...

Narzędzie do przyspieszenia rozwoju nowych ogniw fotowoltaicznych

16 grudnia 2021
Narzędzie do przyspieszenia rozwoju nowych ogniw fotowoltaicznych

Nowy symulator obliczeniowy może pomóc przewidzieć, czy zmiany w materiałach lub konstrukcji poprawią wydajność nowych ogniw fotowoltaicznych. Nowy system zarówno przewiduje wydajność nowych materiałów do fotowoltaicznych ogniw słonecznych, jak i pokazuje, jak bardzo różne parametry wejściowe wpływają na wydajność.

W trwającym wyścigu w zakresie opracowywania coraz lepszych materiałów i konfiguracji ogniw słonecznych istnieje wiele zmiennych, takich jak: rodzaj materiału, grubość i układ geometryczny, które można dostosowywać w celu poprawiania końcowej wydajności. Opracowywanie nowych ogniw było generalnie żmudnym procesem wprowadzania niewielkich zmian w jednym z tych parametrów. Chociaż symulatory obliczeniowe umożliwiły ocenę tych zmian bez konieczności budowania każdej nowej odmiany ogniwa do testowania, proces ten pozostaje powolny.

Teraz naukowcy z Massachusetts Institute of Technology (MIT) i Google Brain opracowali system, który umożliwia nie tylko ocenę proponowanego projektu (symulacji), lecz także dostarczanie informacji o tym, jakie zmiany zapewnią najlepsze wyniki. Taki system może znacznie zwiększyć tempo odkrywania nowych, ulepszonych konfiguracji.

Nowy system, nazwany zróżnicowanym symulatorem ogniw słonecznych, został opisany w artykule opublikowanym w czasopiśmie „Computer Physics Communications”., Autorzy artykułu to Sean Mann – junior MIT, Giuseppe Romano – naukowiec z Instytutu Nanotechnologii MIT, a także czterech innych naukowców z MIT i Google Brain.

Tradycyjne symulatory ogniw słonecznych, uwzględniają szczegóły konfiguracji ogniw i generują jako wynik przewidywaną wydajność, to znaczy, jaki procent energii wpadającego światła słonecznego jest faktycznie przekształcany w prąd elektryczny. Natomiast ten nowy symulator przewiduje zarówno wydajność oraz pokazuje, jak duży wpływ na ten wynik ma jeden z parametrów wejściowych. Informuje bezpośrednio, co stanie się z wydajnością, jeśli nieco pogrubimy tę warstwę, lub co stanie się z wydajnością, jeśli na przykład zmienimy właściwości materiału – wyjaśnia Romano.

Podczas gdy tradycyjne podejścia zasadniczo wykorzystują losowe wyszukiwanie możliwych odmian, dzięki opracowanemu narzędziu można śledzić trajektorię zmian, ponieważ symulator wskazuje, w jakim kierunku należy zmieniać urządzenie. To znacznie przyspiesza proces opracowywania nowego ogniwa, ponieważ zamiast eksplorować całą przestrzeń możliwości, można podążać jedną ścieżką, która prowadzi bezpośrednio do poprawy wydajności.

Ponieważ zaawansowane ogniwa słoneczne często składają się z wielu warstw z materiałów przewodzących przenoszących ładunek elektryczny z jednej na drugą, opracowane narzędzie obliczeniowe pokazuje, jak zmiana względnej grubości różnych warstw wpłynie na wydajność urządzenia. – To bardzo ważne, ponieważ grubość warstwy ma kluczowe znaczenie. Istnieje silna zależność między propagacją światła a grubością każdej warstwy i absorpcją każdej z nich – wyjaśnia Mann.

Inne zmienne podlegające ocenie to: ilość domieszkowania (wprowadzanie atomów innego pierwiastka), które otrzymuje każda warstwa, stała dielektryczna warstw izolacyjnych lub pasmo wzbronione, miara poziomów energii fotonów światła, które mogą być wychwycone przez różne materiały użyte w warstwach.

Ten symulator jest teraz dostępny jako narzędzie o otwartym kodzie źródłowym. Możliwe jest jego natychmiastowe wykorzystanie do usprawnienia przebiegu badań nad opracowywaniem nowych ogniw fotowoltaicznych. Jest gotowy i może zostać wykorzystany przez ekspertów z branży.

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 być użyteczna dla większość komórek, które są obecnie w produkcji – mówi Romano. Niektóre odmiany, takie jak ogniwa tandemowe wykorzystujące różne materiały, nie mogą być jeszcze symulowane bezpośrednio przez to narzędzie, ale istnieją sposoby na wykorzystanie narzędzia dla tandemowego ogniwa słonecznego poprzez symulację każdego z poszczególnych ogniw w tandemie.

Ponieważ jest to kod o otwartym kodzie źródłowym, oznacza to, że społeczność korzystająca tego narzędzia może się przyczynić do jego rozwoju. Chociaż ta grupa badawcza to „tylko garstka osób”, teraz każdy pracujący w tej dziedzinie może wprowadzać własne ulepszenia i ulepszenia kodu oraz wprowadzać nowe możliwości działania.

Fizyka zróżnicowana 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 urządzeń wykorzystujących ogniwa słoneczne – wyjaśnia profesor, nazywając badanie ekscytującym krokiem naprzód.

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.

Źródło: news.mit.edu

Zaprenumeruj Magazyn Fotowoltaika