Nou programari d’accés obert per entendre i dissenyar cèl·lules solars

Zacharie Jehl Li-Kao, investigador del grup de Micro i Nano Tecnologies per a l’Energia Solar (MNT-Solar) del Departament d’Enginyeria Electrònica de la Universitat Politècnica de Catalunya · BarcelonaTech (UPC), ha desenvolupat SOLEY, un nou programari gratuït i de codi obert que permet simular de manera senzilla el funcionament de les cèl·lules solars.

Segons explica Zacharie Jehl, “és el primer programari que utilitza equacions termodinàmiques en lloc de les equacions de drift-diffusion per modelar l'efecte fotovoltaic. Això permet càlculs molt ràpids (high throughput) i redueix el nombre de paràmetres d'entrada necessaris. També incorpora un nou model òptic amb capacitat de light trapping”.

A diferència de molts programes existents —sovint complexos o de pagament—, SOLEY està pensat perquè qualsevol persona que treballi o aprengui sobre energia solar el pugui utilitzar sense necessitat d’una gran experiència prèvia. L’eina ajuda a entendre com capta la llum una cèl·lula solar, com la transforma en electricitat i com diversos materials o capes influeixen en el seu rendiment. SOLEY és  un complement que proporciona informació addicional sobre el funcionament de les cèl·lules solars, la predicció del rendiment i la interpretació de les caracteritzacions.

El programari ha estat presentat en la revista científica PV Magazine i a Solar RRL, i destaca en l’àmbit de l’energia solar gràcies a la seva voluntat d’aportar més transparència i més accessibilitat a la recerca en fotovoltaica.

Com funciona SOLEY?

SOLEY combina una tècnica òptica —la transfer matrix method— amb un model elèctric basat en un detailed balance estès, en contraposició als models més habituals de drift-diffusió emprats en molts simuladors de cèl·lules fotovoltaiques.
Aquest enfocament permet reproduir amb fidelitat el comportament de fotodíodes sota il·luminació tot requerint menys paràmetres d’entrada, la qual cosa el fa més accessible tant per a recerca com per a docència.

Tot i ser una eina tècnica, els seus fonaments són fàcils d’explicar. SOLEY permet:

• Simular com la llum travessa les diferents capes d’una cèl·lula solar (com si fos una lupa que mostra què passa a l’interior).
• Fer prediccions sobre la quantitat d’electricitat que pot generar una cèl·lula segons el seu disseny.
• Provar combinacions de materials o gruixos diferents per veure quina opció és més eficient.
• Analitzar cèl·lules solars innovadores, com les de perovskita o les multijunció, que combinen diversos materials per aprofitar millor l’energia del sol.
• Realitzar moltes proves de manera automàtica, una funció molt útil per a grups de recerca o estudiants.

La importància de SOLEY com a eina d’innovació

Les característiques principals del programari són:

• Càlculs de gran rendiment.
• Un nou model de dispersió/atrapament de llum amb convergència ultraràpida, aplicable tant a cèl·lules de capa fina com de silici.
• Física detallada del dispositiu fotovoltaic.
• Una interfície gràfica molt intuïtiva, amb indicacions integrades que expliquen la metodologia i les equacions utilitzades en cada funció, cosa que la fa molt útil per aprendre i ensenyar fotovoltaica.
• Resultats molt complets: perfil òptic, corbes JV, luminescència, perfil de fotogeneració, anàlisi de díodes, entre d'altres.
• Capacitat nativa per simular dispositius de multijunció.

Els avantatges de SOLEY són especialment rellevants per a fenòmens emergents en energia fotovoltaica: permet fer simulacions ràpides i sistemàtiques, explorar múltiples dissenys, i pot servir com a eina educativa per formar nous enginyers en tecnologia solar.

En un context de transició energètica i creixement de les energies renovables, calen eines que ajudin a accelerar la innovació. Fer experiments físics al laboratori pot ser lent i costós; en canvi, provar idees primer en un simulador com SOLEY pot estalviar temps, recursos i facilitar que més persones hi tinguin accés.

A més, en ser un programa d'accés obert, el poden utilitzar:

• estudiants que vulguin aprendre com funcionen les plaques solars
• investigadors que necessiten fer proves ràpides
• centres educatius o laboratoris amb pressupost limitat
• professionals del sector fotovoltaic

Una aportació al coneixement obert

El programari ha anat evolucionat i ha incorporat noves funcionalitats. En els darrers dos mesos, ha estat descarregat més de 400 vegades per la comunitat i s'ha convertit en un tema actiu de discussió. Zacharie Jehl indica que “dins del panorama d'eines de simulació fotovoltaica, SOLEY és força únic en molts aspectes i seguirà evolucionant en els propers anys”.

Des de l’EEBE es reforça amb aquest software creat per un dels nostres investigadors el compromís de la UPC amb la recerca oberta, la sostenibilitat i el desenvolupament d’eines que ajudin a avançar cap a un futur energètic més net i eficient.