Guide pratique sur les cellules solaires à pérovskite – Simulation de l’efficacité quantique (EQE)

1. Introduction

2. Préparation d’une simulation pour l’examen d’aptitude à l’exercice de la profession d’avocat (EQE).

Commencez par lancer OghmaNano. Dans la fenêtre principale, cliquez sur « Nouvelle simulation ». La bibliothèque des types d’appareils disponibles s’affiche comme indiqué dans ??. Double-cliquez sur la catégorie « Cellules pérovskites » pour accéder aux exemples d’appareils. Dans le dossier « pérovskites », vous trouverez un ensemble de simulations d’exemple préconfigurées, telles que les appareils MAPbI₃ et leurs variantes avec effets ioniques (ions figés, CELIV, etc.). Sélectionnez l’exemple « Cellule solaire pérovskite – ions figés (MAPI) », comme indiqué dans ??.

💡 Conseil : assurez-vous de sélectionner la cellule solaire à pérovskite – ions figés (MAPI) – la partie concernant les ions figés est importante et sera expliquée plus tard.

Avant de lancer la simulation, accédez à l’onglet « Type de simulation » et passez du mode par défaut « Hystérésis pérovskite » au mode « EQE ». Cela permettra de préparer la simulation pour effectuer les calculs d’EQE.

3. Lancer la simulation.

Une fois que vous aurez modifié le mode de simulation en EQE, allez dans l’onglet « Fichier ». Appuyez sur Exécuter la simulation. bouton (icône de lecture bleue) ou appuyez dessus. F9 pour lancer le calcul. Une fois le calcul terminé, allez dans Résultat Onglet où vous pourrez consulter les fichiers générés par la simulation EQE.

Une fois la simulation terminée, accédez à l’onglet « Résultats ». Double-cliquez sur eqe.csv pour afficher un graphique de la longueur d’onde en fonction de l’efficacité quantique externe (EQE) (voir ??). Si vous double-cliquez sur E_eqe.csv, vous verrez un graphique de l’énergie des photons en fonction de l’EQE (voir ??).

En théorie, c’est tout ce dont vous avez besoin pour effectuer des simulations EQE. La même technique s’applique à tous les types de dispositifs (par exemple, les cellules solaires au silicium ou organiques) : il suffit de cliquer sur le bouton EQE, de lancer la simulation, et le spectre EQE sera généré. Étant donné que ce tutoriel utilise une cellule solaire à pérovskite contenant des ions mobiles, il y a quelques détails supplémentaires à prendre en compte. Continuez votre lecture si vous souhaitez comprendre ces détails.

4. Quelques détails supplémentaires.

Lorsque vous appuyez sur le bouton de lecture et que vous lancez le solveur EQE, il procède en trois étapes. Étape 1 : il ajuste la tension de polarisation inverse de l’appareil jusqu’à la valeur souhaitée, à laquelle l’EQE sera mesurée ; (vous pouvez définir cette tension dans l’éditeur EQE : fenêtre principale → Éditeurs → EQE → Tension EQE). Étape 2 : il exécute le solveur optique sur la plage de longueurs d’onde pertinente afin de calculer la distribution des photons à l’intérieur de l’appareil (voir ??). Étape 3 : il effectue le calcul de l’EQE lui-même en utilisant ces résultats optiques à la tension de polarisation cible (voir ??). Vous pouvez observer ces différentes phases du calcul lorsque vous lancez le solveur.

La tension à laquelle la simulation EQE est effectuée peut être définie dans l’éditeur EQE (voir ??). Dans cet éditeur, le paramètre « Tension EQE » définit la polarisation utilisée pour le calcul, et on y accède via le ruban « Éditeurs » dans la fenêtre principale. L’avantage de faire fonctionner l’EQE à une tension plus négative est que cela minimise l’effet de la recombinaison des porteurs. Plus on se rapproche de zéro volt, et surtout si on applique une polarisation directe, plus la simulation inclura une quantité croissante de recombinaison. Dans ce cas, le résultat ne représente plus une mesure précise de l’EQE intrinsèque.

5. Efficacité quantique externe dans les pérovskites.

Les cellules solaires à base de pérovskite contiennent ions mobilesPar conséquent, toute mesure modifie la distribution des ions et affecte des paramètres tels que le rendement quantique externe (EQE) et le courant (J)._SCou V_OC dépend de l’historique. En pratique, l’approche courante consiste à augmenter progressivement la tension de l’appareil jusqu’à une valeur donnée, à laisser les ions se stabiliser, puis à effectuer la mesure. Dans cette simulation, nous reproduisons cette procédure : les ions peuvent se déplacer librement pendant l’augmentation de la tension, puis leur mouvement est arrêté une fois la tension cible atteinte, et l’efficacité quantique externe (EQE) est calculée rapidement afin que la distribution des ions ne soit pas davantage perturbée. Cela correspond aux bonnes pratiques dans ce domaine, où l’EQE est mesurée après stabilisation et sous une tension définie, comme le recommandent les directives de la communauté.Khenkin et al., Nature Energy, 2020.) et les normes internationales relatives aux panneaux photovoltaïques, telles que la norme IEC 60904.

Dans les pérovskites contenant des ions mobiles, des paramètres tels que le rendement quantique externe (EQE) et l’efficacité peuvent dépendre de l’historique de la tension du dispositif. Il existe deux méthodes pratiques pour obtenir un EQE constant : (i) désactiver temporairement le solveur d’ions mobiles (voir l’onglet « Électrique »), ou (ii) maintenir les ions mobiles pendant la phase de montée de la tension afin qu’ils se stabilisent, puis les immobiliser uniquement pendant le calcul de l’EQE. La deuxième méthode est contrôlée via l’éditeur de microcode de dérive-diffusion (voir ??).

En pratique, dans OghmaNano, il existe deux façons de gérer les ions mobiles lors de l’exécution de l’EQE. La première consiste à désactiver complètement le solveur d’ions mobiles. Cela peut se faire à partir de la barre d’outils « Électrique » dans la fenêtre principale en désactivant le bouton « Solveur d’ions pérovskite », qui se trouve juste en dessous du menu affiché dans ??. L’inconvénient de cette approche est qu’elle ignore complètement le mouvement des ions.

La deuxième méthode, plus subtile, consiste à laisser les ions rester mobiles pendant la lente variation de la tension, de sorte qu’ils se stabilisent dans une distribution quasi-équilibre, puis à les « figer » uniquement lorsque la mesure de l’EQE elle-même commence. Cela équivaut à appliquer expérimentalement une lente variation de tension négative pour permettre aux ions de se stabiliser, puis à mesurer l’EQE très rapidement avant que les ions n’aient le temps de se déplacer. Dans la simulation fournie, cela se fait par défaut à l’aide d’un petit script Lua.

Pour afficher ou modifier ce comportement, accédez à l’onglet « Électrique », ouvrez le menu situé à droite du bouton « Diffusion de dérive », puis cliquez sur « Modifier le microcode » (voir ??). Cela ouvre la fenêtre de l’éditeur de script (??), qui affiche le code Lua contrôlant le solveur. Les lignes clés désactivent le solveur d’ions chaque fois que le calcul de l’EQE est en cours, mais le maintiennent actif pendant la rampe de tension. Cela garantit que les ions atteignent l’équilibre avant le calcul de l’EQE, ce qui permet d’obtenir des résultats cohérents et physiquement réalistes. La même astuce peut également être appliquée aux courbes JV ou à d’autres expériences.