rendimiento del nuevo OPV
En la continua carrera por desarrollar materiales y configuraciones cada vez mejores para las células solares, hay muchas variables que pueden ajustarse para intentar mejorar el rendimiento, como el tipo de material, el grosor y la disposición geométrica. El desarrollo de nuevas células solares ha sido, por lo general, un proceso tedioso en el que se han realizado pequeños cambios en uno de estos parámetros cada vez. Aunque los simuladores informáticos han permitido evaluar estos cambios sin tener que construir cada nueva variación para probarla, el proceso sigue siendo lento.
Ahora, investigadores del MIT y de Google Brain han desarrollado un sistema que permite no sólo evaluar un diseño propuesto cada vez, sino proporcionar información sobre qué cambios proporcionarán las mejoras deseadas. Esto podría aumentar en gran medida el ritmo de descubrimiento de nuevas configuraciones mejoradas. El nuevo sistema, denominado simulador de células solares diferenciables, se describe en un artículo publicado hoy en la revista Computer Physics Communications, escrito por el estudiante de tercer año del MIT Sean Mann, el científico investigador Giuseppe Romano del Instituto de Nanotecnologías para Soldados del MIT, y otras cuatro personas del MIT y de Google Brain.
Los simuladores tradicionales de células solares, explica Romano, toman los detalles de la configuración de una célula solar y producen como resultado una eficiencia prevista, es decir, qué porcentaje de la energía de la luz solar entrante se convierte realmente en corriente eléctrica. Pero este nuevo simulador predice la eficiencia y muestra en qué medida se ve afectada por cualquiera de los parámetros de entrada. "Te dice directamente qué pasa con la eficiencia si hacemos esta capa un poco más gruesa, o qué pasa con la eficiencia si, por ejemplo, cambiamos la propiedad del material", dice.
En resumen, dice, "no hemos descubierto un nuevo dispositivo, pero hemos desarrollado una herramienta que permitirá a otros descubrir más rápidamente otros dispositivos de mayor rendimiento". Con este sistema, "estamos disminuyendo el número de veces que tenemos que ejecutar un simulador para acceder más rápidamente a un espacio más amplio de estructuras optimizadas". Además, dice, "nuestra herramienta puede identificar un conjunto único de parámetros de materiales que han estado ocultos hasta ahora porque es muy complejo ejecutar esas simulaciones".
Mientras que los enfoques tradicionales utilizan esencialmente una búsqueda aleatoria de posibles variaciones, dice Mann, con su herramienta "podemos seguir una trayectoria de cambio porque el simulador te dice en qué dirección quieres cambiar tu dispositivo. Eso hace que el proceso sea mucho más rápido, porque en lugar de explorar todo el espacio de oportunidades, se puede seguir una sola trayectoria" que conduce directamente a la mejora del rendimiento.
Dado que las células solares avanzadas suelen estar compuestas por múltiples capas entrelazadas con materiales conductores para llevar la carga eléctrica de una a otra, esta herramienta computacional revela cómo el cambio de los espesores relativos de estas diferentes capas afectará al rendimiento del dispositivo. "Esto es muy importante porque el grosor es crítico. Hay una fuerte interacción entre la propagación de la luz y el grosor de cada capa y la absorción de cada capa", explica Mann.
Otras variables que pueden evaluarse son la cantidad de dopaje (la introducción de átomos de otro elemento) que recibe cada capa, o la constante dieléctrica de las capas aislantes, o el bandgap, una medida de los niveles de energía de los fotones de luz que pueden captar los distintos materiales utilizados en las capas.
Este simulador ya está disponible como herramienta de código abierto que puede utilizarse inmediatamente para orientar la investigación en este campo, afirma Romano. "Está listo y puede ser utilizado por los expertos de la industria". Para utilizarlo, los investigadores deberían asociar los cálculos de este dispositivo con un algoritmo de optimización, o incluso con un sistema de aprendizaje automático, para evaluar rápidamente una gran variedad de posibles cambios y centrarse en las alternativas más prometedoras.
En este momento, el simulador se basa en una versión unidimensional de la célula solar, por lo que el siguiente paso será ampliar sus capacidades para incluir configuraciones bidimensionales y tridimensionales. Pero incluso esta versión 1D "puede cubrir la mayoría de las células que se producen actualmente", afirma Romano. Ciertas variaciones, como las llamadas células en tándem que utilizan materiales diferentes, todavía no pueden simularse directamente con esta herramienta, pero "hay formas de aproximarse a una célula solar en tándem simulando cada una de las células individuales", dice Mann.
El simulador es "integral", dice Romano, lo que significa que calcula la sensibilidad de la eficiencia, teniendo en cuenta también la absorción de la luz. Y añade: "Una atractiva dirección futura es componer nuestro simulador con los avanzados simuladores de propagación de luz diferenciables existentes, para lograr una mayor precisión".
En el futuro, Romano afirma que, al tratarse de un código abierto, "eso significa que, una vez que esté disponible, la comunidad puede contribuir a él. Y por eso estamos muy ilusionados". Aunque este grupo de investigación está formado por "sólo un puñado de personas", dice, ahora cualquier persona que trabaje en este campo puede hacer sus propias mejoras en el código e introducir nuevas capacidades.
"La física diferenciable va a proporcionar nuevas capacidades para las simulaciones de sistemas de ingeniería", dice Venkat Viswanathan, profesor asociado de ingeniería mecánica de la Universidad Carnegie Mellon, que no ha participado en este trabajo. "El simulador de células solares diferenciables es un ejemplo increíble de la física diferenciable, que ahora puede proporcionar nuevas capacidades para optimizar el rendimiento de los dispositivos de células solares", dice, y califica el estudio de "un emocionante paso adelante".
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