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 paråmetros cada vez. Aunque los simuladores informåticos 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 sĂłlo evaluar un diseño propuesto cada vez, sino proporcionar informaciĂłn sobre quĂ© cambios proporcionarĂĄn las mejoras deseadas. Esto podrĂa aumentar en gran medida el ritmo de descubrimiento de nuevas configuraciones mejoradas. El nuevo sistema, denominado simulador de cĂ©lulas solares diferenciables, se describe en un artĂculo publicado hoy en la revista Computer Physics Communications, escrito por el estudiante de tercer año del MIT Sean Mann, el cientĂfico investigador Giuseppe Romano del Instituto de NanotecnologĂas para Soldados del MIT, y otras cuatro personas del MIT y de Google Brain.
Los simuladores tradicionales de cĂ©lulas solares, explica Romano, toman los detalles de la configuraciĂłn de una cĂ©lula solar y producen como resultado una eficiencia prevista, es decir, quĂ© porcentaje de la energĂa de la luz solar entrante se convierte realmente en corriente elĂ©ctrica. Pero este nuevo simulador predice la eficiencia y muestra en quĂ© medida se ve afectada por cualquiera de los parĂĄmetros de entrada. "Te dice directamente quĂ© pasa con la eficiencia si hacemos esta capa un poco mĂĄs gruesa, o quĂ© 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 permitirĂĄ a otros descubrir mĂĄs rĂĄpidamente otros dispositivos de mayor rendimiento". Con este sistema, "estamos disminuyendo el nĂșmero de veces que tenemos que ejecutar un simulador para acceder mĂĄs rĂĄpidamente a un espacio mĂĄs amplio de estructuras optimizadas". AdemĂĄs, dice, "nuestra herramienta puede identificar un conjunto Ășnico de parĂĄmetros de materiales que han estado ocultos hasta ahora porque es muy complejo ejecutar esas simulaciones".
Mientras que los enfoques tradicionales utilizan esencialmente una bĂșsqueda aleatoria de posibles variaciones, dice Mann, con su herramienta "podemos seguir una trayectoria de cambio porque el simulador te dice en quĂ© direcciĂłn quieres cambiar tu dispositivo. Eso hace que el proceso sea mucho mĂĄs rĂĄpido, 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 cĂ©lulas solares avanzadas suelen estar compuestas por mĂșltiples capas entrelazadas con materiales conductores para llevar la carga elĂ©ctrica de una a otra, esta herramienta computacional revela cĂłmo el cambio de los espesores relativos de estas diferentes capas afectarĂĄ al rendimiento del dispositivo. "Esto es muy importante porque el grosor es crĂtico. Hay una fuerte interacciĂłn entre la propagaciĂłn de la luz y el grosor de cada capa y la absorciĂłn de cada capa", explica Mann.
Otras variables que pueden evaluarse son la cantidad de dopaje (la introducciĂłn de ĂĄtomos de otro elemento) que recibe cada capa, o la constante dielĂ©ctrica de las capas aislantes, o el bandgap, una medida de los niveles de energĂa de los fotones de luz que pueden captar los distintos materiales utilizados en las capas.
Este simulador ya estĂĄ disponible como herramienta de cĂłdigo abierto que puede utilizarse inmediatamente para orientar la investigaciĂłn en este campo, afirma Romano. "EstĂĄ listo y puede ser utilizado por los expertos de la industria". Para utilizarlo, los investigadores deberĂan asociar los cĂĄlculos de este dispositivo con un algoritmo de optimizaciĂłn, o incluso con un sistema de aprendizaje automĂĄtico, para evaluar rĂĄpidamente una gran variedad de posibles cambios y centrarse en las alternativas mĂĄs prometedoras.
En este momento, el simulador se basa en una versiĂłn unidimensional de la cĂ©lula solar, por lo que el siguiente paso serĂĄ ampliar sus capacidades para incluir configuraciones bidimensionales y tridimensionales. Pero incluso esta versiĂłn 1D "puede cubrir la mayorĂa de las cĂ©lulas que se producen actualmente", afirma Romano. Ciertas variaciones, como las llamadas cĂ©lulas en tĂĄndem que utilizan materiales diferentes, todavĂa no pueden simularse directamente con esta herramienta, pero "hay formas de aproximarse a una cĂ©lula solar en tĂĄndem simulando cada una de las cĂ©lulas 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 estå 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 fĂsica diferenciable va a proporcionar nuevas capacidades para las simulaciones de sistemas de ingenierĂa", dice Venkat Viswanathan, profesor asociado de ingenierĂa mecĂĄnica de la Universidad Carnegie Mellon, que no ha participado en este trabajo. "El simulador de cĂ©lulas solares diferenciables es un ejemplo increĂble de la fĂsica diferenciable, que ahora puede proporcionar nuevas capacidades para optimizar el rendimiento de los dispositivos de cĂ©lulas solares", dice, y califica el estudio de "un emocionante paso adelante".
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