Tutorial de célula solar orgánica (OPV) Parte B: dispositivos OPV y luz

En esta sección veremos cómo interactúan los dispositivos OPV con la luz solar. Comience inspeccionando usted mismo los espectros solares en OghmaNano:

1. Exploración de las bases de datos ópticas de OghmaNano

1. Navegue a la cinta Databases como se muestra en ??
2. Luego haga clic en el icono "Optical database", esto abrirá la ventana mostrada en ??.
3. Haga doble clic en AM1.5G para ver el espectro solar estándar. Observe aproximadamente dónde es más alta la irradiancia y busque los pequeños “valles”. Debería ver algo parecido a ??

2. Exploración de los espectros del Sol

La intensidad del Sol varía a lo largo del día y también depende de su ubicación en el mundo. Para comparar de forma justa las células solares, utilizamos por tanto un espectro estándar conocido como AM1.5G. Se muestran gráficas de este espectro en ?? y ?? (falso color). El espectro AM1.5G representa la luz solar después de haber atravesado aproximadamente 1.5 veces el espesor atmosférico en comparación con el Sol directamente sobre la cabeza, correspondiente a condiciones típicas de latitudes medias por la tarde. Los pequeños “valles” visibles en el espectro se deben a la absorción atmosférica — por ejemplo, ozono en el UV y vapor de agua o CO₂ en el infrarrojo. El uso del espectro AM1.5G en sus simulaciones permite que sus resultados se comparen directa y consistentemente con valores reportados en la literatura.

3. Cómo absorben la luz los materiales

Las células solares están construidas a partir de múltiples capas. Algunas capas están diseñadas para absorber luz, otras para conducir portadores de carga. Para inspeccionar la absorción óptica de un material dado, abra la Materials database, a la que se puede acceder haciendo clic en el icono "Materials Database" en ??. Luego navegue a polymers y abra P3HT, después seleccione la pestaña Absorption (??). Esto muestra con qué intensidad absorbe el polímero en función de la longitud de onda, es importante señalar que todos los materiales absorben la luz de forma diferente a diferentes longitudes de onda.

El espectro solar es un espectro continuo de longitudes de onda; diferentes longitudes de onda de la luz interactúan con el dispositivo de diferentes maneras, estas se describen a continuación:

• UV (≈200–400 nm): La mayor parte del UV-C/UV-B nunca llega al dispositivo ya que es absorbido en la atmósfera/el vidrio.
• Visible (≈400–700 nm): La principal banda de funcionamiento para OPVs. Después de pérdidas moderadas en vidrio/ITO, esta luz es absorbida en la capa activa de acuerdo con su espectro de absorción.
• Near-IR (≈700–2500 nm): Contiene gran parte de la potencia del Sol, pero las capas orgánicas delgadas la absorben débilmente, gran parte se refleja
• Mid/Far-IR (>≈2500 nm):Esto es energía térmica, por lo general no es útil para dispositivos OPV.

3. Simulación de la absorción de luz

Ahora que hemos visto el espectro solar AM1.5G y cómo los materiales absorben luz en función de la longitud de onda, podemos combinar estas ideas y simular la absorción de fotones dentro de la pila del dispositivo.

Abra la cinta Optical (Figura ??) y elija Transfer Matrix Simulation. En la ventana que se abre, haga clic en Run optical simulation (el botón de reproducción). OghmaNano calculará la absorción resuelta en longitud de onda usando el método de matriz de transferencia.

Los resultados se muestran en varias pestañas. La vista Photon distribution muestra el campo óptico a lo largo de toda la pila, mientras que Photon distribution (absorbed) visualiza dónde se absorben los fotones en función tanto de la posición en el dispositivo como de la longitud de onda (Figura ??).

Interpretación del mapa: en el lado izquierdo del dispositivo no hay esencialmente absorción en el ITO transparente, seguida de absorción dentro de las capas activa y adyacentes. Cualquier luz que se propaga a través sin ser absorbida finalmente es reflejada o perdida en el contacto metálico posterior. La escala de color puede verse en escala logarítmica para resaltar características de absorción débil.

Finalmente, la densidad de fotones absorbidos se integra sobre la longitud de onda para producir un perfil de generación unidimensional frente a la posición (Figura ??). Esta gráfica muestra dónde genera realmente el dispositivo pares electrón–hueco y le ayuda a evaluar con qué eficacia el diseño óptico dirige la luz solar hacia la capa activa.