OPV-Optische Simulation: Sonnenlicht, Absorption und Erzeugung

In diesem Abschnitt wird erläutert, wie optische Simulationen verwendet werden, um die Absorption von Sonnenlicht und die Erzeugung von Ladungsträgern in organischen Solarzellen zu modellieren. Bei OghmaNano kombiniert die optische Modellierung von OPV das AM1.5G-Sonnenspektrum, die wellenlängenabhängige Absorption von Materialien und Transfermatrix-Simulationen, um zu berechnen, wo Photonen im Gerätestapel absorbiert werden. Diese Absorptionsprofile bestimmen, wo Elektron-Loch-Paare erzeugt werden, und liefern somit die optischen Eingangsdaten für die elektrische OPV-Simulation.

1. Die optische Datenbank von OghmaNano erkunden

1. Gehen Sie wie in ?? dargestellt zum Reiter „Datenbanken“.
2. Klicken Sie auf das Symbol für die optische Datenbank, um das in ?? gezeigte Fenster zu öffnen.
3. Doppelklicken Sie auf AM1.5G, um das Standard-Sonnenstrahlungsspektrum anzuzeigen. Achten Sie darauf, wo die Strahlungsintensität am höchsten ist, und suchen Sie nach den kleinen Absenkungen, die durch die Absorption in der Atmosphäre entstehen. Sie sollten ein Diagramm sehen, das dem in ?? ähnelt.

2. Untersuchung des Sonnenspektrums nach AM1.5G

Die Intensität der Sonnenstrahlung variiert im Laufe des Tages und hängt auch von Ihrem Standort auf der Welt ab. Um Solarzellen fair zu vergleichen, verwenden wir daher ein Standard-Spektrum, das als AM1.5G bekannt ist. Diagramme dieses Spektrums sind in ?? und ?? dargestellt (Farbcodierung). Das AM1.5G-Spektrum stellt das Sonnenlicht dar, nachdem es die etwa 1,5-fache atmosphärische Schichtdicke durchquert hat, verglichen mit dem direkten Sonnenlicht über dem Beobachter, was typischen Bedingungen in mittleren Breitengraden am Nachmittag entspricht. Die kleinen „Einbuchtungen“, die im Spektrum sichtbar sind, sind auf die Absorption in der Atmosphäre zurückzuführen – beispielsweise Ozon im UV-Bereich oder Wasserdampf bzw. CO2 im Infrarotbereich. Die Verwendung des AM1.5G-Spektrums in Ihren Simulationen ermöglicht es, Ihre Ergebnisse direkt und konsistent mit den in der Fachliteratur angegebenen Werten zu vergleichen.

3. Wie OPV-Materialien Licht absorbieren

Solarzellen bestehen aus mehreren Schichten. Einige Schichten sind dafür ausgelegt, Licht zu absorbieren, andere, Ladungsträger zu leiten. Um die optische Absorption eines bestimmten Materials zu untersuchen, öffnen Sie die Materialdatenbank, die über das Symbol „Materialdatenbank“ in ?? aufgerufen werden kann. Navigieren Sie dann zu polymers und öffnen Sie P3HT, und wählen Sie anschließend die Registerkarte „Absorption“ (??) aus. Dies zeigt, wie stark das Polymer in Abhängigkeit von der Wellenlänge Licht absorbiert. Es ist wichtig zu beachten, dass alle Materialien Licht bei unterschiedlichen Wellenlängen unterschiedlich stark absorbieren.

Das Sonnenspektrum ist ein kontinuierliches Spektrum von Wellenlängen; verschiedene Wellenlängen des Lichts interagieren auf unterschiedliche Weise mit dem Gerät, was im Folgenden beschrieben wird:

• UV-Strahlung (≈200–400 nm): Der Großteil der UV-C- und UV-B-Strahlung erreicht das Gerät nicht, da sie in der Atmosphäre bzw. im Glas absorbiert wird.
• Sichtbares Licht (≈ 400–700 nm): Der Hauptbereich des elektromagnetischen Spektrums, in dem organische Photovoltaikzellen (OPV) arbeiten. Nach geringfügigen Verlusten an der Glas-/ITO-Oberfläche wird dieses Licht in der aktiven Schicht gemäß ihrem Absorptionsspektrum absorbiert.
• Nahes Infrarot (≈700–2500 nm): Enthält einen Großteil der Sonnenenergie, aber dünne organische Schichten absorbieren sie nur schwach; ein großer Teil wird reflektiert.
• Mittel- bis Fern-Infrarotbereich (>≈2500 nm): Hierbei handelt es sich hauptsächlich um Wärmestrahlung, die im Allgemeinen nicht für OPV-Bauelemente geeignet ist.

4. Simulation der Lichtabsorption und der Ladungserzeugung

Nachdem wir uns nun das AM1.5G-Sonnenspektrum und die Art und Weise, wie Materialien Licht in Abhängigkeit von der Wellenlänge absorbieren, angesehen haben, können wir diese Erkenntnisse zusammenführen und die Absorption von Photonen innerhalb der Bauteilschicht simulieren.

Öffnen Sie das Menü „Optik“ (Abbildung ??) und wählen Sie „Transfermatrix-Simulation“ aus. Klicken Sie im sich öffnenden Fenster auf „Optische Simulation starten“ (das Wiedergabesymbol). OghmaNano berechnet die wellenlängenabhängige Absorption mithilfe der Transfermatrixmethode.

Die Ergebnisse werden in mehreren Registerkarten angezeigt. Die Ansicht „Photonenverteilung“ zeigt das optische Feld über die gesamte Schicht hinweg, während die Ansicht „Photonenverteilung (absorbiert)“ visualisiert, wo Photonen in Abhängigkeit von ihrer Position im Bauelement und ihrer Wellenlänge absorbiert werden (Abbildung ??).

Interpretation der Karte: Auf der linken Seite des Geräts findet im transparenten ITO im Wesentlichen keine Absorption statt, gefolgt von Absorption in der aktiven Schicht und den angrenzenden Schichten. Jegliches Licht, das ohne Absorption durchdringt, wird letztendlich an der hinteren Metallkontaktelektrode reflektiert oder geht verloren. Die Farbskala kann auf einer logarithmischen Skala betrachtet werden, um schwache Absorptionsmerkmale hervorzuheben.

Abschließend wird die Dichte der absorbierten Photonen über die Wellenlänge integriert, um ein eindimensionales Generationsprofil in Abhängigkeit von der Position zu erstellen (Abbildung ??). Diese Grafik zeigt, wo das Bauelement tatsächlich Elektron-Loch-Paare erzeugt, und hilft Ihnen dabei, zu beurteilen, wie effektiv das optische Design das Sonnenlicht in die aktive Schicht leitet.