matériaux/conceptions amélioreront les performances du nouveau VPO.
Dans la course permanente au développement de matériaux et de configurations toujours plus performants pour les cellules solaires, de nombreuses variables peuvent être ajustées pour tenter d'améliorer les performances, notamment le type de matériau, l'épaisseur et la disposition géométrique. Le développement de nouvelles cellules solaires a généralement été un processus fastidieux consistant à apporter de petites modifications à l'un de ces paramètres à la fois. Si les simulateurs informatiques ont permis d'évaluer ces changements sans avoir à construire chaque nouvelle variante pour la tester, le processus reste lent.
Aujourd'hui, des chercheurs du MIT et de Google Brain ont mis au point un système qui permet non seulement d'évaluer une proposition de conception à la fois, mais aussi de fournir des informations sur les changements qui apporteront les améliorations souhaitées. Cela pourrait augmenter considérablement le taux de découverte de nouvelles configurations améliorées. Le nouveau système, appelé simulateur de cellules solaires différentiables, est décrit dans un article publié aujourd'hui dans la revue Computer Physics Communications, rédigé par Sean Mann, étudiant au MIT, Giuseppe Romano, chercheur à l'Institute for Soldier Nanotechnologies du MIT, et quatre autres personnes du MIT et de Google Brain.
Les simulateurs de cellules solaires traditionnels, explique M. Romano, prennent les détails de la configuration d'une cellule solaire et produisent en sortie une efficacité prédite, c'est-à-dire le pourcentage de l'énergie de la lumière solaire entrante qui est effectivement converti en courant électrique. Mais ce nouveau simulateur permet à la fois de prédire le rendement et de montrer dans quelle mesure ce rendement est affecté par l'un ou l'autre des paramètres d'entrée. "Il vous dit directement ce qu'il advient de l'efficacité si nous rendons cette couche un peu plus épaisse, ou ce qu'il advient de l'efficacité si nous modifions par exemple la propriété du matériau", explique-t-il.
En bref, dit-il, "nous n'avons pas découvert un nouveau dispositif, mais nous avons développé un outil qui permettra à d'autres de découvrir plus rapidement d'autres dispositifs plus performants." Grâce à ce système, "nous réduisons le nombre de fois où nous devons exécuter un simulateur pour accéder plus rapidement à un espace plus large de structures optimisées." En outre, dit-il, "notre outil peut identifier un ensemble unique de paramètres matériels qui ont été cachés jusqu'à présent parce qu'il est très complexe d'exécuter ces simulations."
Alors que les approches traditionnelles utilisent essentiellement une recherche aléatoire des variations possibles, explique M. Mann, avec son outil "nous pouvons suivre une trajectoire de changement parce que le simulateur vous indique dans quelle direction vous voulez modifier votre dispositif. Cela rend le processus beaucoup plus rapide, car au lieu d'explorer tout l'espace des possibilités, on peut suivre une seule trajectoire" qui mène directement à une amélioration des performances.
Les cellules solaires avancées étant souvent composées de plusieurs couches entrelacées avec des matériaux conducteurs pour transporter la charge électrique de l'une à l'autre, cet outil de calcul révèle comment la modification des épaisseurs relatives de ces différentes couches affectera le rendement du dispositif. "C'est très important car l'épaisseur est critique. Il y a une forte interaction entre la propagation de la lumière et l'épaisseur de chaque couche et l'absorption de chaque couche", explique M. Mann.
Parmi les autres variables qui peuvent être évaluées, citons la quantité de dopage (l'introduction d'atomes d'un autre élément) que reçoit chaque couche, ou la constante diélectrique des couches isolantes, ou encore la bande interdite, une mesure des niveaux d'énergie des photons de lumière qui peuvent être captés par les différents matériaux utilisés dans les couches.
Ce simulateur est désormais disponible sous la forme d'un outil à code source ouvert qui peut être utilisé immédiatement pour aider à orienter la recherche dans ce domaine, explique M. Romano. "Il est prêt, et peut être repris par les experts de l'industrie". Pour l'utiliser, les chercheurs coupleraient les calculs de ce dispositif avec un algorithme d'optimisation, voire un système d'apprentissage automatique, afin d'évaluer rapidement une grande variété de changements possibles et de se concentrer sur les solutions les plus prometteuses.
Pour l'instant, le simulateur est basé sur une version unidimensionnelle de la cellule solaire. La prochaine étape consistera donc à étendre ses capacités pour inclure des configurations bidimensionnelles et tridimensionnelles. La prochaine étape consistera donc à étendre ses capacités pour inclure des configurations bidimensionnelles et tridimensionnelles. Mais même cette version unidimensionnelle "peut couvrir la majorité des cellules actuellement en production", précise M. Romano. Certaines variations, telles que les cellules tandem utilisant différents matériaux, ne peuvent pas encore être simulées directement par cet outil, mais "il existe des moyens d'approcher une cellule solaire tandem en simulant chacune des cellules individuelles", explique M. Mann.
Le simulateur est "de bout en bout", précise M. Romano, ce qui signifie qu'il calcule la sensibilité de l'efficacité, en tenant également compte de l'absorption de la lumière. Il ajoute : "Une direction future intéressante consiste à composer notre simulateur avec des simulateurs de propagation de la lumière différentiables avancés existants, afin d'obtenir une précision accrue."
M. Romano ajoute que, comme il s'agit d'un code source ouvert, "cela signifie qu'une fois qu'il est disponible, la communauté peut y contribuer. Et c'est pourquoi nous sommes vraiment enthousiastes". Bien que ce groupe de recherche ne compte "qu'une poignée de personnes", dit-il, toute personne travaillant dans ce domaine peut désormais apporter ses propres améliorations au code et introduire de nouvelles fonctionnalités.
"La physique différentiable va offrir de nouvelles capacités pour les simulations de systèmes techniques", déclare Venkat Viswanathan, professeur associé d'ingénierie mécanique à l'université Carnegie Mellon, qui n'a pas été associé à ces travaux. "Le simulateur de cellules solaires différentiables est un exemple incroyable de physique différentiable, qui peut maintenant fournir de nouvelles capacités pour optimiser les performances des dispositifs de cellules solaires", dit-il, qualifiant l'étude "d'étape passionnante".
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