Οπτική προσομοίωση οργανικών φωτοβολταϊκών (OPV): ηλιακή ακτινοβολία, απορρόφηση και παραγωγή.

Αυτή η ενότητα εξηγεί πώς η οπτική προσομοίωση χρησιμοποιείται για τη μοντελοποίηση της απορρόφησης του ηλιακού φωτός και της δημιουργίας φορτίου σε οργανικά ηλιακά κύτταρα. Στο OghmaNano, η οπτική μοντελοποίηση των οργανικών ηλιακών κυττάρων συνδυάζει το ηλιακό φάσμα AM1.5G, την απορρόφηση των υλικών ανάλογα με το μήκος κύματος και τις προσομοιώσεις με τη μέθοδο της μεταφοράς μήτρας, προκειμένου να υπολογιστεί πού απορροφώνται τα φωτόνια στην στοίβα της συσκευής. Αυτά τα προφίλ απορρόφησης καθορίζουν πού δημιουργούνται τα ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών και, ως εκ τούτου, παρέχουν την οπτική είσοδο για την ηλεκτρική προσομοίωση των οργανικών ηλιακών κυττάρων.

1. Εξερεύνηση της οπτικής βάσης δεδομένων της OghmaNano.

1. Μεταβείτε στην καρτέλα «Βάσεις δεδομένων», όπως φαίνεται στην εικόνα ??.
2. Κάντε κλικ στο εικονίδιο της οπτικής βάσης δεδομένων για να ανοίξετε το παράθυρο που εμφανίζεται στην εικόνα ??.
3. Κάντε διπλό κλικ στο AM1.5G για να δείτε το τυπικό ηλιακό φάσμα. Προσέξτε πού είναι η υψηλότερη ακτινοβολία και αναζητήστε τις μικρές ατμοσφαιρικές απορροφήσεις. Θα πρέπει να δείτε ένα γράφημα παρόμοιο με το ??.

2. Εξερεύνηση του ηλιακού φάσματος AM1.5G.

Η ένταση του ηλιακού φωτός ποικίλλει κατά τη διάρκεια της ημέρας και εξαρτάται επίσης από την τοποθεσία σας στον κόσμο. Για να συγκρίνουμε δίκαια τις ηλιακές κυψέλες, χρησιμοποιούμε επομένως ένα τυποποιημένο φάσμα που ονομάζεται AM1.5G. Γραφήματα αυτού του φάσματος εμφανίζονται στις εικόνες ?? και ?? (σε ψευδή χρώματα). Το φάσμα AM1.5G αντιπροσωπεύει το ηλιακό φως αφού έχει διαπεράσει περίπου 1,5 φορές το πάχος της ατμόσφαιρας σε σύγκριση με το άμεσο ηλιακό φως, το οποίο αντιστοιχεί σε τυπικές συνθήκες μεσαζοντικής περιοχής το απόγευμα. Οι μικρές «κορυφογραμμές» που είναι ορατές στο φάσμα οφείλονται στην ατμοσφαιρική απορρόφηση — για παράδειγμα, το όζον στο υπεριώδες και ο υδρατμός ή το CO2 στο υπέρυθρο. Η χρήση του φάσματος AM1.5G στις προσομοιώσεις σας επιτρέπει να συγκρίνετε τα αποτελέσματά σας άμεσα και με συνέπεια με τις τιμές που αναφέρονται στη βιβλιογραφία.

3. Πώς τα υλικά OPV απορροφούν το φως.

Τα ηλιακά κύτταρα κατασκευάζονται από πολλαπλές στρώσεις. Ορισμένες στρώσεις έχουν σχεδιαστεί για να απορροφούν το φως, ενώ άλλες για να μεταφέρουν τους φορείς φορτίου. Για να ελέγξετε την οπτική απορρόφηση ενός συγκεκριμένου υλικού, ανοίξτε τη βάση δεδομένων Υλικών, στην οποία μπορείτε να αποκτήσετε πρόσβαση κάνοντας κλικ στο εικονίδιο "Βάση δεδομένων Υλικών" στο ??. Στη συνέχεια, μεταβείτε στην ενότητα polymers και ανοίξτε το P3HT, και επιλέξτε την καρτέλα "Απορρόφηση" (??). Αυτό δείχνει πόσο έντονα απορροφά το πολυμερές ως συνάρτηση του μήκους κύματος. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι όλα τα υλικά απορροφούν το φως διαφορετικά σε διαφορετικά μήκη κύματος.

Το ηλιακό φάσμα είναι ένα συνεχές φάσμα μηκών κύματος· διαφορετικά μήκη κύματος του φωτός αλληλεπιδρούν με τη συσκευή με διαφορετικούς τρόπους, οι οποίοι περιγράφονται παρακάτω:

• UV (περίπου 200–400 nm): Η πλειονότητα της υπεριώδους ακτινοβολίας C/B δεν φτάνει στην επιφάνεια της συσκευής, καθώς απορροφάται στην ατμόσφαιρα/στο γυαλί.
• Ορατό φως (περίπου 400–700 nm): Η κύρια περιοχή του φάσματος στην οποία λειτουργούν τα οργανικά φωτοβολταϊκά (OPV). Μετά από μικρές απώλειες στο επίπεδο του γυαλιού/ITO, αυτό το φως απορροφάται στην ενεργό στρώση σύμφωνα με το φάσμα απορρόφησής της.
• Εγγύς υπέρυθρη ακτινοβολία (περίπου 700–2500 nm): Περιέχει μεγάλο μέρος της ενέργειας του Ήλιου, αλλά οι λεπτές οργανικές στρώσεις την απορροφούν ασθενώς, και μεγάλο μέρος της αντανακλάται.
• Μέση/Μακρινή υπέρβαση (Mid/Far-IR) (>≈2500 nm): Αυτή είναι κυρίως θερμική ακτινοβολία και γενικά δεν είναι χρήσιμη για τις συσκευές OPV.

4. Προσομοίωση της απορρόφησης του φωτός και της δημιουργίας φορτίου.

Τώρα που εξετάσαμε το ηλιακό φάσμα AM1.5G και τον τρόπο με τον οποίο τα υλικά απορροφούν το φως ανάλογα με το μήκος κύματος, μπορούμε να συνδυάσουμε αυτές τις ιδέες και να προσομοιώσουμε την απορρόφηση φωτονίων μέσα στην στοίβα της συσκευής.

Ανοίξτε την καρτέλα "Optical" (Οπτικά) (Εικόνα ??) και επιλέξτε "Transfer Matrix Simulation" (Προσομοίωση με τη μέθοδο της μεταφοράς μήτρας). Στο παράθυρο που θα ανοίξει, κάντε κλικ στην επιλογή "Run optical simulation" (Εκτέλεση οπτικής προσομοίωσης) (το κουμπί αναπαραγωγής). Το OghmaNano θα υπολογίσει την απορρόφηση ανάλογα με το μήκος κύματος, χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της μεταφοράς μήτρας.

Τα αποτελέσματα εμφανίζονται σε πολλές καρτέλες. Η προβολή της κατανομής των φωτονίων δείχνει το οπτικό πεδίο σε όλη τη στοίβα, ενώ η προβολή της κατανομής των φωτονίων (απορροφημένων) απεικονίζει πού απορροφώνται τα φωτόνια ως συνάρτηση τόσο της θέσης στη συσκευή όσο και του μήκους κύματος (Εικόνα ??).

Ανάλυση του διαγράμματος: στην αριστερή πλευρά της συσκευής, παρατηρείται ουσιαστικά μηδενική απορρόφηση στο διαφανές ITO, ακολουθούμενη από απορρόφηση στις ενεργές και παρακείμενες στρώσεις. Οποιοδήποτε φως διαδίδεται χωρίς να απορροφηθεί, τελικά ανακλάται ή χάνεται στην οπίσθια μεταλλική επαφή. Η χρωματική κλίμακα μπορεί να απεικονιστεί σε λογαριθμική κλίμακα, ώστε να αναδειχθούν τα ασθενή χαρακτηριστικά απορρόφησης.

Τέλος, η πυκνότητα των απορροφημένων φωτονίων ολοκληρώνεται ως προς το μήκος κύματος, δημιουργώντας ένα μονοδιάστατο προφίλ παραγωγής σε σχέση με τη θέση (Εικόνα ??). Αυτό το διάγραμμα δείχνει πού παράγει το σύστημα τα ηλεκτρονικά-οπτικά ζεύγη και σας βοηθά να αξιολογήσετε πόσο αποτελεσματικά ο οπτικός σχεδιασμός κατευθύνει το ηλιακό φως στην ενεργό στρώση.