Yeni teknik, yeni güneş pilleri çeşitleri için hızlı tarama yapılmasını sağlar
Yaklaşım, günümüzde yeni fotovoltaik materyaller’in test edilmesi için gereken zaman alıcı adımları atlayabilir.
Yarının güneş panelleri hakkında daha iyi ve daha verimli malzemeler bulmak için yapılan dünya çapındaki araştırmalar; genellikle yavaş ve zahmetlidir. Araştırmacılar tipik olarak kapsamlı testler için laboratuvar numuneleri üretmek zorundadırlar. Bunlar genellikle birbirine yapışık, farklı materyallerin çoklu katmanlarından oluşur.
MIT Ekibi; pahalı ve zaman alıcı imalat ve testlere gerek kalmayan, daha pratik bir yol buldu. Böylelikle, çok daha fazla varyasyonun hızlı bir şekilde taranmasına olanak tanınmış oluyor.
Yeni süreç, yeni formülasyonlar için araştırmayı hızlandırmakla kalmıyor, aynı zamanda daha doğru bir performans tahmini de sunuyor.
MIT lisansüstü öğrencisi ve Joule Dergisi Yazarı Rachel Kurchin: “Geleneksel yöntemler, sıklıkla uzmanlaşmış bir numune yapmanızı gerektirir, ancak bu gerçek bir hücreden farklıdır ve gerçek bir güneş pilinin performansının tam göstergesi olmayabilir “
Tipik test yöntemleri, hareketleri bir materyalden elektrik akımı üreten baskın parçacıklar veya boşlukların “çoğunluk taşıyıcılarının” davranışını gösterir. Ancak fotovoltaik (PV) malzemelerde, Kurchin, cihazın toplam verimliliğini sınırlayan faktörlerden biri olan azınlık taşıyıcıları (materyalde çok daha az miktarda) olduğunu ve bu ölçümlerin çok daha zor olduğunu açıklıyor.
Buna ek olarak, tipik prosedürler sadece bir ince tabaka malzemenin düzlemi içerisindeki bir dizi yön içinde akım akışını ölçer. Birçok materyalde, bu akış “büyük ölçüde farklı” olabilir, materyalin doğru bir şekilde karakterize edilmesi için anlaşılması hassas bir durumdur.
MIT’de Makina Mühendisliği Profesörü ve Gazetenin Kıdemli Yazarı Tonio Buonassisi: “Tarihsel olarak, yeni materyal geliştirme oranı yavaş; tipik olarak 10-25 yıl. İşlemi yavaşlatan şeylerden biri de, erken evre prototip cihazlarının sorunlarını gidermek için geçen uzun süre. Karakterizasyonun yapılması bazen haftalar ya da aylarca sürer ve ölçümlerde herhangi bir sorunun sebebini belirlemek için, her zaman gerekli duyarlılığı olmaz”.
Bayesian Çıkarsama olarak bilinen bir istatistiksel yöntemle; malzemenin fiziksel özelliklerini, bilgisayar modellemesiyle birleştiren; nispeten basit laboratuvar testleriyle ve ayrıca bir materyalin kendi fiziksel özelliklerini kullanarak da ek modellemeyle, önerilen materyallerin doğru ve hızlı değerlendirmelerini yapmak için kullanılabilecek birtakım araçlar geliştirdiler. Sistem, bu değişen koşullar altında performansın nasıl değiştiğini tam olarak ölçmek için, basit bir test cihazı hazırlamayı, ardından farklı ışık seviyeleri ve farklı voltaj seviyeleri altında akım çıkışını ölçmeyi içerir. Bu değerler daha sonra istatistiksel modeli hassaslaştırmak için kullanılır.
Buonassisi: “Farklı sıcaklıklarda ve aydınlatma yoğunluklarında (örneklemin birçok akım-gerilim ölçümünü aldıktan sonra) malzeme ve arabirim değişkenlerinin hangi kombinasyonunun ölçümler setimize en uygun hale geldiğini bulmamız gerekiyor. Her bir parametrenin bir olasılık dağılımı olarak gösterilmesi, deneysel belirsizliği hesaba katmamızı sağlıyor. Ayrıca hangi parametrelerin ortak olduğunu açıklıyor.”
Bayesian Çıkarsama Süreci, her parametrenin tahminlerinin her bir yeni ölçüme dayanılarak, güncellenmesini ve tahminlerin kademeli olarak rafine edilmesini ve kesin cevaba her zamankinden daha yakın olmasını sağlıyor.
Kurchin, belirli bir uygulama türü için bir malzeme kombinasyonu aramada “tüm bu materyal özelliklerini ve arayüz özelliklerini koyduk, ve çıktıların nasıl birleşeceğini size gösterecek” diyor.
Sistem, laboratuvarda daha az karakterize edilen materyaller için bile “büyük bir bilgisayar yükü olmadan yürütülebileceği” kadar basittir. Kurchin, hesaplama araçlarını kullanarak, malzemelerin gittikçe daha yararlı olacağını belirtiyor. Çünkü, laboratuvar ekipmanı daha pahalı, bilgisayarlar daha ucuza geliyor. Bu yöntemle, karmaşık laboratuvar cihazlarınızın kullanımını en aza indirmeye olanak tanıyacak.
Buonassisi’nin temel metodolojisi; sadece güneş pilleri değil çok çeşitli materyal değerlendirmelerine de uygulanabilir. Aslında deneysel bir ölçüm çıkışı için, bir bilgisayar modeli içeren herhangi bir sistem için geçerli olabilir. Örneğin, bu yaklaşım pil, termoelektrik cihazlar, tenis ayakkabıları veya uçak kanatlarında kullanılan kompozitler gibi kompleks malzeme yığınları için bile hangi materyalin veya arabirim özelliğinin performansı sınırlayabileceğini bulmakta başarılı.
Buonassisi: “Vizyonumuz, bu hızlı karakterizasyon yöntemini; laboratuvarımızda geliştirdiğimiz daha hızlı malzemeler ve cihaz sentez yöntemleri ile ilişkilendirmektir. Yüksek teknolojili kombinasyonlardan, throughput hesaplama*, otomasyon ve makine öğrenimi, yeni materyal geliştirme oranını beş faktörden daha fazla hızlandırmamıza yardımcı olacaktır. Bu, yeni materyallerin zaman çizelgesini, 20 yıldan üç ila beş yıla indirgeyen, dönüştürücü bir yöntem olabilir.”
*Verilen bir zamana dilimi içinde yapılacak iş sayısı