Im ständigen Wettlauf um die Entwicklung immer besserer Materialien und Konfigurationen für Solarzellen gibt es viele Variablen, die angepasst werden können, um die Leistung zu verbessern, darunter Materialtyp, Dicke und geometrische Anordnung. Die Entwicklung neuer Solarzellen ist im Allgemeinen ein langwieriger Prozess, bei dem jeweils nur kleine Änderungen an einem dieser Parameter vorgenommen werden. Mit Hilfe von Computersimulatoren ist es zwar möglich, solche Änderungen zu bewerten, ohne dass jede neue Variante für die Tests tatsächlich gebaut werden muss, aber der Prozess ist nach wie vor langsam.
Jetzt haben Forscher des MIT und von Google Brain ein System entwickelt, mit dem nicht nur ein vorgeschlagenes Design nach dem anderen bewertet werden kann, sondern das auch Informationen darüber liefert, welche Änderungen die gewünschten Verbesserungen bringen werden. Dies könnte die Entdeckung neuer, verbesserter Konfigurationen erheblich beschleunigen. Das neue System, ein so genannter differenzierbarer Solarzellensimulator, wird in einer heute in der Zeitschrift Computer Physics Communications veröffentlichten Arbeit beschrieben, die von MIT-Junior Sean Mann, dem Forscher Giuseppe Romano vom MIT Institute for Soldier Nanotechnologies und vier weiteren Mitarbeitern des MIT und von Google Brain verfasst wurde.
Romano erklärt, dass herkömmliche Solarzellensimulatoren die Details einer Solarzellenkonfiguration berücksichtigen und als Ergebnis einen vorhergesagten Wirkungsgrad liefern, d. h. wie viel Prozent der Energie des einfallenden Sonnenlichts tatsächlich in elektrischen Strom umgewandelt wird. Der neue Simulator sagt jedoch nicht nur den Wirkungsgrad voraus, sondern zeigt auch, wie sehr dieser Wert von den einzelnen Eingangsparametern beeinflusst wird. "Er sagt direkt, was mit dem Wirkungsgrad passiert, wenn wir diese Schicht etwas dicker machen, oder was mit dem Wirkungsgrad passiert, wenn wir zum Beispiel die Materialeigenschaften ändern", sagt er.
Kurz gesagt, sagt er, "wir haben kein neues Gerät entdeckt, aber wir haben ein Werkzeug entwickelt, das es anderen ermöglichen wird, schneller andere leistungsfähigere Geräte zu entdecken". Mit diesem System "verringern wir die Anzahl der Simulationsläufe, um einen schnelleren Zugang zu einem größeren Bereich optimierter Strukturen zu erhalten". Außerdem, so sagt er, "kann unser Tool eine einzigartige Reihe von Materialparametern identifizieren, die bisher verborgen waren, weil es sehr komplex ist, diese Simulationen durchzuführen."
Während herkömmliche Ansätze im Wesentlichen auf einer zufälligen Suche nach möglichen Variationen beruhen, sagt Mann, können wir mit seinem Tool "einer Trajektorie der Veränderung folgen, weil der Simulator uns sagt, in welche Richtung wir unser Gerät verändern wollen. Das macht den Prozess viel schneller, denn anstatt den gesamten Raum der Möglichkeiten zu erkunden, kann man nur einem einzigen Weg folgen", der direkt zu einer verbesserten Leistung führt.
Da fortschrittliche Solarzellen oft aus mehreren Schichten bestehen, die mit leitenden Materialien verflochten sind, um die elektrische Ladung von einer zur anderen zu transportieren, zeigt dieses Berechnungswerkzeug, wie sich eine Änderung der relativen Dicke dieser verschiedenen Schichten auf die Leistung des Geräts auswirkt. "Dies ist sehr wichtig, weil die Dicke entscheidend ist. Es gibt eine starke Wechselwirkung zwischen der Lichtausbreitung und der Dicke der einzelnen Schichten sowie der Absorption der einzelnen Schichten", erklärt Mann.
Zu den weiteren Variablen, die bewertet werden können, gehören die Dotierung (das Einbringen von Atomen eines anderen Elements), die jede Schicht erhält, oder die Dielektrizitätskonstante von Isolierschichten oder die Bandlücke, ein Maß für die Energieniveaus der Lichtphotonen, die von den verschiedenen in den Schichten verwendeten Materialien eingefangen werden können.
Dieser Simulator steht nun als Open-Source-Tool zur Verfügung, das sofort eingesetzt werden kann, um die Forschung auf diesem Gebiet zu unterstützen, so Romano. "Er ist fertig und kann von Industrieexperten übernommen werden. Um ihn zu nutzen, würden die Forscher die Berechnungen dieses Geräts mit einem Optimierungsalgorithmus oder sogar einem maschinellen Lernsystem koppeln, um schnell eine Vielzahl möglicher Änderungen zu bewerten und die vielversprechendsten Alternativen herauszufiltern.
Zum jetzigen Zeitpunkt basiert der Simulator nur auf einer eindimensionalen Version der Solarzelle, so dass der nächste Schritt darin bestehen wird, seine Fähigkeiten auf zwei- und dreidimensionale Konfigurationen zu erweitern. Aber selbst diese 1D-Version "kann die Mehrheit der Zellen abdecken, die derzeit produziert werden", sagt Romano. Bestimmte Varianten, wie z. B. so genannte Tandemzellen, bei denen unterschiedliche Materialien verwendet werden, können mit diesem Tool noch nicht direkt simuliert werden, aber "es gibt Möglichkeiten, sich einer Tandemsolarzelle anzunähern, indem jede einzelne Zelle simuliert wird", sagt Mann.
Der Simulator ist "durchgängig", sagt Romano, das heißt, er berechnet die Empfindlichkeit des Wirkungsgrads und berücksichtigt dabei auch die Lichtabsorption. Er fügt hinzu: "Eine interessante Zukunftsperspektive ist die Kombination unseres Simulators mit fortgeschrittenen, bereits existierenden differenzierbaren Lichtausbreitungssimulatoren, um eine höhere Genauigkeit zu erreichen."
Da es sich um einen quelloffenen Code handelt, "bedeutet das, dass die Gemeinschaft dazu beitragen kann, wenn er erst einmal da ist", so Romano. Und das ist der Grund, warum wir so begeistert sind". Obwohl diese Forschungsgruppe "nur eine Handvoll Leute" ist, sagt er, kann nun jeder, der auf diesem Gebiet arbeitet, seine eigenen Erweiterungen und Verbesserungen des Codes vornehmen und neue Fähigkeiten einführen.
"Die differenzierbare Physik wird neue Möglichkeiten für die Simulation technischer Systeme bieten", sagt Venkat Viswanathan, ein außerordentlicher Professor für Maschinenbau an der Carnegie Mellon University, der nicht an dieser Arbeit beteiligt war. "Der differenzierbare Solarzellensimulator ist ein unglaubliches Beispiel für differenzierbare Physik, die jetzt neue Möglichkeiten zur Optimierung der Leistung von Solarzellengeräten bietet", sagt er und nennt die Studie einen "aufregenden Schritt nach vorn".
Für weitere Informationen besuchen Sie bitte:
https://scitechdaily.com/mit-and-google-brain-create-tool-to-speed-development-of-new-solar-cells/ [This is automatically translated from English]