okamžitě použít k vedení výzkumu v této oblasti, říká Romano."Je připravena a mohou ji využít odborníci z oboru." Aby toho vědci využili, spojili by výpočty tohoto zařízení' s optimalizačním algoritmem nebo dokonce se systémem strojového učení, aby rychle vyhodnotili širokou škálu možných změn a rychle našli ty nejslibnější alternativy.
V tuto chvíli je simulátor založen pouze na jednorozměrné verzi solárního článku, takže dalším krokem bude rozšíření jeho schopností o dvou- a trojrozměrné konfigurace. Ale i tato 1D verze"může pokrýt většinu článků, které jsou aktuálně ve výrobě," říká Romano. Určité varianty, jako jsou takzvané tandemové články využívající různé materiály, zatím nelze přímo simulovat pomocí tohoto nástroje, ale"existují způsoby, jak aproximovat tandemový solární článek simulací každého z jednotlivých článků," ; říká Mann.
Simulátor je"end-to-end," Romano říká, což znamená, že počítá citlivost účinnosti, také s ohledem na absorpci světla. Dodává:&„Atraktivním budoucím směrem je skládání našeho simulátoru s pokročilými existujícími diferencovatelnými simulátory šíření světla, abychom dosáhli vyšší přesnosti."
Vpřed, říká Romano, protože se jedná o open source kód,"to znamená, že jakmile je' nahoře, komunita do něj může přispívat. A to' je důvod, proč jsme opravdu nadšení." Ačkoli tato výzkumná skupina je"jen hrstka lidí," říká, že nyní může každý, kdo pracuje v oboru, provádět vlastní vylepšení a vylepšení kódu a zavádět nové možnosti.
& quot;Diferencovatelná fyzika poskytne nové možnosti pro simulace navržených systémů," říká Venkat Viswanathan, docent strojního inženýrství na Carnegie Mellon University, který s touto prací nebyl spojen."Simulátor diferencovatelných solárních článků je neuvěřitelným příkladem diferencovatelné fyziky, která nyní může poskytnout nové možnosti pro optimalizaci výkonu zařízení solárních článků," říká a nazývá studii&„vzrušujícím krokem vpřed."
Kromě Manna a Romana v týmu byli Eric Fadel a Steven Johnson z MIT a Samuel Schoenholz a Ekin Cubuk z Google Brain. Práce byla částečně podporována Eni SpA a MIT Energy Initiative a MIT Quest for Intelligence.
