أداة لتسريع تطوير الخلايا الشمسية الجديدة

الآن ، طور الباحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وجوجل برين نظامًا يجعل من الممكن ليس فقط تقييم تصميم مقترح واحد في كل مرة ، ولكن لتوفير معلومات حول التغييرات التي ستوفر التحسينات المطلوبة. قد يؤدي ذلك إلى زيادة معدل اكتشاف التكوينات الجديدة والمحسّنة بشكل كبير.

تم وصف النظام الجديد ، المسمى بمحاكاة الخلايا الشمسية القابلة للتفاضل ، في ورقة بحثية نُشرت في مجلة Computer Physics Communications ، كتبها MIT الصغير Sean Mann ، عالم الأبحاث جوزيبي رومانو من معهد MIT&# 39 ؛ s Institute for Soldier Nanotechnologies ، وأربعة آخرون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وجوجل برين.

يشرح رومانو أن محاكيات الخلايا الشمسية التقليدية تأخذ تفاصيل تكوين الخلايا الشمسية وتنتج كإنتاجها كفاءة متوقعة - أي النسبة المئوية للطاقة من ضوء الشمس الوارد التي يتم تحويلها فعليًا إلى تيار كهربائي. لكن هذا المحاكي الجديد يتنبأ بالكفاءة ويظهر مدى تأثر هذا الناتج بأي من معلمات الإدخال.&مثل ؛ يخبرك مباشرة بما يحدث للكفاءة إذا جعلنا هذه الطبقة أكثر سمكًا قليلاً ، أو ما يحدث للكفاءة إذا قمنا على سبيل المثال بتغيير خاصية المادة ،&مثل ؛ هو يقول.

باختصار ، يقول ،&مثل ؛ لم نكتشف&# 39 ؛ جهازًا جديدًا ، لكننا طورنا أداة ستمكن الآخرين من اكتشاف أجهزة أخرى عالية الأداء بسرعة أكبر.&مثل ؛ باستخدام هذا النظام ،&مثل ؛ نقوم بتقليل عدد المرات التي نحتاج فيها إلى تشغيل جهاز محاكاة لمنح وصول أسرع إلى مساحة أكبر من الهياكل المحسّنة.&مثل ؛ بالإضافة إلى ذلك ، كما يقول ،&مثل ؛ يمكن لأداتنا تحديد مجموعة فريدة من معلمات المواد التي تم إخفاؤها حتى الآن لأنها&# 39 ؛ معقدة للغاية لتشغيل تلك المحاكاة.&مثل ؛

بينما تستخدم الأساليب التقليدية في الأساس بحثًا عشوائيًا عن الاختلافات المحتملة ، كما يقول مان ، باستخدام أداته&مثل ؛ يمكننا تتبع مسار التغيير لأن المحاكي يخبرك بالاتجاه الذي تريد تغيير جهازك. هذا يجعل العملية أسرع بكثير لأنه بدلاً من استكشاف مساحة الفرص بأكملها ، يمكنك فقط اتباع مسار واحد&مثل ؛ يؤدي مباشرة إلى تحسين الأداء.

نظرًا لأن الخلايا الشمسية المتقدمة غالبًا ما تتكون من طبقات متعددة متشابكة مع مواد موصلة لنقل الشحنة الكهربائية من واحدة إلى أخرى ، تكشف هذه الأداة الحسابية كيف سيؤثر تغيير السماكة النسبية لهذه الطبقات المختلفة على إخراج الجهاز&# 39؛ s.&مثل ؛ هذا مهم جدًا لأن السُمك أمر بالغ الأهمية. هناك تفاعل قوي بين انتشار الضوء وسماكة كل طبقة وامتصاص كل طبقة ،&مثل ؛ يشرح مان.

تشمل المتغيرات الأخرى التي يمكن تقييمها كمية المنشطات (إدخال ذرات عنصر آخر) التي تتلقاها كل طبقة ، أو ثابت العزل للطبقات العازلة ، أو فجوة النطاق ، وهي مقياس لمستويات الطاقة لفوتونات الضوء التي يمكن أن تكون تم التقاطها بمواد مختلفة مستخدمة في الطبقات.

يقول رومانو إن هذا المحاكي متاح الآن كأداة مفتوحة المصدر يمكن استخدامها على الفور للمساعدة في توجيه البحث في هذا المجال.&مثل ؛ إنه جاهز ويمكن تناوله من قبل خبراء الصناعة.&مثل ؛ للاستفادة منها ، سيقرن الباحثون حسابات هذا الجهاز بخوارزمية التحسين ، أو حتى نظام التعلم الآلي ، لإجراء تقييم سريع لمجموعة متنوعة من التغييرات المحتملة والاستفادة بسرعة من البدائل الواعدة.

في هذه المرحلة ، يعتمد المحاكي على نسخة أحادية البعد من الخلية الشمسية ، لذا فإن الخطوة التالية ستكون توسيع قدراتها لتشمل تكوينات ثنائية وثلاثية الأبعاد. ولكن حتى هذا الإصدار 1D&مثل ؛ يمكن أن يغطي غالبية الخلايا التي هي قيد الإنتاج حاليًا ،&مثل ؛ يقول رومانو. بعض الاختلافات ، مثل ما يسمى بالخلايا الترادفية التي تستخدم مواد مختلفة ، لا يمكن محاكاتها مباشرة بواسطة هذه الأداة ، ولكن&مثل ؛ هناك طرق لتقريب الخلية الشمسية الترادفية عن طريق محاكاة كل خلية على حدة ،&مثل ؛ يقول مان.

جهاز المحاكاة هو"؛ طرف إلى طرف،&مثل؛ يقول رومانو ، بمعنى أنه يحسب حساسية الكفاءة ، مع مراعاة امتصاص الضوء أيضًا. ويضيف:&مثل ؛ يتمثل الاتجاه المستقبلي الجذاب في تكوين جهاز المحاكاة الخاص بنا بأجهزة محاكاة متطورة لانتشار الضوء وقابلة للتفاضل ، لتحقيق دقة معززة.&مثل ؛

للمضي قدمًا ، يقول رومانو ، لأن هذا رمز مفتوح المصدر ،&مثل ؛ هذا يعني أنه بمجرد أن يصبح&هناك ، يمكن للمجتمع المساهمة فيه. وهذا هو سبب حماسنا حقًا.&مثل ؛ على الرغم من أن هذه المجموعة البحثية هي&مثل ؛ إلا أن حفنة من الناس فقط ،&مثل ؛ يقول ، الآن يمكن لأي شخص يعمل في هذا المجال إجراء التحسينات والتحسينات الخاصة به على الكود وإدخال إمكانات جديدة.

& مثل ؛ الفيزياء التفاضلية ستوفر قدرات جديدة لمحاكاة الأنظمة الهندسية ،&مثل ؛ يقول فينكات فيسواناثان ، الأستاذ المشارك في الهندسة الميكانيكية في جامعة كارنيجي ميلون ، والذي لم يكن مرتبطًا بهذا العمل.&مثل ؛ يعد محاكي الخلايا الشمسية القابل للتفاضل مثالًا رائعًا للفيزياء القابلة للتفاضل ، والتي يمكنها الآن توفير إمكانات جديدة لتحسين أداء جهاز الخلايا الشمسية ،&مثل؛ يقول ، واصفًا الدراسة&مثل ؛ خطوة مثيرة إلى الأمام.&مثل ؛

بالإضافة إلى مان ورومانو ، ضم الفريق إريك فاضل وستيفن جونسون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، وصمويل شوينهولز وإيكين كوبوك من Google Brain. تم دعم العمل جزئيًا من قبل Eni SpA و MIT Energy Initiative و MIT Quest for Intelligence.