Investigadores de la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (Alemania) han creado un gemelo digital para materiales fotovoltaicos con el fin de acelerar la innovación en la industria de fabricación de estos materiales.
Los gemelos digitales se utilizan en ingeniería para definir equivalentes digitales de activos físicos existentes. Son conceptualmente distintos de las simulaciones multiescala y suelen utilizarse para evaluar el estado actual y futuro de los activos físicos mediante sensores y modelos físicos en tiempo real.
“Intentamos conectar la experimentación de alto nivel con la teoría”, explica a pv magazine Ian Marius Peters, autor de la investigación. “El gemelo digital concreto que imaginamos va más allá de una mera representación de la infraestructura experimental que tenemos, se convierte él mismo en parte de ella. El reto que queremos afrontar es idear materiales totalmente nuevos para aplicaciones fotovoltaicas, desde el diseño molecular hasta la célula solar integrada. Para lograrlo, debemos ser capaces de clasificar rápidamente muchas moléculas, condiciones de procesamiento, apilamientos de capas y condiciones de funcionamiento diferentes”.
Según Peters, la clave está en combinar la experimentación de alto rendimiento (HT) y el modelado teórico. “Matemáticamente, esto se convierte en una optimización de varios procesos conectados con diferentes escalas de tiempo y longitud”, añadió. “El gemelo digital es ahora una combinación de varios modelos y rutinas de optimización, como la optimización bayesiana y la regresión de procesos gaussianos. Estos se alimentan con datos experimentales en las distintas etapas para permitir esta optimización”.
Esta herramienta está concebida para permitir a investigadores y fabricantes un flujo de información en todas las etapas. “Por ejemplo, si queremos tener un material que sea intrínsecamente reciclable con un determinado proceso, alimentamos esta información en el gemelo digital, lo que nos permite iniciar el proceso de diseño de las moléculas con las condiciones de contorno proporcionadas por la necesidad de facilitar este reciclaje”, añadió Peters.
En el estudio “A digital twin to overcome long-time challenges in photovoltaics” (Un gemelo digital para superar los desafíos de larga data en la energía fotovoltaica), publicado en Joule, Peters y sus colegas explicaron que en la investigación fotovoltaica las innovaciones suelen producirse por “serendipia” y afirmaron que los descubrimientos disruptivos serán menos frecuentes en el futuro. Se espera que el gemelo digital propuesto contribuya a aumentar el número de descubrimientos al reducir la distancia entre los cálculos de primeros principios y los experimentos, ya que permite tomar decisiones “informadas” sin disponer de información directa sobre un bien determinado.
Las características más importantes del gemelo digital propuesto son el rechazo de la redundancia, la cuantificación de la incertidumbre y la predicción en tiempo real. Se basa en las plataformas de aceleración de materiales (MAP), que dividen el espacio experimental en moléculas, películas y dispositivos, y también utiliza.
“El gemelo digital pretende alcanzar la capacidad de diseño molecular y de procesos inversos para descubrir principios de diseño y nuevos materiales con propiedades nunca vistas, que se ajusten a requisitos actualmente contradictorios”, explicó el grupo de investigación. “El gemelo digital nos permitirá explotar experimentos indirectos HT, capaces y rápidos, utilizando sustitutos en cascada para predecir propiedades a través de escalas y extraer soluciones optimizadas”.
De cara al futuro, los científicos afirman que la fusión entre laboratorios y escalas será crucial para mejorar la validación de datos y la parametrización del modelado de primer principio, respectivamente. Además, quieren establecer procesos optimizados para el diseño de materiales. “Al mejorar la capacidad del gemelo digital para optimizar en condiciones inciertas, podemos garantizar que es capaz de aprovechar los conocimientos y, al mismo tiempo, ofrecer soluciones eficientes y fiables para diseñar materiales de alta calidad”, concluyen.
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