Tutoriel sur les cellules solaires à pérovskite, partie B : les dispositifs à pérovskite et la lumière.

Pour comprendre comment les dispositifs à base de pérovskite absorbent la lumière, nous devons d’abord examiner les données optiques disponibles dans OghmaNano. Le logiciel comprend une bibliothèque intégrée de spectres mesurés et normalisés que vous pouvez utiliser comme sources d’éclairage pour vos simulations.

1. Consultation des bases de données optiques d’OghmaNano.

1. Accédez à l’onglet « Bases de données », comme illustré dans ??.
2. Cliquez sur l’icône de la base de données optique (arc-en-ciel). Cela ouvre la fenêtre illustrée dans ??.
3. Double-cliquez sur AM1.5G pour charger le spectre solaire terrestre standard. Notez la zone d’irradiance maximale et les « creux » d’absorption causés par les molécules présentes dans l’atmosphère terrestre. La courbe devrait ressembler à ??.

2. Comprendre le spectre solaire.

Les performances de toute cellule solaire dépendent fortement de la répartition du rayonnement solaire qu’elle reçoit. Étant donné que l’intensité du soleil varie en fonction de l’heure et de la situation géographique, les chercheurs utilisent un spectre de référence appelé AM1.5G pour rendre les résultats comparables. Les figures ?? et ?? illustrent ce spectre : un graphique linéaire de l’irradiance spectrale en fonction de la longueur d’onde et une représentation en fausses couleurs sur l’ensemble du spectre visible. AM1.5G correspond au rayonnement solaire qui a traversé 1,5 fois l’épaisseur de l’atmosphère terrestre par rapport au soleil situé directement au-dessus, ce qui correspond approximativement aux conditions de l’après-midi dans les régions de latitude moyenne. Les creux d’intensité sont les signatures de l’absorption atmosphérique : l’ozone absorbe une partie des rayons UV, tandis que la vapeur d’eau et le dioxyde de carbone absorbent dans le domaine infrarouge. En utilisant AM1.5G dans les simulations, les rendements de vos dispositifs calculés peuvent être comparés de manière équitable aux valeurs publiées, y compris les rendements records souvent cités pour les cellules solaires en pérovskite.

3. Comment les matériaux pérovskites absorbent la lumière.

Une cellule solaire est constituée de plusieurs couches, chacune ayant sa propre fonction. Certaines servent à transporter les charges, tandis que d’autres sont chargées d’absorber les photons incidents. Pour examiner le spectre d’absorption d’un matériau pérovskite dans OghmaNano, ouvrez la base de données des matériaux à partir de la barre d’outils ??. Accédez au répertoire perovskite et sélectionnez std_perovskite. Dans l’onglet Absorption (??), vous verrez à quel point ce matériau absorbe la lumière sur l’ensemble du spectre. Cette absorption, qui varie en fonction de la longueur d’onde, détermine l’efficacité avec laquelle une couche active de pérovskite peut capter la lumière du soleil.

Le Soleil émet un spectre continu de longueurs d’onde, mais chaque région de ce spectre interagit différemment avec une cellule solaire à pérovskite :

• Rayonnements UV (environ 200 à 400 nm) : une grande partie de ces rayonnements est filtrée par l’atmosphère et les couches de verre avant d’atteindre l’appareil.
• Visible (environ 400 à 700 nm) : il s’agit de la principale fenêtre d’absorption des pérovskites, où la majeure partie de l’énergie est captée.
• Proche infrarouge (environ 700 à 2 500 nm) : Bien que cette plage du spectre contienne une quantité importante d’énergie solaire, les fines couches de pérovskite l’absorbent faiblement, de sorte qu’une grande partie de cette énergie les traverse ou est réfléchie.
• Moyen/Loin infrarouge (>≈2 500 nm) : il s’agit essentiellement d’un rayonnement thermique, qui n’est pas utile pour la conversion photovoltaïque.

3. Simulation de l’absorption de la lumière.

Après avoir présenté le spectre AM1.5G et les propriétés d’absorption des matériaux pérovskites, nous pouvons maintenant combiner ces éléments pour simuler la manière dont les photons sont distribués et absorbés à l’intérieur de l’ensemble du dispositif. Cette étape établit un lien entre l’apport optique du soleil et le profil spatial de la génération de charges à l’intérieur de la cellule.

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

La simulation génère plusieurs visualisations. La première est la carte de densité de photons, qui montre comment le champ optique est réparti dans tout le dispositif en fonction de la longueur d’onde et de la position (figure ??). Les zones claires correspondent aux motifs d’ondes stationnaires et aux fortes densités de photons à l’intérieur de la couche de pérovskite et aux interfaces adjacentes.

La deuxième est la carte d’absorption des photons, qui indique directement les endroits où les photons sont absorbés pour créer des paires électron-trou (figure ??). Ce graphique met en évidence les couches responsables de la capture de la lumière solaire et révèle l’efficacité avec laquelle la couche de pérovskite capte le rayonnement incident sur l’ensemble du spectre solaire.