Tutoriel sur la simulation de cellules solaires pérovskites bifaces : illumination des deux faces et analyse optique dans OghmaNano.

1. Qu’est-ce qu’une cellule solaire pérovskite bifaciale ?

Une cellule solaire bifaciale est un dispositif photovoltaïque conçu pour absorber la lumière qui frappe simultanément ses faces avant et arrière (??). Dans une cellule solaire conventionnelle (monofaciale), seule la face supérieure est éclairée ; le contact arrière est généralement opaque, de sorte que toute la lumière qui atteint l’arrière du dispositif est perdue. Dans une architecture bifaciale, les deux contacts sont rendus transparents ou semi-transparents, par exemple en utilisant de l’ITO (oxyde d’indium-étain) ou du FTO (oxyde d’étain dopé au fluor), ce qui permet à la face arrière de capter la lumière réfléchie, diffusée ou dispersée provenant de l’environnement.

Dans le cas des cellules solaires à pérovskite (CSP), le fonctionnement bifacial présente un intérêt particulier pour les raisons suivantes :

• La couche absorbante de pérovskite (par exemple, MAPbI₃) présente un coefficient d’absorption très élevé, ce qui signifie qu’elle peut capter efficacement les photons, même lorsqu’ils proviennent d’en bas.
• Les deux couches de transport de charges (TiO₂ en tant que couche de transport d’électrons et Spiro-OMeTAD en tant que couche de transport de trous) peuvent être rendues suffisamment minces et transparentes pour ne pas bloquer de manière significative l’éclairage provenant de l’arrière.
• Dans des conditions réelles d’utilisation sur le terrain, et plus particulièrement dans les installations de modules bifaces dotés d’une surface blanche ou réfléchissante, l’irradiation sur la face arrière peut augmenter la production d’énergie de 5 à 30 % par rapport au fonctionnement avec des modules monofaces.

Le facteur de bifacialité, noté ηbif, est défini comme le rapport entre le rendement de la face arrière et le rendement de la face avant :

\[ \eta_{\text{bif}} = \frac{\eta_{\text{rear}}}{\eta_{\text{front}}} \]

Un dispositif bifacial idéal aurait un rendement ηbif = 1, ce qui signifie qu’il fonctionnerait de manière égale, quelle que soit la direction de l’éclairage. En pratique, les valeurs comprises entre 0,7 et 0,95 sont courantes pour les cellules bifaciales à base de pérovskite, en fonction de l’asymétrie des couches de transport de charge et de la transparence de chaque contact.

Dans OghmaNano, le fonctionnement bifacial est modélisé en ajoutant deux sources lumineuses indépendantes : l’une éclairant par le haut (y0) et l’autre par le bas (y1), puis en les intégrant toutes les deux dans le solveur de la matrice de transfert optique. Ce tutoriel présente l’ensemble du processus, depuis le chargement du modèle de simulation jusqu’à l’analyse des champs optiques et des caractéristiques courant-tension (JV) obtenus.

2. Créer une nouvelle simulation de pérovskite bifaciale.

Lancez OghmaNano sous Windows et sélectionnez « Nouvelle simulation ». Cela ouvre la bibliothèque d’appareils présentée dans ??. Double-cliquez sur « Perovskite cells » pour ouvrir le dossier contenant les exemples de perovskites. Vous verrez alors la liste des modèles de perovskites disponibles, comme indiqué dans ??. Double-cliquez sur « Perovskite Bifacial Solar Cell (MAPI) » pour charger l’exemple de cellule solaire bifaciale. Lorsque vous y êtes invité, choisissez un dossier de destination sur un disque local et cliquez sur « Enregistrer ».

3. Lance la simulation et affiche la courbe J-V.

Cliquez sur le bouton bleu. Exécuter la simulation. bouton dans la barre d’outils (ou appuyez sur) F9) pour lancer le calcul de la valeur jointe en régime permanent. Une fois la simulation terminée, passez à Résultat onglet. L’onglet qui affiche les résultats est présenté dans ??, liste tous les fichiers de résultats enregistrés dans le répertoire de simulation. Double-cliquez. jv.csv pour ouvrir la fenêtre d’affichage du graphique de la courbe de courant-tension, comme illustré dans ??.

La caractéristique la plus frappante de la courbe courant-tension bifaciale est la densité de courant de court-circuit, JSC. Pour un dispositif pérovskite MAPbI₃ monofacial typique, soumis à un éclairage d’une intensité équivalente à celle du soleil, JSC est d’environ 200 à 250 A m⁻². Dans le cas présent, avec deux sources lumineuses d’une intensité équivalente à celle du soleil (une de chaque côté), JSC est à peu près doublée, atteignant des valeurs proches de 500 A m⁻². Cela reflète directement le gain bifacial : les deux surfaces captent les photons et génèrent des porteurs libres dans l’absorbeur MAPI. La tension en circuit ouvert, VOC, présente une augmentation plus modeste, car VOC dépend logarithmiquement du photCourant.

4. Vérifiez la configuration de la source de lumière.

Pour comprendre comment l’éclairage double est configuré, accédez à la barre d’options optiques située en haut de la fenêtre principale (voir ??) et cliquez sur « Sources de lumière ». Cela ouvre l’éditeur de sources de lumière, qui affiche la liste de tous les objets sources de lumière associés à la simulation en cours.

Dans l’éditeur de sources lumineuses, vous verrez deux entrées dans le panneau de gauche : « Haut » et « Bas ». Les sources lumineuses sont des objets comme tous les autres objets dans OghmaNano : elles ont une position physique (x, y, z) et une taille, que vous pouvez consulter dans l’onglet « Objet » (??). Pour l’éclairage standard des faces (haut, bas, gauche, droite, avant, arrière), ces propriétés spatiales sont sans importance : on suppose que la lumière provient de l’extérieur de la fenêtre de simulation. Elles ne deviennent importantes que si vous placez une source lumineuse à un endroit précis à l’intérieur du dispositif.

Cliquez sur l’onglet « Configuration » pour définir la direction d’où provient l’éclairage. Dans cet exemple de module bifacial, la valeur « Haut » est définie sur « Haut » (y0) (??) et la valeur « Bas » est définie sur « Bas » (y1) (??).

Ensemble, ces deux dispositifs simulent les conditions réelles de fonctionnement des modules bifaciaux : le rayonnement solaire direct pénètre par le haut (y0) à travers le contact FTO, tandis que le rayonnement diffus ou réfléchi pénètre par le bas (y1) à travers le substrat en verre et le contact ITO. Par défaut, les deux sources utilisent le même spectre AM1.5G, ce qui correspond au cas où le rayonnement à l’arrière est égal au rayonnement à l’avant, ce qui constitue une limite supérieure utile pour l’analyse du gain bifacial. En pratique, le rayonnement du côté arrière représente généralement 10 à 30 % du rayonnement du côté avant, et ce rapport peut être ajusté en modifiant l’intensité lumineuse dans l’onglet « Source lumineuse » de chaque dispositif.

5. Analyse optique : distribution des photons et densité des photons absorbés.

Une fois la simulation terminée, revenez à la barre d’outils « Optique » et cliquez sur « Matrice de transfert ». Cela ouvre l’éditeur de simulation optique, qui fournit des visualisations détaillées du champ optique à l’intérieur du dispositif. Les trois principaux résultats sont présentés dans les figures ci-dessous : la distribution totale des photons (??), la densité de photons absorbés (??) et le profil de la vitesse de génération unidimensionnelle (??).

Le profil du taux de génération dans ?? présente un pic à chaque extrémité de l’absorbeur MAPI : un pic à l’interface TiO₂/MAPI (y ≈ 0,3 µm), où la lumière entre par le haut, et un autre à l’interface MAPI/Spiro (y ≈ 0,7 µm), où la lumière entre par le bas. Dans un dispositif monofacial, seul le premier pic serait présent, et le taux de génération diminuerait de manière exponentielle dans l’absorbeur, conformément à la loi de Beer-Lambert. L’ajout d’un éclairage par l’arrière produit le deuxième pic et augmente le taux de génération total intégré – et donc le JSC – d’environ un facteur de deux.

6. Spectres de réflectance et de transmission.

Toujours dans l’éditeur de simulation optique, cliquez sur l’onglet « Lumière réfléchie » (??), puis sur l’onglet « Lumière transmise » (??). Les spectres de réflexion des surfaces supérieure (reflect0.csv) et inférieure (reflect1.csv) sont clairement différents : les franges d’interférence des couches minces oscillatoires sont déphasées et leur amplitude est différente, car la séquence d’interfaces rencontrées par la lumière incidente est différente de chaque côté. Les spectres de transmission, en revanche, sont identiques : transmit0.csv et transmit1.csv se superposent exactement. Il s’agit d’une conséquence directe du théorème de la réciprocité optique, qui stipule que la transmittance d’une pile optique linéaire passive est la même, quelle que soit la direction dans laquelle la lumière la traverse. La réflectance n’est soumise à aucune contrainte de ce type : elle dépend de la séquence d’interfaces spécifique observée à partir de chaque surface, ce qui explique pourquoi les deux spectres de réflexion diffèrent, tandis que les deux spectres de transmission sont identiques.

7. Comparaison de l’éclairage unilatéral obtenue en désactivant la source lumineuse inférieure.

Pour observer comment la distribution optique change lorsqu’une seule source lumineuse est active, retournez à la barre d’outils « Optique » et cliquez sur « Sources lumineuses » pour rouvrir l’éditeur de sources lumineuses. Dans le panneau de gauche, sélectionnez la source lumineuse « Btm ». Dans la barre d’outils située en haut de l’éditeur, le bouton affiche actuellement l’état « Activé » (icône de coche verte). Cliquez dessus pour désactiver la source lumineuse inférieure. Ensuite, cliquez sur « Exécuter la simulation optique » dans l’éditeur de simulation optique afin de mettre à jour les résultats de la simulation optique en n’utilisant que la source lumineuse supérieure.

La distribution mise à jour des photons, la densité des photons absorbés et le profil du taux de génération unidimensionnel sous un éclairage unilatéral (uniquement par le haut) sont présentés ci-dessous dans les figures ??, ?? et ??.

Le contraste entre les résultats optiques obtenus avec une cellule bifaciale et une cellule monofaciale illustre clairement l’origine physique de l’amélioration du courant dans une cellule bifaciale. Lorsque seule la source de lumière supérieure est active, le taux de génération atteint un pic marqué près de l’interface éclairée, puis diminue de manière exponentielle dans l’absorbeur. Lorsque les deux sources sont actives, un deuxième pic symétrique apparaît à l’arrière, et le taux de génération total – et donc le courant de court-circuit (JSC) – est approximativement doublé.

Résumé et principaux enseignements.

Ce tutoriel a présenté la simulation de cellules solaires pérovskites bifaces dans OghmaNano, en utilisant un dispositif MAPbI₃ avec une structure en couches air/FTO/TiO₂/MAPI/Spiro/ITO/verre/air. Vous avez constaté que le remplacement du contact arrière opaque par une couche transparente d’ITO permet à la lumière de pénétrer simultanément par les deux surfaces, ce qui double approximativement le courant de court-circuit (JSC), tandis que la tension en circuit ouvert (VOC) n’augmente que légèrement en raison de sa dépendance logarithmique par rapport au photocoourant. Le profil du taux de génération, qui atteint son maximum aux deux extrémités de l’absorbeur MAPI, est la signature optique directe de cet éclairage double. L’analyse des spectres de réflectance et de transmittance a confirmé que, bien que les deux spectres de réflexion soient différents (la séquence d’interfaces perçue à partir de chaque surface est différente), les spectres de transmission sont identiques dans les deux sens, comme l’exige le théorème de la réciprocité optique. Enfin, la désactivation de la source de lumière inférieure a montré comment le profil de génération se réduit à un seul pic et que l’absorption devient asymétrique, ce qui permet de retrouver le comportement monofacial habituel.