Tutorial de célula solar de perovskita (PSC) Parte B: dispositivos de perovskita y luz

Para entender cómo los dispositivos de perovskita absorben la luz, primero necesitamos explorar los datos ópticos disponibles dentro de OghmaNano. El software incluye una biblioteca integrada de espectros medidos y estándar que puede utilizar como fuentes de iluminación para sus simulaciones.

1. Exploración de las bases de datos ópticas de OghmaNano

1. Vaya a la cinta Databases, como se muestra en ??.
2. Haga clic en el icono Optical database (arcoíris). Esto abre la ventana mostrada en ??.
3. Haga doble clic en AM1.5G para cargar el espectro solar terrestre estándar. Observe la región de irradiancia máxima y las “caídas” de absorción causadas por moléculas en la atmósfera terrestre. La curva debería parecerse a ??.

2. Comprender el espectro solar

El rendimiento de cualquier célula solar depende fuertemente de la distribución de la luz solar que recibe. Debido a que la intensidad del Sol cambia tanto con la hora del día como con la ubicación geográfica, los investigadores usan un espectro de referencia llamado AM1.5G para hacer comparables los resultados. Las Figuras ?? y ?? ilustran este espectro: una gráfica de línea de irradiancia espectral frente a longitud de onda y una representación en falso color a través de la banda visible. AM1.5G corresponde a luz solar que ha atravesado 1.5 veces la atmósfera de la Tierra en comparación con el Sol directamente sobre la cabeza, lo que aproxima condiciones vespertinas de latitudes medias. Las caídas de intensidad son firmas de absorción atmosférica — el ozono elimina parte del UV, mientras que el vapor de agua y el dióxido de carbono absorben en el infrarrojo. Al usar AM1.5G en simulación, las eficiencias de dispositivo calculadas pueden compararse en igualdad de condiciones con los valores publicados, incluidas las eficiencias récord que suelen citarse para células solares de perovskita.

3. Cómo los materiales de perovskita absorben la luz

Una célula solar está construida a partir de varias capas, cada una con su propia función. Algunas transportan cargas, mientras que otras son responsables de absorber los fotones incidentes. Para examinar el espectro de absorción de un material de perovskita en OghmaNano, abra la Materials database desde la barra de herramientas ??. Navegue hasta el directorio perovskite y seleccione std_perovskite. En la pestaña Absorption (??) verá cuán fuertemente este material absorbe luz a lo largo del espectro. Esta absorción dependiente de la longitud de onda es lo que define cuán eficientemente una capa activa de perovskita puede cosechar la luz solar.

El Sol proporciona un rango continuo de longitudes de onda, pero cada región interactúa de manera diferente con una célula solar de perovskita:

• UV (≈200–400 nm): Gran parte de esta radiación es filtrada por la atmósfera y las capas de vidrio antes de llegar al dispositivo.
• Visible (≈400–700 nm): La ventana principal de absorción para las perovskitas, donde se recoge la mayor parte de la potencia.
• IR cercano (≈700–2500 nm): Aunque este rango transporta una energía solar significativa, las capas finas de perovskita lo absorben débilmente, por lo que gran parte lo atraviesa o se refleja.
• IR medio/lejano (>≈2500 nm): Esto es esencialmente radiación térmica y no es útil para la conversión fotovoltaica.

3. Simulación de absorción de luz

Habiendo introducido el espectro AM1.5G y las propiedades de absorción de los materiales de perovskita, ahora podemos combinar estas ideas para simular cómo se distribuyen y absorben los fotones dentro de la pila completa del dispositivo. Este paso vincula la entrada óptica del Sol con el perfil espacial de generación de carga dentro de la célula.

Abra la cinta Optical (Figura ??) y elija Transfer Matrix Simulation. En la ventana que aparece, haga clic en Run optical simulation (botón azul de reproducción). OghmaNano calculará campos ópticos resueltos en longitud de onda y posición usando el método de transferencia de matriz.

La simulación produce varias visualizaciones. La primera es el mapa de Photon density, que muestra cómo se distribuye el campo óptico en todo el dispositivo en función tanto de la longitud de onda como de la posición (Figura ??). Las regiones brillantes corresponden a patrones de onda estacionaria y altas densidades de fotones dentro de la capa de perovskita y las interfaces adyacentes.

La segunda es el mapa de Photon absorption, que indica directamente dónde se absorben fotones para crear pares electrón–hueco (Figura ??). Esta gráfica destaca qué capas son responsables de recolectar la luz solar y revela cuán eficientemente la capa de perovskita captura la radiación incidente a lo largo del espectro solar.