آموزش سلول خورشیدی پروسکایتی (PSC) بخش B: دستگاه‌های پروسکایتی و نور

برای درک این‌که دستگاه‌های پروسکایتی چگونه نور را جذب می‌کنند، ابتدا باید داده‌های اپتیکی موجود در OghmaNano را بررسی کنیم. این نرم‌افزار شامل یک کتابخانهٔ داخلی از طیف‌های اندازه‌گیری‌شده و استاندارد است که می‌توانید از آن‌ها به‌عنوان منابع روشن‌سازی برای شبیه‌سازی‌های خود استفاده کنید.

1. مرور پایگاه‌های دادهٔ اپتیکی OghmaNano

1. به ریبون Databases بروید، همان‌طور که در ?? نشان داده شده است.
2. روی آیکون Optical database (رنگین‌کمانی) کلیک کنید. این کار پنجرهٔ نشان‌داده‌شده در ?? را باز می‌کند.
3. روی AM1.5G دوبار کلیک کنید تا طیف خورشیدی زمینی استاندارد بارگذاری شود. به ناحیهٔ بیشینهٔ تابش و «افت»های جذب ناشی از مولکول‌های موجود در جو زمین توجه کنید. منحنی باید شبیه ?? باشد.

2. درک طیف خورشیدی

عملکرد هر سلول خورشیدی به‌شدت به توزیع نور خورشید دریافتی بستگی دارد. از آنجا که شدت خورشید هم با زمان روز و هم با موقعیت جغرافیایی تغییر می‌کند، پژوهشگران از یک طیف مرجع با نام AM1.5G استفاده می‌کنند تا نتایج قابل مقایسه باشند. شکل‌های ?? و ?? این طیف را نشان می‌دهند: یک نمودار خطی از تابش طیفی برحسب طول موج و یک نمایش رنگ کاذب در سراسر ناحیهٔ مرئی. AM1.5G متناظر با نوری از خورشید است که در مقایسه با خورشید دقیقاً در بالای سر، از 1.5 برابر ضخامت جو زمین عبور کرده است؛ این شرایط تقریب خوبی از بعدازظهر در عرض‌های میانی است. افت‌های شدت نشانگرهای جذب جوی هستند — اوزون بخشی از UV را حذف می‌کند، در حالی که بخار آب و دی‌اکسید کربن در فروسرخ جذب می‌کنند. با استفاده از AM1.5G در شبیه‌سازی، بازده‌های دستگاهی محاسبه‌شدهٔ شما را می‌توان به‌صورت هم‌ارز با مقادیر منتشرشده، از جمله بازده‌های رکوردی که اغلب برای سلول‌های خورشیدی پروسکایتی نقل می‌شوند، مقایسه کرد.

3. مواد پروسکایتی چگونه نور را جذب می‌کنند

یک سلول خورشیدی از چندین لایه ساخته می‌شود که هرکدام کارکرد خاص خود را دارند. برخی بارها را انتقال می‌دهند، در حالی که برخی دیگر مسئول جذب فوتون‌های ورودی هستند. برای بررسی طیف جذب یک مادهٔ پروسکایتی در OghmaNano، Materials database را از نوارابزار ?? باز کنید. به شاخهٔ perovskite بروید و std_perovskite را انتخاب کنید. در زبانهٔ Absorption (??) خواهید دید که این ماده در سراسر طیف تا چه اندازه نور را جذب می‌کند. این جذب وابسته به طول موج همان چیزی است که تعیین می‌کند یک لایهٔ فعال پروسکایتی تا چه اندازه می‌تواند نور خورشید را برداشت کند.

خورشید یک بازهٔ پیوسته از طول موج‌ها را فراهم می‌کند، اما هر ناحیه به‌شکل متفاوتی با یک سلول خورشیدی پروسکایتی برهم‌کنش می‌کند:

• UV (≈200–400 nm): بخش زیادی از این ناحیه پیش از رسیدن به دستگاه توسط جو و لایه‌های شیشه‌ای فیلتر می‌شود.
• مرئی (≈400–700 nm): پنجرهٔ اصلی جذب برای پروسکایت‌ها که بیشتر توان در آن برداشت می‌شود.
• نزدیک‌فروسرخ (≈700–2500 nm): اگرچه این بازه انرژی خورشیدی قابل‌توجهی حمل می‌کند، لایه‌های نازک پروسکایتی آن را ضعیف جذب می‌کنند، بنابراین بخش زیادی از آن عبور می‌کند یا بازتاب می‌شود.
• میانی/دورفروسرخ (>≈2500 nm): این ناحیه اساساً تابش گرمایی است و برای تبدیل فتوولتائیکی مفید نیست.

3. شبیه‌سازی جذب نور

اکنون که طیف AM1.5G و خواص جذب مواد پروسکایتی را معرفی کردیم، می‌توانیم این ایده‌ها را ترکیب کنیم تا شبیه‌سازی کنیم فوتون‌ها چگونه درون کل پشتهٔ دستگاه توزیع و جذب می‌شوند. این گام، ورودی اپتیکی خورشید را به پروفایل فضایی تولید بار درون سلول پیوند می‌دهد.

ریبون Optical را باز کنید (شکل ??) و Transfer Matrix Simulation را انتخاب کنید. در پنجره‌ای که ظاهر می‌شود، روی Run optical simulation (دکمهٔ آبی پخش) کلیک کنید. OghmaNano میدان‌های اپتیکی تفکیک‌شده برحسب طول موج و موقعیت را با استفاده از روش transfer-matrix محاسبه خواهد کرد.

این شبیه‌سازی چندین نمایش بصری تولید می‌کند. نخستین آن‌ها نقشهٔ Photon density است که نشان می‌دهد میدان اپتیکی به‌عنوان تابعی از طول موج و موقعیت چگونه در سراسر دستگاه توزیع می‌شود (شکل ??). نواحی روشن متناظر با الگوهای موج ایستاده و چگالی بالای فوتون درون لایهٔ پروسکایتی و فصل‌مشترک‌های مجاور هستند.

دومین نمایش، نقشهٔ Photon absorption است که مستقیماً نشان می‌دهد در کجا فوتون‌ها برای ایجاد زوج‌های الکترون–حفره جذب می‌شوند (شکل ??). این نمودار مشخص می‌کند کدام لایه‌ها مسئول برداشت نور خورشید هستند و نشان می‌دهد لایهٔ پروسکایتی تا چه حد تابش ورودی را در سراسر طیف خورشیدی به‌طور مؤثر جذب می‌کند.