Perowskit-Solarzelle (PSC): Tutorial, Teil B: Perowskit-Bauelemente und Licht

Um zu verstehen, wie Perowskit-Bauelemente Licht absorbieren, müssen wir zunächst die in OghmaNano verfügbaren optischen Daten untersuchen. Die Software enthält eine integrierte Bibliothek mit gemessenen und standardisierten Spektren, die Sie als Lichtquellen für Ihre Simulationen verwenden können.

1. Durchsuchen der optischen Datenbanken von OghmaNano

1. Gehen Sie zum Register „Datenbanken“, wie in ?? dargestellt.
2. Klicken Sie auf das Symbol für die optische Datenbank (Regenbogen). Dadurch wird das in ?? gezeigte Fenster geöffnet.
3. Doppelklicken Sie auf AM1.5G, um das Standard-Sonnenlichtspektrum für terrestrische Anwendungen zu laden. Beachten Sie den Bereich mit der maximalen Strahlungsintensität und die durch Moleküle in der Erdatmosphäre verursachten Absorptionsminima. Die Kurve sollte ?? ähneln.

2. Das Sonnenspektrum verstehen

Die Leistung einer Solarzelle hängt stark von der Verteilung des einfallenden Sonnenlichts ab. Da die Intensität der Sonne sowohl mit der Tageszeit als auch mit dem geografischen Standort variiert, verwenden Forscher ein Referenzspektrum namens AM1.5G, um die Ergebnisse vergleichbar zu machen. Die Abbildungen ?? und ?? veranschaulichen dieses Spektrum: ein Liniendiagramm der spektralen Strahlungsstärke in Abhängigkeit von der Wellenlänge und eine Falschfarbdarstellung über das sichtbare Spektrum. AM1.5G entspricht dem Sonnenlicht, das den 1,5-fachen Weg durch die Erdatmosphäre zurückgelegt hat, verglichen mit dem Sonnenlicht, das direkt über uns scheint, was die Bedingungen eines Nachmittags in mittleren Breitengraden annähert. Die Intensitätseinbrüche sind charakteristisch für die atmosphärische Absorption – Ozon absorbiert einen Teil der UV-Strahlung, während Wasserdampf und Kohlendioxid im Infrarotbereich absorbieren. Durch die Verwendung von AM1.5G in Simulationen können die berechneten Wirkungsgrade Ihrer Geräte auf einer vergleichbaren Grundlage mit veröffentlichten Werten verglichen werden, einschließlich der oft zitierten Rekordwirkungsgrade für Perowskit-Solarzellen.

3. Wie Perowskit-Materialien Licht absorbieren

Eine Solarzelle besteht aus mehreren Schichten, von denen jede eine eigene Funktion hat. Einige leiten Ladungen, während andere für die Absorption von einfallenden Photonen verantwortlich sind. Um das Absorptionsspektrum eines Perowskit-Materials in OghmaNano zu untersuchen, öffnen Sie die Materialdatenbank über die Symbolleiste ??. Navigieren Sie zum Verzeichnis perovskite und wählen Sie „std_perovskite“ aus. Unter dem Reiter „Absorption“ (??) sehen Sie, wie stark dieses Material Licht über das gesamte Spektrum absorbiert. Diese wellenlängenabhängige Absorption bestimmt, wie effizient eine Perowskit-Aktive Schicht Sonnenlicht einfangen kann.

Die Sonne emittiert ein kontinuierliches Spektrum an Wellenlängen, aber jede dieser Wellenlängenbereiche interagiert auf unterschiedliche Weise mit einer Perowskit-Solarzelle:

• UV-Strahlung (≈200–400 nm): Ein Großteil dieser Strahlung wird von der Atmosphäre und von Glasschichten gefiltert, bevor sie das Gerät erreicht.
• Sichtbares Licht (≈ 400–700 nm): Das Hauptabsorptionsspektrum von Perowskiten, in dem der Großteil der Energie aufgenommen wird.
• Nahes Infrarot (≈700–2500 nm): Obwohl dieser Bereich eine beträchtliche Menge an Sonnenenergie enthält, absorbieren dünne Perowskitschichten diese nur schwach, sodass ein Großteil davon durchgelassen oder reflektiert wird.
• Mittel- bis Fern-Infrarotbereich (>≈2500 nm): Hierbei handelt es sich im Wesentlichen um Wärmestrahlung, die für die photovoltaische Umwandlung nicht geeignet ist.

3. Simulation der Lichtabsorption

Nachdem wir das AM1.5G-Spektrum und die Absorptionseigenschaften von Perowskit-Materialien erläutert haben, können wir diese Erkenntnisse nun kombinieren, um zu simulieren, wie Photonen innerhalb des gesamten Bauelementstapels verteilt und absorbiert werden. Dieser Schritt stellt eine Verbindung zwischen der optischen Eingangsleistung der Sonne und dem räumlichen Profil der Ladungsträgererzeugung innerhalb der Zelle her.

Öffnen Sie das Menü „Optik“ (Abbildung ??) und wählen Sie „Transfermatrix-Simulation“ aus. Klicken Sie im angezeigten Fenster auf „Optische Simulation starten“ (blauer Abwärtspfeil). OghmaNano berechnet dann die wellenlängen- und positionsabhängigen optischen Felder mithilfe der Transfermatrixmethode.

Die Simulation erzeugt verschiedene Visualisierungen. Die erste ist die Karte der Photonenverteilung, die zeigt, wie sich das optische Feld im gesamten Gerät in Abhängigkeit von der Wellenlänge und der Position verteilt (Abbildung ??). Helle Bereiche entsprechen stehenden Wellenmustern und hohen Photonenkonzentrationen innerhalb der Perowskitschicht und an den angrenzenden Grenzflächen.

Die zweite ist die Karte der Photonabsorption, die direkt anzeigt, wo Photonen absorbiert werden, um Elektron-Loch-Paare zu erzeugen (Abbildung ??). Diese Darstellung verdeutlicht, welche Schichten für die Absorption von Sonnenlicht verantwortlich sind, und zeigt, wie effizient die Perowskitschicht die einfallende Strahlung über das gesamte Sonnenspektrum aufnimmt.