Tutorial de célula solar de perovskita (PSC) Parte A: Inicio rápido - simule su primer dispositivo de perovskita

🎯 Objetivos de aprendizaje

Ejecute su primera simulación de perovskita en OghmaNano.
Genere e interprete una curva JV (J_SC, V_OC, FF, η).
Comprenda las curvas JV iluminadas

📦 Requisitos previos

OghmaNano instalado y funcionando.
Conocimiento básico de los conceptos de células solares.

⏱ Tiempo estimado

Parte A: 5-10 min
Parte B: 10-15 min
Parte C: 15-20 min
Parte D: 15-20 min
Parte E: 10-15 min
Parte F: 10-15 min
En total alrededor de 1 h dependiendo de cuánto explore.

Estructura cristalina de una red de perovskita que muestra la disposición ABX₃ de los átomos — La estructura cristalina de una red de perovskita (ABX₃). Las esferas grandes representan los cationes del sitio A, las esferas medianas los cationes del sitio B, y las esferas pequeñas los aniones del sitio X. Esta disposición cúbica simple es la base de las notables propiedades optoelectrónicas de las células solares de perovskita.

Las células solares de perovskita son uno de los temas de investigación de crecimiento más rápido en fotovoltaica, con más de 30.000 publicaciones desde su avance alrededor de 2012. Su rápido ascenso está impulsado por eficiencias de conversión de potencia récord superiores al 25%, situándolas junto al silicio cristalino como tecnologías solares líderes. Al mismo tiempo, las perovskitas presentan desafíos únicos: problemas como la migración iónica, la histéresis y los cambios estructurales dinámicos hacen que sean más difíciles de comprender completamente que los semiconductores convencionales.

Este tutorial utiliza una estructura estándar y ampliamente estudiada – FTO / TiO₂ / MAPbI₃ (??) / Spiro-OMeTAD / Au – para introducir los fundamentos de la simulación de células solares de perovskita en OghmaNano. En solo unos pocos pasos, iniciará el software, construirá la pila del dispositivo, ejecutará un barrido JV y analizará resultados clave como J_sc, V_oc, factor de llenado y eficiencia. Una vez que se sienta cómodo con este dispositivo básico, la biblioteca de ejemplos incluye sistemas de perovskita y mezclas más avanzados para una exploración adicional.

Paso 1: Iniciar OghmaNano

Inicie OghmaNano desde el menú Inicio de Windows. La ventana principal de OghmaNano aparecerá como se muestra en ??.

Ventana de inicio de OghmaNano con opciones para crear una nueva simulación, abrir un proyecto o acceder a archivos recientes — La ventana de inicio de OghmaNano. Cree una nueva simulación, abra un proyecto existente o acceda a archivos recientes.

Paso 2: Crear una nueva simulación

Haga clic en New simulation. Esto abre la biblioteca de tipos de dispositivo disponibles, mostrada en ??. Haga doble clic en Perovskite cells (resaltado en rojo) para abrir la carpeta de ejemplos de perovskita. Verá una lista de simulaciones predefinidas, como MAPbI₃ device y Perovskite solar cell, como se muestra en ??. Para este tutorial, seleccione la plantilla Perovskite solar cell. Cuando se le solicite, guarde la simulación en una carpeta en la que tenga permisos de escritura.

💡 Consejo: Para obtener el mejor rendimiento guarde en una unidad local como C:\. Las simulaciones almacenadas en carpetas de red, USB o en la nube (por ejemplo, OneDrive) pueden ejecutarse lentamente debido a lecturas/escrituras intensivas.

Ventana de nueva simulación de OghmaNano con categorías de dispositivos, incluidas células de perovskita, OLED, OFET, demostraciones de GaAs, trazado de rayos y ejemplos FDTD — La ventana *New simulation* proporciona una biblioteca de tipos de dispositivo y proyectos de ejemplo. Al hacer doble clic en una categoría se abren simulaciones preconfiguradas; por ejemplo, la carpeta **Perovskite cells** resaltada aquí.

Lista de ejemplos de células solares de perovskita de OghmaNano que muestra plantillas preconfiguradas de MAPbI₃ device y Perovskite solar cell — Dentro de la categoría *Perovskite cells* puede elegir entre varias estructuras de dispositivo preconstruidas, incluidas **MAPbI₃** y una **Perovskite solar cell** genérica. Estas plantillas proporcionan simulaciones listas para ejecutarse que puede adaptar para explorar cómo los parámetros de material y las pilas de capas afectan al rendimiento.

Paso 3: Ejecutar la simulación

Después de seleccionar la plantilla, se abre la ventana principal de simulación (véase ??). Para comenzar, haga clic en Run simulation (icono azul de reproducción) o pulse F9. Dependiendo de su equipo, el cálculo puede tardar unos segundos en completarse. También puede usar los botones xy / yz / xz (abajo a la izquierda) para cambiar la orientación del dispositivo en la vista 3D.

Interfaz principal de OghmaNano que muestra el botón Run Simulation y una sección transversal 3D de una pila de célula solar de perovskita con capas etiquetadas FTO, TiO₂, Perovskite, Spiro y Au. — La interfaz principal de simulación de *OghmaNano*. La barra de herramientas proporciona acceso rápido a acciones comunes como crear/abrir simulaciones, exportar resultados y ejecutar el solucionador. La vista 3D del dispositivo muestra la pila de capas, aquí **FTO / TiO₂ / Perovskite / Spiro / Au**. Haga clic en el botón resaltado **Run Simulation** (o pulse `F9`) para iniciar el cálculo.

Pestaña Output de OghmaNano que muestra el directorio de trabajo con archivos de resultados de simulación como jv.csv, optical_output, snapshots y datos de corriente/voltaje dependientes del tiempo. — La pestaña *Output* de *OghmaNano*. Aquí puede explorar el directorio de trabajo de la simulación actual. Los resultados típicos incluyen `jv.csv` (datos de la curva JV), `optical_output` (resultados del campo óptico), `snapshots` (campos dependientes del tiempo) y archivos CSV resueltos en el tiempo (`time_j.csv`, `time_v.csv`, etc.). Haga doble clic en cualquier archivo para abrirlo en el visor o editor apropiado.

Paso 4: Ver los resultados

Curva de densidad de corriente–voltaje (JV) de una célula solar de perovskita. El gráfico muestra Jsc, Voc y Pmax marcados con flechas. — Ejemplo de curva de densidad de corriente–voltaje (JV) de una célula solar de perovskita. *J_sc* (densidad de corriente de cortocircuito) es la corriente a voltaje cero. *V_oc* (voltaje de circuito abierto) es el voltaje al que la densidad de corriente cae a cero. *P_max* marca el punto de operación donde el producto de densidad de corriente y voltaje es máximo, correspondiente a la máxima potencia de salida del dispositivo.

Abra la pestaña Output (??) para explorar los archivos escritos en disco. Haga doble clic en jv.csv para representar la curva JV (véase ??). Puede pulsar g en la ventana del gráfico para alternar la visualización de la cuadrícula. Al examinar la curva JV, céntrese en las siguientes características (marcadas en el gráfico):

J_SC – la densidad de corriente de cortocircuito, leída donde la curva cruza el eje de corriente (V = 0). Esto muestra cuánta corriente produce la célula sin polarización externa.
V_OC – el voltaje de circuito abierto, donde la curva cruza el eje de voltaje (J = 0). Este es el voltaje máximo que el dispositivo puede suministrar bajo iluminación.
P_max – el punto de operación (voltaje × corriente) donde el dispositivo produce la máxima potencia.

En conjunto, estos parámetros forman algunas de las figuras de mérito estándar para células solares.

¡Bien hecho! Acaba de ejecutar su primera simulación de perovskita y representar su curva JV 🎉

💡 Mostrar respuesta

Esta curva JV muestra signos claros de histéresis: efectivamente contiene dos trazas JV superpuestas dependiendo de si el barrido se realiza en dirección directa o inversa. En las células solares de perovskita, esto surge porque los iones móviles (como las vacantes de yoduro) se desplazan bajo un campo eléctrico aplicado. Estos iones se redistribuyen durante un barrido de voltaje, alterando los campos eléctricos locales y las trayectorias de extracción de carga. El resultado es una respuesta dependiente del tiempo del dispositivo, que se manifiesta como histéresis en la curva JV.

💡 Mostrar respuesta

En las células solares de perovskita, la histéresis puede hacer muy difícil definir parámetros estándar como el punto de máxima potencia, el voltaje de circuito abierto, la corriente de cortocircuito e incluso el factor de llenado. La curva JV puede verse diferente dependiendo de la dirección del barrido, la velocidad de barrido y la historia del dispositivo, lo que complica las comparaciones entre resultados y hace que la reproducibilidad sea un desafío clave en la investigación de perovskitas.

Paso 5: Cambiar el modo de simulación a estado estacionario

Cinta Simulation type de OghmaNano destacando cómo cambiar del modo Perovskite (dominio temporal) al modo JV curve (estado estacionario). — Cambio a **estado estacionario**: En la pestaña *Simulation type* seleccione **JV curve** para ejecutar una JV en estado estacionario sin histéresis.

En la simulación anterior ejecutamos la simulación en modo Hysteresis, que es una simulación en el dominio temporal. Este modo tiene en cuenta cómo el potencial aplicado redistribuye los iones móviles en las perovskitas con el tiempo. Barrimos el voltaje de bajo a alto y luego de vuelta, y—como vio en el gráfico JV—los barridos directo e inverso no coincidieron debido a este movimiento iónico (histéresis). Como se señaló anteriormente en los cuadros de preguntas, esta histéresis dificulta definir valores estables para PCE, J_SC, V_OC y P_max, ya que pueden depender del estado previo del dispositivo. Para el resto de este tutorial desactivaremos la histéresis y ejecutaremos en modo estado estacionario. Para hacerlo, vaya a la pestaña Simulation type en la ventana principal de OghmaNano y haga clic en JV curve (véase ??).

✅ Qué esperar

En modo de estado estacionario el gráfico JV debería aparecer ahora como un único barrido suave (sin superposición directa/inversa). Anote los valores de J_sc, V_oc, FF y PCE y compárelos con la ejecución anterior con histéresis para ver cómo los efectos iónicos afectaron a las métricas.

Paso 6: La salida de su simulación

Tabla 1: Archivos producidos por la simulación JV
Nombre del archivo	Descripción
jv.csv	Densidad de corriente frente a voltaje (curva JV)
charge.csv	Densidad de carga frente a voltaje
device.dat	Modelo 3D del dispositivo
fit_data*.inp	Datos experimentales del dispositivo de ejemplo (cuando se proporcionan)
k.csv	Parámetro de recombinación frente a voltaje
reflect.csv / transmit.csv	Reflectancia / transmitancia óptica
snapshots/	Instantáneas eléctricas (dependientes de polarización/tiempo); véase ??
optical_snapshots/	Instantáneas de campo/intensidad óptica; véase ??
sim_info.dat	Resumen (V_OC, J_SC, FF, η); véase ??
cache/	Datos intermedios en caché; véase ??

Cada simulación produce una colección de salidas que capturan diferentes aspectos del comportamiento del dispositivo, desde curvas JV brutas y densidades de carga, hasta espectros ópticos, constantes de recombinación e instantáneas de campos eléctricos u ópticos. Estos archivos suelen ser archivos csv simples que pueden abrirse directamente en los visores integrados de OghmaNano o procesarse externamente (por ejemplo, representando los datos en Excel o Python). Las salidas más importantes para un estudio básico de perovskita se resumen en la Tabla 1 a continuación.

👉 Siguiente paso: Ahora continúe con Parte B para un tutorial de perovskita más detallado, incluyendo salidas, capas del dispositivo y análisis avanzado.