Simulation optique des cellules photovoltaïques organiques : lumière solaire, absorption et génération.

Cette section explique comment la simulation optique est utilisée pour modéliser l’absorption de la lumière solaire et la génération de charges dans les cellules solaires organiques. Dans OghmaNano, la modélisation optique des cellules photovoltaïques organiques combine le spectre solaire AM1.5G, l’absorption des matériaux en fonction de la longueur d’onde et les simulations par matrice de transfert afin de calculer les points d’absorption des photons dans la pile de dispositifs. Ces profils d’absorption déterminent les points de génération des paires électron-trou et fournissent ainsi les données d’entrée optiques pour la simulation électrique des cellules photovoltaïques organiques.

1. Exploration de la base de données optique d’OghmaNano.

1. Accédez à l’onglet « Bases de données », comme illustré dans ??.
2. Cliquez sur l’icône de la base de données optique pour ouvrir la fenêtre illustrée dans ??.
3. Double-cliquez sur AM1.5G pour afficher le spectre solaire standard. Notez les points où l’irradiance est la plus élevée et recherchez les légères baisses d’absorption atmosphérique. Vous devriez voir un graphique similaire à ??.

2. Étude du spectre solaire AM1.5G.

L’intensité du rayonnement solaire varie tout au long de la journée et dépend également de votre emplacement géographique. Pour comparer les cellules solaires de manière équitable, nous utilisons donc un spectre standard appelé AM1.5G. Les graphiques de ce spectre sont présentés dans ?? et ?? (en fausses couleurs). Le spectre AM1.5G représente le rayonnement solaire après qu’il a traversé une épaisseur atmosphérique environ 1,5 fois supérieure à celle que l’on observerait lorsque le soleil est directement au zénith, ce qui correspond aux conditions typiques des latitudes moyennes en après-midi. Les petites « dépressions » visibles dans le spectre sont dues à l’absorption atmosphérique, par exemple, l’ozone dans le domaine UV et la vapeur d’eau ou le CO2 dans le domaine infrarouge. L’utilisation du spectre AM1.5G dans vos simulations permet de comparer directement et de manière cohérente vos résultats avec les valeurs publiées dans la littérature.

3. Comment les matériaux OPV absorbent la lumière.

Les cellules solaires sont constituées de plusieurs couches. Certaines de ces couches sont conçues pour absorber la lumière, tandis que d’autres sont conçues pour conduire les porteurs de charge. Pour vérifier l’absorption optique d’un matériau donné, ouvrez la base de données des matériaux, accessible en cliquant sur l’icône « Base de données des matériaux » dans ??. Accédez ensuite à polymers et ouvrez P3HT, puis sélectionnez l’onglet « Absorption » (??). Cela permet de visualiser l’intensité de l’absorption du polymère en fonction de la longueur d’onde. Il est important de noter que tous les matériaux absorbent la lumière différemment à différentes longueurs d’onde.

Le spectre solaire est un spectre continu de longueurs d’onde ; différentes longueurs d’onde de la lumière interagissent avec l’appareil de différentes manières, ce qui est décrit ci-dessous :

• Rayonnements UV (environ 200 à 400 nm) : la plupart des rayonnements UV-C et UV-B ne parviennent jamais à l’appareil, car ils sont absorbés par l’atmosphère ou le verre.
• Visible (environ 400 à 700 nm) : il s’agit de la plage de longueurs d’onde principale pour les OPV. Après de faibles pertes au niveau du verre/ITO, cette lumière est absorbée dans la couche active en fonction de son spectre d’absorption.
• Proche infrarouge (environ 700 à 2 500 nm) : contient une grande partie de l’énergie solaire, mais les couches organiques minces l’absorbent faiblement et une grande partie est réfléchie.
• Moyen/Loin infrarouge (>≈2500 nm) : il s’agit principalement de rayonnement thermique, qui n’est généralement pas utile pour les dispositifs photovoltaïques organiques.

4. Simulation de l’absorption de la lumière et de la génération de charges.

Maintenant que nous avons étudié le spectre solaire AM1.5G et la manière dont les matériaux absorbent la lumière en fonction de la longueur d’onde, nous pouvons combiner ces concepts et simuler l’absorption des photons à l’intérieur de l’ensemble du dispositif.

Ouvrez l’onglet « Optique » (figure ??) et sélectionnez « Simulation de la matrice de transfert ». Dans la fenêtre qui s’ouvre, cliquez sur « Lancer la simulation optique » (le bouton de lecture). OghmaNano calculera l’absorption en fonction de la longueur d’onde en utilisant la méthode de la matrice de transfert.

Les résultats sont affichés dans plusieurs onglets. La vue de la distribution des photons montre le champ optique dans toute la pile, tandis que la vue de la distribution des photons (absorbés) permet de visualiser les endroits où les photons sont absorbés en fonction de leur position dans le dispositif et de leur longueur d’onde (figure ??).

Interprétation de la carte : sur le côté gauche de l’appareil, l’ITO transparent présente une absorption quasi nulle, suivie d’une absorption dans les couches actives et adjacentes. Toute lumière qui se propage sans être absorbée est finalement réfléchie ou perdue au niveau du contact métallique arrière. L’échelle des couleurs peut être affichée sur une échelle logarithmique afin de mettre en évidence les faibles niveaux d’absorption.

Enfin, la densité de photons absorbés est intégrée sur l’ensemble des longueurs d’onde afin de produire un profil de génération unidimensionnel en fonction de la position (figure ??). Ce graphique indique où l’appareil génère réellement des paires électron-trou et vous aide à évaluer l’efficacité avec laquelle la conception optique dirige la lumière du soleil vers la couche active.