Anleitung zur Simulation einer bifazialen Perowskit-Solarzelle: Beleuchtung von beiden Seiten und optische Analyse in OghmaNano

🎯 Lernziele

Erfahren Sie, was bifaziale Perowskit-Solarzellen sind und warum sie wichtig sind.
Richten Sie eine bifaziale Perowskit-Simulation in OghmaNano ein und führen Sie sie aus.
Analysieren Sie die Kennlinie der Solarzelle und erklären Sie, warum der Kurzschlussstrom (JSC) sich ungefähr verdoppelt.
Überprüfen Sie die Anordnung der doppelten Lichtquellen (obere und untere Beleuchtung).
Analysieren Sie die Verteilung der Photonen, die Absorptionskarten sowie die Reflexions- und Transmissionsspektren.
Vergleichen Sie die optische Leistung von bifazialen und einseitig bestrahlten Modulen.

📦 Voraussetzungen

OghmaNano wurde installiert und funktioniert.
Abschluss von Perowskit-Tutorial, Teil A (empfohlen).
Grundlegende Kenntnisse der Funktionsweise von Solarzellen (Kurzschlussstrom, Leerlaufspannung, Wirkungsgrad).

📺 Beispiele von YouTube

Simulation einer bifazialen Perowskit-Solarzelle | Tutorial zur TMM-Methode für die Beleuchtung von Vorder- und Rückseite

Conceptual illustration of a bifacial perovskite solar cell showing light entering from both the top and bottom surfaces of the device stack — Eine bifaziale Perowskit-Solarzelle nutzt das Licht, das auf beide Oberflächen des Geräts trifft. Sonnenlicht gelangt durch den oberen, transparenten Kontakt, während reflektiertes oder diffuses Licht vom Boden oder der Rückseite des Moduls durch den unteren, transparenten Kontakt eintritt. Das Ergebnis ist ein höherer effektiver Photostrom als bei einem herkömmlichen, einseitigen Design.

1. Was ist eine bifaziale Perowskit-Solarzelle?

Eine bifaziale Solarzelle ist ein photovoltaisches Gerät, das so konzipiert ist, dass es gleichzeitig Licht aufnimmt, das auf beide Oberflächen – Vorder- und Rückseite – trifft (??). Bei einer herkömmlichen (unifazialen) Solarzelle wird nur die obere Oberfläche beleuchtet; der hintere Kontakt ist in der Regel undurchsichtig, sodass jegliches Licht, das die Rückseite des Geräts erreicht, verloren geht. Bei einer bifazialen Bauweise werden beide Kontakte transparent oder halbdurchsichtig gestaltet – beispielsweise durch die Verwendung von ITO (Indiumzinnoxid) oder FTO (fluoridiertes Zinnoxid) –, wodurch die Rückseite reflektiertes, gestreutes oder diffuses Licht aus der Umgebung aufnehmen kann.

Bei Perowskit-Solarzellen (PSCs) ist der bifaziale Betrieb besonders vorteilhaft, da:

Die Perowskit-Absorberschicht (z. B. MAPbI₃) hat einen sehr hohen Absorptionskoeffizienten, was bedeutet, dass sie Photonen auch dann effizient absorbieren kann, wenn diese von unten einfallen.
Beide Ladungstransportschichten (TiO₂ als Elektronentransportschicht und Spiro-OMeTAD als Lochtransportschicht) können so dünn und transparent hergestellt werden, dass sie die Beleuchtung von der Rückseite nicht wesentlich beeinträchtigen.
Unter realen Bedingungen vor Ort – insbesondere bei bifazialen Modulinstallationen mit einer weißen oder reflektierenden Oberfläche – kann die Bestrahlung der Rückseite die zusätzliche Leistung um 5–30 % im Vergleich zum Betrieb mit einseitigen Modulen erhöhen.

Der Bifazialitätsfaktor ηbif wird als das Verhältnis der Effizienz der Rückseite zur Effizienz der Vorderseite definiert:

\[ \eta_{\text{bif}} = \frac{\eta_{\text{rear}}}{\eta_{\text{front}}} \]

Ein ideales bifaziales Gerät hätte einen Wirkungsgrad von ηbif = 1, was bedeuten würde, dass es bei Beleuchtung von beiden Seiten gleich gut funktioniert. In der Praxis liegen die Werte für bifaziale Perowskit-Solarzellen zwischen 0,7 und 0,95, abhängig von der Asymmetrie der Ladungstransportschichten und der Transparenz jeder Kontaktfläche.

In OghmaNano wird der bifaziale Betrieb durch die Hinzufügung von zwei unabhängigen Lichtquellenobjekten modelliert – einer, die von oben (y0) und eine, die von unten (y1) beleuchtet – und durch die Verknüpfung beider mit dem Solver für die optische Transfermatrix. Dieses Tutorial führt Sie durch den gesamten Arbeitsablauf, von dem Laden der Vorlagensimulation bis zur Analyse der resultierenden optischen Felder und der Kennlinien (JV-Kennlinien).

2. Erstellen Sie eine neue Simulation für bifaziale Perowskit-Solarzellen.

Starten Sie OghmaNano unter Windows und wählen Sie „Neue Simulation“ aus. Dadurch wird die in ?? gezeigte Gerätebibliothek geöffnet. Doppelklicken Sie auf „Perowskit-Zellen“, um den Ordner mit den Perowskit-Beispielen zu öffnen. Anschließend sehen Sie die Liste der verfügbaren Perowskit-Vorlagen, die in ?? dargestellt ist. Doppelklicken Sie auf „Perowskit-Bifaziale Solarzelle (MAPI)“, um das bifaziale Beispiel zu laden. Wenn Sie dazu aufgefordert werden, wählen Sie einen Zielordner auf einem lokalen Laufwerk aus und klicken Sie auf „Speichern“.

💡 Tipp: Speichern Sie die Daten auf einem lokalen Laufwerk, z. B. C:\. Simulationen, die auf Netzwerklaufwerken, USB-Sticks oder in der Cloud synchronisierten Ordnern (z. B. OneDrive, Dropbox) gespeichert sind, können aufgrund häufiger Lese- und Schreibvorgänge langsamer ausgeführt werden.

OghmaNano new simulation window showing device type categories including Perovskite cells, OFETs, GaAs demos, FDTD examples, and tandem solar cells — Im neuen Simulationsfenster werden alle verfügbaren Gerätegruppen aufgelistet. Doppelklicken Sie auf „Perowskit-Zellen“ (markiert), um zum Ordner mit den Perowskit-Beispielen zu gelangen.

OghmaNano perovskite cell template list showing Perovskite Bifacial Solar Cell (MAPI), Perovskite solar cell (MAPI), CELIV example, frozen ions, and tandem Si-perovskite options — Wählen Sie im Perowskit-Ordner die Option „Perowskit-Solarzelle (beidseitig) (MAPI)“ aus und speichern Sie sie in einem lokalen Verzeichnis Ihrer Wahl.

OghmaNano main simulation window showing the 3D device structure of a bifacial perovskite solar cell with green arrows indicating light entering from both the top and bottom surfaces. Layer labels show TiO2, MAPI, Spiro, ITO, and Glass. — Die Hauptoberfläche von OghmaNano zeigt die bifaziale Perowskit-Solarzelle. Die grünen Pfeile ober- und unterhalb der Zelle zeigen, dass die Beleuchtung gleichzeitig von der oberen (y0) und unteren (y1) Oberfläche ausgeht. Die vollständige Schichtanordnung – Luft / FTO / TiO₂ / MAPI / Spiro / ITO / Glas / Luft – ist auf der rechten Seite beschriftet. Klicken Sie auf die Schaltfläche „Schichteditor“ in der linken Symbolleiste, um einzelne Schichten zu untersuchen oder zu bearbeiten.

OghmaNano Layer editor showing the bifacial perovskite stack: air (50 nm), FTO (50 nm), TiO2 (200 nm), MAPI (400 nm), Spiro (200 nm), ITO (100 nm), Glass (200 nm), air (50 nm) with optical material assignments and layer types — Der Layer-Editor für die bifaziale Perowskit-Solarzelle. Beachten Sie, dass ITO als hintere Kontaktfläche verwendet wird (anstelle des undurchsichtigen Goldes einer einseitigen Zelle), und darunter befindet sich eine Glassubstrat – beide sind transparent, damit die Rückseitenbeleuchtung den MAPI-Absorber erreichen kann.

Sobald die Simulation geladen ist, zeigt das Hauptfenster von OghmaNano das bifaziale Bauelement in der 3D-Visualisierung an, wie in ?? dargestellt. Beachten Sie die grünen Pfeile, die das Licht anzeigen, das von oben und unten in das Bauelement eintritt – dies ist das charakteristische Merkmal des bifazialen Betriebs. Die in der 3D-Ansicht sichtbare Schichtanordnung lautet Luft / FTO / TiO₂ / MAPI / Spiro / ITO / Glas / Luft, wobei sowohl die FTO- als auch die ITO-Kontakte transparent sind, was eine Beleuchtung von beiden Seiten ermöglicht.

Sie können die Schichtanordnung im Detail untersuchen, indem Sie in der linken Werkzeugleiste auf „Schichteditor“ klicken. Das im Bild ?? gezeigte Fenster des Schichteditors listet jede Schicht mit ihrer Dicke, der zugewiesenen optischen Materialeigenschaft, dem Schichttyp (Kontakt-, Aktiv- oder andere Schicht) und der Information auf, ob das optische Problem für diese Schicht gelöst ist. Die bifaziale Anordnung umfasst ITO als hintere transparente Kontaktschicht und darunter eine Glasschicht, die beide das Eindringen von Licht von der Rückseite in den MAPI-Absorber ermöglichen.

3. Führen Sie die Simulation aus und zeigen Sie die Spannungs-Strom-Kennlinie an.

Klicken Sie auf das blaue Feld. Simulation starten Schaltfläche in der Symbolleiste (oder drücken Sie) F9) um die Berechnung des stationären Kurzschlussstroms zu starten. Sobald die Simulation abgeschlossen ist, wechseln Sie zu Ausgabe Tab. Die Registerkarte „Ausgabe“, die in folgendem Bild dargestellt ist: ??listet alle Ergebnisdateien auf, die im Simulationsverzeichnis gespeichert wurden. Doppelklicken Sie. jv.csv Um die Anzeige für die Kennlinie der Leerlaufspannung zu öffnen, gehen Sie wie in der Abbildung gezeigt vor. ??.

OghmaNano Output tab showing simulation result files including jv.csv, charge.csv, optical_output, optical_snapshots, sim_info.dat, and snapshots for the bifacial perovskite solar cell — Auf der Registerkarte „Ausgabe“ werden alle von der Simulation erzeugten Dateien aufgelistet. Doppelklicken Sie auf `jv.csv`, um die Kennlinie der Solarzelle (JV-Kurve) darzustellen.

JV curve of a bifacial perovskite solar cell plotted in OghmaNano. The current density axis shows values approaching -500 A/m² at short circuit, approximately double the value expected for a monofacial device, due to dual-sided illumination. — Die Kennlinie (J-V-Kurve) für die bifaziale Perowskit-Solarzelle. Beachten Sie, dass sich der Kurzschlussstrom (JSC) etwa −500 A m⁻² nähert – was in etwa dem Doppelten des erwarteten Wertes für eine monofaziale Perowskit-Solarzelle entspricht –, da Photonen gleichzeitig von den Lichtquellen auf der Ober- und Unterseite absorbiert werden.

Das auffälligste Merkmal der bifazialen Strom-Spannungs-Kennlinie ist die Kurzschlussstromdichte JSC. Für eine typische monofaziale MAPbI₃-Perowskit-Zelle bei einer Beleuchtungsstärke von 1 Sonne beträgt JSC etwa 200–250 A m⁻². Hier, bei der Verwendung von zwei Lichtquellen mit einer Beleuchtungsstärke von jeweils 1 Sonne (eine von jeder Seite), verdoppelt sich JSC in etwa und erreicht Werte von nahezu 500 A m⁻². Dies spiegelt direkt den bifazialen Gewinn wider: beide Oberflächen absorbieren Photonen und erzeugen freie Ladungsträger im MAPI-Absorber. Die Leerlaufspannung VOC zeigt eine etwas geringere Zunahme, da VOC logarithmisch vom Photostrom abhängt.

4. Überprüfen Sie die Konfiguration der Lichtquelle.

Um zu verstehen, wie die Dual-Illumination konfiguriert ist, navigieren Sie im Hauptfenster zum Menüband „Optik“ oben (siehe ??) und klicken Sie auf „Lichtquellen“. Dadurch wird der Editor für Lichtquellen geöffnet, der alle Lichtquellenobjekte auflistet, die der aktuellen Simulation zugeordnet sind.

OghmaNano Optical ribbon showing buttons for Light Sources, Lasers, Transfer Matrix, Optical Outcoupling, Ray tracing editor, Optical Detectors, FDTD Simulation, Mode Calculator, Optical thickness, Optical mesh, and Boundary Conditions — Das optische Band. Klicken Sie auf „Lichtquellen“ (ganz links, Symbol eines Leuchtturms), um den Editor für Lichtquellen zu öffnen und die Konfiguration der doppelten Beleuchtung zu überprüfen.

Im Editor für Lichtquellen sehen Sie im linken Bereich zwei Einträge: „Oben“ und „Unten“. Lichtquellen sind Objekte wie jedes andere Objekt in OghmaNano – sie haben eine physische Position und Größe in den drei Raumrichtungen (x, y, z), die im Reiter „Objekt“ (??) sichtbar sind. Für die Standardbeleuchtung von Flächen (oben, unten, links, rechts, vorne, hinten) sind diese räumlichen Eigenschaften irrelevant – es wird davon ausgegangen, dass das Licht von außerhalb des Simulationsfensters kommt. Sie werden erst dann wichtig, wenn Sie eine Lichtquelle an einer bestimmten Position innerhalb des Geräts platzieren.

Klicken Sie auf die Registerkarte „Konfigurieren“, um die Richtung der Beleuchtung einzustellen. In diesem Beispiel für eine bifaziale Zelle ist „Oben“ auf „Oben (y0)“ (??) und „Unten“ auf „Unten (y1)“ (??) eingestellt.

OghmaNano light source editor Object tab showing the general object properties of the Top light source, including object type, offset, xyz size, steps, rotate, and colour fields — Der Reiter „Objekt“ zeigt die allgemeinen Eigenschaften des ausgewählten Lichtquellenobjekts an, wie z. B. den Typ, die Positionsverschiebung, die Größe und die Anzeigefarbe. Das Leuchtturm-Symbol kennzeichnet es als Lichtquelle innerhalb des GeräteModells.

OghmaNano light source editor Configure tab for the Top light source, showing Illuminate from set to Top (y0), with beam shape Square and 10×10 beams — Der Reiter „Konfigurieren“ für die obere Lichtquelle. Das Feld „Beleuchten von“ ist auf „Oben (y0)“ eingestellt, wodurch das Licht von oben nach unten in das Gerät durch den FTO-Kontakt geleitet wird – dies simuliert direktes Sonnenlicht auf der Vorderseite.

OghmaNano light source editor Configure tab for the Btm (bottom) light source, showing Illuminate from set to Bottom (y1), with beam shape Square and 10×10 beams — Die Registerkarte „Konfigurieren“ für die untere Lichtquelle (Btm). Der Parameter „Beleuchtungsrichtung“ ist auf „Unten (y1)“ eingestellt, wodurch das Licht von unten durch das Glas und den ITO-Rückkontakt nach oben gerichtet wird – dies simuliert das Albedo oder die reflektierte Strahlung, die die Rückseite in einer bifazialen Installation erreicht.

Diese beiden Lichtquellen simulieren gemeinsam die realen Betriebsbedingungen von bifazialen Solarmodulen: Die direkte Sonneneinstrahlung trifft von oben (y0) auf den FTO-Kontakt, während diffuse oder reflektierte Strahlung von unten (y1) durch das Glas-Trägermaterial und den ITO-Kontakt einwirkt. Beide Quellen verwenden standardmäßig das gleiche AM1.5G-Spektrum, was dem Fall entspricht, in dem die Strahlung auf der Rückseite der Strahlung auf der Vorderseite entspricht – eine nützliche Obergrenze für die Analyse des bifazialen Wirkungsgrads. In der Praxis beträgt die Strahlung auf der Rückseite typischerweise 10–30 % der Strahlung auf der Vorderseite, was durch die Anpassung der Lichtintensität im jeweiligen Reiter „Lichtquelle“ eingestellt werden kann.

5. Optische Analyse – Verteilung der Photonen und Dichte der absorbierten Photonen

Nachdem die Simulation ausgeführt wurde, kehren Sie zum optischen Band zurück und klicken Sie auf „Transfermatrix“. Dadurch wird der Editor für die optische Simulation geöffnet, der detaillierte Visualisierungen des optischen Feldes innerhalb des Geräts bereitstellt. In den folgenden Abbildungen werden drei wichtige Ergebnisse dargestellt: die Gesamtverteilung der Photonen (??), die absorbierte Photonenanzahl (??) und das zusammengefasste Profil der eindimensionalen Erzeugungsrate (??).

OghmaNano optical simulation editor Photon distribution tab showing a 2D colour map of photon density as a function of wavelength (300–900 nm) and device y-position (0–1.2 µm). Bright regions are concentrated at the left edge of the device, consistent with illumination entering from the top FTO contact. — Photonenverteilung: die Dichte der Photonen (m⁻³) in Abhängigkeit von der Wellenlänge und der Position innerhalb der Schichtanordnung des Bauelements. Der helle Bereich bei niedriger y-Position (links) entspricht der oberen Lichtquelle, die durch das FTO eintritt; eine komplementäre Verteilung von der unteren Quelle ist bei höheren y-Positionen sichtbar.

OghmaNano optical simulation editor Photon distribution absorbed tab showing a 2D colour map of absorbed photon density as a function of wavelength and y-position. The absorption is strongly concentrated in the MAPI layer (between approximately 0.3 and 0.7 µm) across wavelengths up to 800 nm. — Absorbierte Photonenflussdichte: die Dichte der pro Volumeneinheit (m⁻³ s⁻¹) absorbierten Photonen über das gesamte Bauelement. Die Absorption ist stark auf die MAPI-Perowskitschicht konzentriert (y ≈ 0,3–0,7 µm), wobei Beiträge sowohl von der oberen als auch von der unteren Lichtquelle sichtbar sind, die sich an jeder Kante des Absorbers als ausgeprägte Absorptionsmerkmale zeigen.

Erzeugungsrate (1D-Profil): Die spektral integrierte Erzeugungsrate wird als Funktion der Position des Bauelements dargestellt. Es sind zwei ausgeprägte Maxima sichtbar – eines in der Nähe der TiO₂/MAPI-Grenzfläche (von oben beleuchtet) und eines in der Nähe der MAPI/Spiro-Grenzfläche (von unten beleuchtet) –, was bestätigt, dass beide Lichtquellen zur Erzeugung des Photostroms beitragen. Zur Vereinfachung werden die Leitungs- und Valenzbandenergien im gesamten Bauelement einheitlich auf −3,8 eV bzw. −5,4 eV eingestellt. Beachten Sie, dass die für die FTO-, ITO-, Glas- und Luftschichten angegebenen Energieniveaus nur zur Darstellung dienen – diese Schichten sind nicht Teil der elektrischen Simulation.

Das Profil der Erzeugungsrate in ?? zeigt an jeder Kante des MAPI-Absorbers einen Spitzenwert – einen an der TiO₂/MAPI-Grenzfläche (y ≈ 0,3 µm), wo das Licht von oben eintritt, und einen an der MAPI/Spiro-Grenzfläche (y ≈ 0,7 µm), wo das Licht von unten eintritt. In einer einseitig beleuchteten Zelle wäre nur der erste Spitzenwert vorhanden, wobei die Erzeugungsrate exponentiell durch den Absorber abnimmt, gemäß dem Beer-Lambert-Gesetz. Die zusätzliche Beleuchtung von der Rückseite erzeugt den zweiten Spitzenwert und erhöht die gesamte integrierte Erzeugungsrate – und damit den Kurzschlussstrom (JSC) – um etwa den Faktor zwei.

6. Reflexions- und Transmissionsspektren

Öffnen Sie im optischen Simulationseditor die Registerkarte „Reflektiertes Licht“ (??) und anschließend die Registerkarte „Transmittiertes Licht“ (??). Die Reflexionsspektren der oberen (reflect0.csv) und unteren (reflect1.csv) Oberfläche sind deutlich unterschiedlich – die oszillatorischen Interferenzmuster der dünnen Schicht sind in Phase und Amplitude verschoben, da die Reihenfolge der Grenzflächen, auf die das einfallende Licht trifft, von jeder Seite unterschiedlich ist. Die Transmissionsspektren sind jedoch identisch: transmit0.csv und transmit1.csv liegen exakt übereinander. Dies ist eine direkte Folge des optischen Reziprozitätssatzes, der besagt, dass die Transmission eines passiven, linearen optischen Schichtsystems unabhängig von der Richtung ist, in der das Licht hindurchtritt, gleich ist. Die Reflexion unterliegt keiner solchen Einschränkung – sie hängt von der spezifischen Reihenfolge der Grenzflächen ab, die von jeder Oberfläche aus betrachtet wird – weshalb sich die beiden Reflexionsspektren unterscheiden, während die beiden Transmissionsspektren identisch sind.

OghmaNano Reflected light tab showing two reflectance spectra (reflect0.csv in blue and reflect1.csv in red) plotted against wavelength from 300 to 900 nm. Both curves show oscillatory thin-film interference features. The spectra differ in magnitude and phase due to the asymmetric layer stacks seen from each surface. — Reflektierte Lichtspektren der oberen Oberfläche (reflect0.csv, blau) und der unteren Oberfläche (reflect1.csv, rot). Beide zeigen oszillatorische Interferenzmuster, die durch die dünnen Schichten und die zahlreichen Grenzflächen in der Schichtstruktur entstehen. Die Spektren unterscheiden sich in ihrer Form, da die Schichtfolge, die das einfallende Licht durchläuft, von jeder Seite aus unterschiedlich ist.

OghmaNano Transmitted light tab showing two transmittance spectra (transmit0.csv in blue and transmit1.csv in red) plotted against wavelength. The two curves are almost indistinguishable from each other above approximately 550 nm, consistent with the optical reciprocity theorem. — Abgetragene Lichtspektren, die das Gerät von oben (transmit0.csv, blau) und von unten (transmit1.csv, rot) durchdringen. Beachten Sie, dass die beiden Kurven oberhalb der Absorptionsgrenze des Perowskits (~550 nm) im Wesentlichen identisch sind, was eine Folge des Theorems der optischen Reziprozität ist: Die Transmission eines passiven, linearen optischen Schichtsystems ist unabhängig davon gleich, in welcher Richtung das Licht es durchdringt.

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Die Transmission wird durch den optischen Reziprozitätssatz bestimmt: Für jedes passive, lineare optische System (ohne Verstärkung, ohne nichtlineare Effekte) ist die Transmission von Port A zu Port B gleich der Transmission von Port B zu Port A. Die Gesamtmenge des Lichts, das vollständig durch die Schicht hindurchgeht, ist daher unabhängig von der Beleuchtungsrichtung gleich. Die Reflexion hingegen hängt von der spezifischen Reihenfolge der Grenzflächen ab, auf die der einfallende Strahl trifft – und diese unterscheidet sich zwischen der oberen und unteren Oberfläche –, weshalb sich die Dateien reflect0.csv und reflect1.csv unterscheiden können und in der Regel auch unterscheiden.

7. Vergleich der einseitigen Beleuchtung, indem die untere Lichtquelle deaktiviert wird.

Um zu sehen, wie sich die optische Verteilung verändert, wenn nur eine Lichtquelle aktiv ist, kehren Sie zum optischen Bereich zurück und klicken Sie auf „Lichtquellen“, um den Editor für Lichtquellen erneut zu öffnen. Wählen Sie im linken Bereich die untere Lichtquelle (Btm) aus. In der Symbolleiste oben im Editor zeigt die Schaltfläche derzeit „Aktiviert“ (grünes Häkchensymbol) an. Klicken Sie darauf, um die untere Lichtquelle zu deaktivieren. Klicken Sie dann im Editor für die optische Simulation auf „Optische Simulation ausführen“, um die optische Ausgabe mit nur der oberen Lichtquelle zu aktualisieren.

Die aktualisierte Photonendichteverteilung, die Dichte der absorbierten Photonen und das einseitige (nur von oben) beleuchtete, eindimensionale Profil der Erzeugungsrate sind in den Abbildungen ??, ?? und ?? dargestellt.

OghmaNano photon distribution 2D map under monofacial (top-only) illumination. The bright absorption region is now concentrated only at the left side of the device (low y-position), corresponding to light entering through the top FTO contact only. No absorption feature is visible at the right (high y-position) side. — Photonenverteilung – nur von oben. Wenn die untere Lichtquelle deaktiviert ist, konzentriert sich die Photonenintensität auf der Oberseite (niedrige y-Position) des Geräts. Es gibt keinen Beitrag von der Rückseite.

OghmaNano absorbed photon density map under top-only illumination. Absorption is asymmetrically concentrated at the TiO2/MAPI interface (left side), with absorption decaying toward the MAPI/Spiro interface. The pattern is typical of a monofacial perovskite device. — Absorbierte Photonenflussdichte – nur bei Beleuchtung von oben. Die Absorption ist jetzt asymmetrisch, wobei sie in der Nähe der TiO₂/MAPI-Grenzfläche ihren Höchstwert erreicht und dann im Absorber abnimmt. Vergleichen Sie dies mit dem bifazialen Fall, bei dem die Absorption von beiden Seiten ein gleichmäßigeres Profil über die gesamte MAPI-Schicht erzeugt.

Profil der Ladungsträgererzeugungsrate – nur bei Beleuchtung von oben. Es ist nur ein einziger Peak vorhanden, in der Nähe der TiO₂/MAPI-Grenzschicht. Der zweite Peak, der von der unteren Lichtquelle stammt, ist verschwunden, was bestätigt, dass das bifaziale Signal (zwei Peaks) ausschließlich auf die duale Beleuchtungskonfiguration zurückzuführen ist.

Der Kontrast zwischen den optischen Ergebnissen für bifaziale und monofaziale Solarzellen veranschaulicht deutlich den physikalischen Ursprung der erhöhten Stromausbeute bei bifazialen Zellen. Wenn nur die obere Lichtquelle aktiv ist, erreicht die Erzeugungsrate in der Nähe der beleuchteten Grenzfläche ihren höchsten Wert und nimmt dann exponentiell im Absorber ab. Wenn beide Quellen aktiv sind, erscheint ein zweiter, symmetrischer Peak von der Rückseite, und die gesamte integrierte Erzeugungsrate – und somit auch der Kurzschlussstrom (JSC) – verdoppelt sich in etwa.

Zusammenfassung und was Sie gelernt haben

In diesem Tutorial wurde die Simulation einer bifazialen Perowskit-Solarzelle in OghmaNano vorgestellt, wobei ein MAPbI₃-Bauelement mit einer Schichtanordnung aus Luft / FTO / TiO₂ / MAPI / Spiro / ITO / Glas / Luft verwendet wurde. Sie haben gesehen, dass der Austausch des undurchsichtigen Rückkontakts durch eine transparente ITO-Schicht es ermöglicht, dass Licht gleichzeitig von beiden Oberflächen eindringt, wodurch sich der Kurzschlussstrom (JSC) ungefähr verdoppelt, während die Leerlaufspannung (VOC) nur geringfügig ansteigt, da sie logarithmisch vom Photostrom abhängt. Das Profil der Erzeugungsrate – das an beiden Rändern des MAPI-Absorbers seinen Höhepunkt erreicht – ist das direkte optische Kennzeichen dieser doppelten Beleuchtung. Die Untersuchung der Reflexions- und Transmissionsspektren bestätigte, dass sich die beiden Reflexionsspektren zwar unterscheiden (die von jeder Oberfläche aus betrachtete Grenzflächensequenz ist unterschiedlich), die Transmissionsspektren jedoch in beiden Richtungen identisch sind, wie es das optische Reziprozitätstheorem erfordert. Abschließend zeigte die Deaktivierung der unteren Lichtquelle, wie das Erzeugungsprofil zu einem einzigen Peak zusammenfällt und die Absorption asymmetrisch wird, wodurch das bekannte Verhalten einer einseitig beleuchteten Zelle wiederhergestellt wird.

👉 Nächste Schritte:

Versuchen Sie, die Intensität der unteren Lichtquelle (im entsprechenden Reiter „Lichtquelle“) auf die Werte 0,1 und 0,3 Sonnen zu ändern. Diese Werte entsprechen realistischeren Werten für die Strahlungsintensität auf der Rückseite bei einer bifazialen Feldinstallation. Beobachten Sie, wie sich JSC, VOC und PCE verändern.
Gehen Sie zurück zu Perowskit-Tutorial, Teil B, um zu erfahren, wie sich die optische Schichtanordnung und die Dicke der Absorberschicht auf die optische Leistung einer einseitig bestrahlten Solarzelle auswirken.
Informieren Sie sich unter Überblick über die Simulation von Perowskit-Solarzellen, um eine umfassendere Einführung in die in OghmaNano implementierte Physik zu erhalten.