Tutorial de célula solar de perovskita – Simulación de EQE
1. Introducción
La Eficiencia Cuántica Externa (EQE) describe con qué eficiencia una célula solar convierte los fotones incidentes de cada longitud de onda en portadores de carga recogidos. En otras palabras, es la probabilidad de que un fotón de una energía dada contribuya a la fotocorriente. Experimentalmente, es una de las técnicas de caracterización más utilizadas para células solares y proporciona información detallada sobre la absorción, la recogida de carga y las pérdidas a lo largo del espectro solar.
Para los dispositivos de perovskita, la EQE es especialmente útil porque el borde de absorción pronunciado —y cualquier pérdida óptica adicional— refleja directamente la calidad del material, si las capas tienen el espesor correcto y cómo interfiere la luz dentro de la pila. En este tutorial simulará la EQE en OghmaNano, trazará el espectro, comparará pilas de dispositivos y comprobará su modelo frente a EQE medida.
2. Configuración de una simulación para EQE
Comience iniciando OghmaNano. Desde la ventana principal, haga clic en Nueva simulación. La biblioteca de tipos de dispositivos disponibles aparece como se muestra en ??. Haga doble clic en la categoría Células de perovskita para acceder a dispositivos de ejemplo. Dentro de la carpeta de perovskitas verá un conjunto de simulaciones de ejemplo preconstruidas, como dispositivos de MAPbI₃ y variantes con efectos iónicos (iones congelados, CELIV, etc.). Seleccione el ejemplo Célula solar de perovskita - iones congelados (MAPI), como se muestra en ??
💡 Consejo: Asegúrese de seleccionar Célula solar de perovskita - iones congelados (MAPI) - La parte de iones congelados es importante y se explicará más adelante.
Antes de ejecutar la simulación, vaya a la pestaña Tipo de simulación y cambie del modo predeterminado Histéresis de perovskita al modo EQE. Esto dejará la simulación preparada para realizar cálculos de EQE.
3. Ejecución de la simulación
Una vez que haya cambiado el modo de simulación a EQE, vaya a la pestaña de archivo. Pulse el botón Ejecutar simulación (icono azul de reproducción) o pulse F9 para ejecutar el cálculo. Cuando la ejecución haya terminado, vaya a la pestaña Salida, donde verá los archivos generados por la simulación de EQE.
E_eqe.csv y E_iqe.csv para el análisis espectral.
Una vez finalizada la simulación, vaya a la pestaña Salida. Haga doble clic en eqe.csv
para trazar longitud de onda frente a EQE (véase
??).
Si hace doble clic en E_eqe.csv, verá una gráfica de energía del fotón frente a EQE (véase
??).
eqe.csv — gráfica de longitud de onda frente a EQE.
Esta figura muestra el espectro EQE en función de la longitud de onda, tal como lo produce la simulación.
e_eqe.csv — gráfica de energía del fotón frente a EQE.
Este es el espectro EQE expresado frente a la energía (eV), también generado a partir de la misma ejecución.
En principio, esto es todo lo que necesita para ejecutar simulaciones de EQE. La misma técnica funciona para cualquier clase de dispositivo (p. ej., células solares de silicio u orgánicas): simplemente haga clic en el botón EQE, ejecute la simulación y se producirá el espectro EQE. Como este tutorial utiliza una célula solar de perovskita con iones móviles, hay algunos detalles adicionales que deben tenerse en cuenta. Siga leyendo si desea comprender los detalles.
4. Algunos detalles más
Cuando pulsa el botón de reproducción y ejecuta el solucionador de EQE, este procede en tres pasos. Paso 1: lleva el dispositivo hasta el voltaje de polarización inversa deseado en el que se medirá la EQE; (Puede establecer este voltaje mediante el editor de EQE: Ventana principal → Editores → EQE → Voltaje de EQE); Paso 2: ejecuta el solucionador óptico en el intervalo de longitudes de onda de interés para calcular la distribución de fotones dentro del dispositivo (véase ??). Paso 3: realiza el propio cálculo de EQE utilizando esos resultados ópticos en la polarización objetivo (véase ??). Puede ver estas diferentes fases del cálculo cuando ejecuta el solucionador.
El voltaje al que se ejecuta la simulación de EQE puede establecerse en el Editor de EQE (véase ??). Aquí, el parámetro Voltaje de EQE define la polarización utilizada para el cálculo, y al editor se accede desde la cinta Editores en la ventana principal. La ventaja de ejecutar la EQE a un voltaje más negativo es que minimiza el efecto de la recombinación de portadores. Cuanto más se acerque a cero voltios, y especialmente si entra en polarización directa, la simulación incluirá cantidades crecientes de recombinación. En ese régimen, el resultado ya no es una medida limpia de la EQE intrínseca.
5. EQE en perovskitas
🔧 Detalle avanzado: La sección siguiente explica cómo OghmaNano utiliza microcódigo Lua para controlar el solucionador de iones móviles durante los cálculos de EQE. No necesita entender esto para ejecutar simulaciones de EQE, pero si quiere saber qué ocurre “bajo el capó” o personalizar el comportamiento del solucionador, siga leyendo.
Las células solares de perovskita contienen iones móviles, por lo que cualquier medida altera la distribución iónica y hace que parámetros como EQE, JSC o VOC dependan del historial. Experimentalmente, el enfoque común consiste en llevar el dispositivo hasta un voltaje fijado, permitir que los iones se estabilicen y, a continuación, realizar la medida. En esta simulación reproducimos ese procedimiento: los iones pueden moverse libremente durante la rampa, luego se congelan una vez alcanzada la polarización objetivo y la EQE se calcula rápidamente para que la distribución iónica no se altere más. Esto refleja las buenas prácticas del campo, donde la EQE se mide tras la estabilización y bajo un historial de voltaje definido, como recomiendan las guías de la comunidad (Khenkin et al., Nat. Energy 2020) y normas fotovoltaicas internacionales como IEC 60904.
En perovskitas con iones móviles, parámetros como la EQE y la eficiencia pueden depender del historial de voltaje del dispositivo. Hay dos maneras prácticas de obtener una EQE coherente: (i) desactivar temporalmente por completo el solucionador de iones móviles (véase la pestaña Eléctrica), o (ii) mantener los iones móviles durante la rampa de polarización para que se relajen y luego congelarlos solo mientras se calcula la EQE. Esto último se controla mediante el editor de microcódigo de drift-diffusion (véase ??).
En la práctica, en OghmaNano hay dos maneras de tratar los iones móviles al ejecutar EQE. La primera es desactivar completamente el solucionador de iones móviles. Esto puede hacerse desde la cinta Eléctrica en la ventana principal desactivando el botón Solucionador de iones de perovskita, que se encuentra justo debajo del menú mostrado en ??. El inconveniente de este enfoque es que ignora por completo el movimiento iónico.
El segundo método, y más sutil, es dejar que los iones permanezcan móviles durante la lenta rampa de voltaje, para que se estabilicen en una distribución de cuasi-equilibrio, y luego “congelarlos” solo cuando la propia medida de EQE comienza. Esto es equivalente a aplicar experimentalmente una rampa lenta de voltaje negativo para dejar que los iones se asienten, y después medir la EQE muy rápidamente antes de que los iones tengan tiempo de moverse. En la simulación proporcionada esto se hace por defecto mediante un pequeño script Lua.
Para ver o editar este comportamiento, vaya a la cinta Eléctrica, abra el menú a la derecha del botón Drift diffusion y haga clic en Editar microcódigo (véase ??). Esto abre la ventana del editor de scripts (??), que muestra el código Lua que controla el solucionador. Las líneas clave desactivan el solucionador de iones siempre que el cálculo de EQE se está ejecutando, pero lo mantienen activado durante la rampa de voltaje. Esto garantiza que los iones alcancen el equilibrio antes de que se calcule la EQE, proporcionando resultados coherentes y físicamente realistas. El mismo truco también puede aplicarse a curvas JV u otros experimentos.
📝 Tarea 1 — EQE en función de la polarización
Objetivo: Ver cómo la polarización afecta a la EQE y por qué voltajes más negativos suprimen los artefactos de recombinación.
- Abra el editor de EQE: Ventana principal → Editores → EQE.
- Establezca Voltaje de EQE en
-1V y ejecute la simulación de EQE. - Barra los siguientes voltajes, volviendo a ejecutar la EQE cada vez y guardando los espectros:
+1 V → +0.5 V → 0 V → −1 V → +3 V → +5 V. (La polarización directa, p. ej. +3 V y +5 V, aumentará intencionadamente la recombinación y reducirá la EQE.) - Superponga los espectros y observe dónde divergen más las curvas (cerca del borde de absorción, caída a longitudes de onda largas, etc.).
Observaciones / resultados esperados
- A −1 V, la EQE suele ser la más alta y más suave (la recogida se ve favorecida; recombinación mínima).
- A 0 V (JSC), la EQE suele caer ligeramente frente a −1 V, en particular cerca del borde de banda.
- A +0.5 V y +1 V, el aumento de la recombinación reduce aún más la EQE.
- Con polarización directa más fuerte (+3 V, +5 V), la EQE puede caer bruscamente y puede dejar de representar la EQE intrínseca (pasa a estar limitada por recombinación).
- La región de longitudes de onda más sensible a la polarización suele ser la cola de longitudes de onda largas (donde la absorción es más débil y la recogida de portadores importa más).
🧪 Tarea 2 — EQE en JSC con recombinación variable
Objetivo: Cuantificar cómo la recombinación afecta al espectro EQE en condiciones de cortocircuito.
- Establezca Voltaje de EQE en
0V (es decir, JSC) en el editor de EQE. - En los Parámetros eléctricos del dispositivo, localice los ajustes de recombinación asistida por trampas (SRH) (p. ej., tiempos de vida de portadores, secciones eficaces de captura o densidad de defectos).
- Ejecute tres simulaciones:
- Línea base: valores actuales/predeterminados de recombinación.
- Mayor recombinación: aumente la tasa SRH ~×10 (tiempos de vida más cortos o secciones eficaces mayores).
- Menor recombinación: reduzca la tasa SRH ~÷10 (tiempos de vida más largos o secciones eficaces menores).
- Compare los tres espectros EQE (concéntrese en el inicio a longitudes de onda largas y en cualquier característica cercana a los picos de interferencia óptica).
Observaciones / resultados esperados
- Mayor recombinación SRH → EQE reducida, más evidente cerca del borde de absorción y en regiones con generación débil.
- Menor recombinación SRH → la EQE se aproxima al “techo” óptico fijado por la absorción/óptica.
- Los cambios pueden imitar efectos de espesor/ópticos; use tanto
eqe.csv(dominio λ) comoe_eqe.csv(dominio E) para diagnosticar.
ℹ️ Nota: Para una extracción limpia de EQE, prefiera una polarización inversa suave (p. ej., −1 V) para minimizar la recombinación. Las condiciones de polarización directa (+3 a +5 V) son ilustrativas, pero normalmente no son representativas de la EQE intrínseca.
✅ Lo que ha aprendido
- Cómo configurar y ejecutar una simulación de EQE en OghmaNano.
- Dónde encontrar y trazar los resultados (
eqe.csvye_eqe.csv). - Por qué las perovskitas necesitan un tratamiento especial debido a los iones móviles.
- Cómo elegir el voltaje de EQE y por qué voltajes más negativos minimizan la recombinación.
- Dos enfoques para manejar los iones móviles: desactivarlos completamente o congelarlos solo durante el paso de EQE.