Εκπαιδευτικό σεμινάριο για την προσομοίωση διπλής όψης ηλιακών κυψελών περοβσκίτη: Διπλή φωτεινή πλευρά και οπτική ανάλυση στο OghmaNano.

🎯 Μαθησιακοί στόχοι

Μάθετε τι είναι τα αμφίδρομα φωτοβολταϊκά κύτταρα περοβσκίτη και γιατί είναι σημαντικά.
Δημιουργήστε και εκτελέστε μια προσομοίωση διπλής όψης περοβσκίτη στο OghmaNano.
Ερμηνεύστε την καμπύλη JV και κατανοήστε γιατί το JSC είναι περίπου διπλάσιο.
Ελέγξτε τη διαμόρφωση των δύο πηγών φωτός (φωτισμός από πάνω και από κάτω).
Αναλύστε την κατανομή των φωτονίων, τους χάρτες απορρόφησης, τα φάσματα ανάκλασης και διαπερατότητας.
Συγκρίνετε την οπτική έξοδο από αμφίδρομη έναντι μονόπλευρης φωτεινής πηγής.

📦 Προαπαιτούμενα

Το OghmaNano εγκαταστάθηκε και λειτουργεί.
Ολοκλήρωση του Εκπαιδευτικού προγράμματος για την περοβσκίτη, Μέρος Α (συνιστάται).
Βασική εξοικείωση με τις βασικές αρχές των ηλιακών κυψελών (JSC, VOC, PCE).

📺 Παραδείγματα από το YouTube

Προσομοίωση διπλής όψης ηλιακού στοιχείου περοβσκίτη | Εκπαιδευτικό πρόγραμμα TMM για φωτισμό από την εμπρόσθια και την οπίσθια πλευρά.

Conceptual illustration of a bifacial perovskite solar cell showing light entering from both the top and bottom surfaces of the device stack — Ένα αμφίδρομο ηλιακό στοιχείο περοβσκίτη συλλέγει φως και από τις δύο επιφάνειες της συσκευής. Το ηλιακό φως εισέρχεται μέσω της διαφανούς επαφής στην άνω πλευρά, ενώ το ανακλώμενο ή διάχυτο φως από το έδαφος ή την οπίσθια πλευρά του πάνελ εισέρχεται μέσω της διαφανούς επαφής στην κάτω πλευρά. Το αποτέλεσμα είναι ένα υψηλότερο αποτελεσματικό φωτορεύμα σε σύγκριση με μια συμβατική μονοπλευρική σχεδίαση.

1. Τι είναι ένα αμφίδρομο φωτοβολταϊκό στοιχείο περοβσκίτη;

Ένα αμφίδρομο ηλιακό στοιχείο είναι μια φωτοβολταϊκή συσκευή που έχει σχεδιαστεί για να απορροφά το φως που προσπίπτει ταυτόχρονα στις μπροστινές και πίσω επιφάνειές του (??). Σε ένα συμβατικό (μονοπλευρικό) ηλιακό στοιχείο, μόνο η πάνω επιφάνεια φωτίζεται· η πίσω επαφή είναι συνήθως αδιαφανής, επομένως κάθε φως που φτάνει στο πίσω μέρος της συσκευής χάνεται. Σε μια αμφίδρομη αρχιτεκτονική, και οι δύο επαφές γίνονται διαφανείς ή ημιδιαφανείς – για παράδειγμα, χρησιμοποιώντας ITO (οξείδιο του ινδίου και του κασσιτέρου) ή FTO (οξείδιο του κασσιτέρου με προσθήκη φθορίου) – επιτρέποντας στην πίσω επιφάνεια να συλλέγει ανακλώμενη, διασκορπισμένη ή διάχυτη ακτινοβολία από το περιβάλλον.

Στην περίπτωση των ηλιακών κυψελών περοβσκίτη (PSCs), η αμφίδρομη λειτουργία είναι ιδιαίτερα ελκυστική επειδή:

Η απορροφητική στρώση περοβσκίτη (π.χ. MAPbI₃) έχει πολύ υψηλό συντελεστή απορρόφησης, πράγμα που σημαίνει ότι μπορεί να απορροφήσει αποτελεσματικά τα φωτόνια, ακόμη και όταν αυτά φτάνουν από κάτω.
Και οι δύο στρώσεις μεταφοράς φορτίου (TiO₂ ως η στρώση μεταφοράς ηλεκτρονίων και Spiro-OMeTAD ως η στρώση μεταφοράς οπών) μπορούν να κατασκευαστούν αρκετά λεπτές και διαφανείς, ώστε να μην εμποδίζουν σημαντικά τον φωτισμό από την πίσω πλευρά.
Σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας – ιδίως σε εγκαταστάσεις διπλών φωτοβολταϊκών πάνελ με λευκή ή ανακλαστική επιφάνεια – η ηλιακή ακτινοβολία στην οπίσθια πλευρά μπορεί να αυξήσει την παραγωγή ενέργειας κατά 5–30% σε σύγκριση με τη λειτουργία μονών πάνελ.

Ο παράγοντας αμφίδρομης λειτουργίας, ηbif, ορίζεται ως ο λόγος της απόδοσης της οπίσθιας πλευράς προς την απόδοση της εμπρόσθιας πλευράς:

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

Ένα ιδανικό αμφίδρομο στοιχείο θα είχε ηbif = 1, που σημαίνει ότι θα είχε την ίδια απόδοση όταν φωτίζεται από οποιαδήποτε πλευρά. Στην πράξη, για τα αμφίδρομα στοιχεία περοβσκίτη, οι τιμές που συναντώνται συνήθως κυμαίνονται μεταξύ 0,7 και 0,95, ανάλογα με την ασυμμετρία των στρωμάτων μεταφοράς φορτίου και τη διαφάνεια κάθε επαφής.

Στο OghmaNano, η αμφίδρομη λειτουργία μοντελοποιείται με την προσθήκη δύο ανεξάρτητων αντικειμένων πηγής φωτός – ένα που φωτίζει από πάνω (y0) και ένα από κάτω (y1) – και τη σύνδεσή τους στον επιλυτή της οπτικής μήτρας μεταφοράς. Αυτό το εκπαιδευτικό πρόγραμμα παρουσιάζει την πλήρη διαδικασία, από τη φόρτωση του προτύπου προσομοίωσης έως την ανάλυση των προκύπτοντων οπτικών πεδίων και των χαρακτηριστικών καμπύλης ρεύματος-τάσης (JV).

2. Δημιουργήστε μια νέα προσομοίωση διπλής όψης περοβσκίτη.

Ξεκινήστε το OghmaNano από τα Windows και επιλέξτε "Νέα προσομοίωση". Αυτό θα ανοίξει τη βιβλιοθήκη συσκευών που εμφανίζεται στην εικόνα ??. Κάντε διπλό κλικ στο "Κελιά περοβσκίτη" για να ανοίξετε τον φάκελο με τα παραδείγματα περοβσκίτη. Στη συνέχεια, θα δείτε τη λίστα με τα διαθέσιμα πρότυπα περοβσκίτη που εμφανίζεται στην εικόνα ??. Κάντε διπλό κλικ στο "Αμφίδρομο ηλιακό κύτταρο περοβσκίτη (MAPI)" για να φορτώσετε το παράδειγμα αμφίδρομου κυττάρου. Όταν σας ζητηθεί, επιλέξτε έναν φάκελο προορισμού σε έναν τοπικό δίσκο και κάντε κλικ στην "Αποθήκευση".

💡 Συμβουλή: Αποθηκεύστε σε έναν τοπικό δίσκο, όπως το C:\. Οι προσομοιώσεις που είναι αποθηκευμένες σε κοινόχρηστους φακέλους δικτύου, σε μονάδες USB ή σε φακέλους που συγχρονίζονται στο cloud (π.χ. OneDrive, Dropbox) ενδέχεται να εκτελούνται αργά λόγω των συχνών λειτουργιών ανάγνωσης/εγγραφής.

OghmaNano new simulation window showing device type categories including Perovskite cells, OFETs, GaAs demos, FDTD examples, and tandem solar cells — Το νέο παράθυρο προσομοίωσης εμφανίζει όλες τις διαθέσιμες κατηγορίες συσκευών. Κάντε διπλό κλικ στην επιλογή "Κελιά περοβσκίτη" (η οποία είναι επισημασμένη) για να εισέλθετε στον φάκελο με τα παραδείγματα περοβσκίτη.

OghmaNano perovskite cell template list showing Perovskite Bifacial Solar Cell (MAPI), Perovskite solar cell (MAPI), CELIV example, frozen ions, and tandem Si-perovskite options — Μέσα στον φάκελο "Perovskite", επιλέξτε το "Perovskite Bifacial Solar Cell (MAPI)" και αποθηκεύστε το σε έναν τοπικό φάκελο της επιλογής σας.

OghmaNano main simulation window showing the 3D device structure of a bifacial perovskite solar cell with green arrows indicating light entering from both the top and bottom surfaces. Layer labels show TiO2, MAPI, Spiro, ITO, and Glass. — Η κύρια διεπαφή του OghmaNano, η οποία απεικονίζει το αμφίδρομο ηλιακό στοιχείο περοβσκίτη. Τα πράσινα βέλη πάνω και κάτω από τη συσκευή υποδεικνύουν ότι η φωτεινή ακτινοβολία εφαρμόζεται ταυτόχρονα και στις δύο επιφάνειες, την επάνω (y0) και την κάτω (y1). Η πλήρης στοίβα στρώσεων — αέρας / FTO / TiO₂ / MAPI / Spiro / ITO / Γυαλί / αέρας — επισημαίνεται στα δεξιά. Κάντε κλικ στο κουμπί "Επεξεργαστής στρώσεων" στην αριστερή εργαλειοθήκη για να επιθεωρήσετε ή να τροποποιήσετε μεμονωμένες στρώσεις.

OghmaNano Layer editor showing the bifacial perovskite stack: air (50 nm), FTO (50 nm), TiO2 (200 nm), MAPI (400 nm), Spiro (200 nm), ITO (100 nm), Glass (200 nm), air (50 nm) with optical material assignments and layer types — Ο επεξεργαστής στρώσεων για το αμφίδρομο κελί περοβσκίτη. Σημειώστε ότι το ITO χρησιμοποιείται ως οπίσθια επαφή (αντικαθιστώντας το αδιαφανές Au μιας μονόδρομης συσκευής) και ένα γυάλινο υπερστρώμα βρίσκεται κάτω από αυτό — και τα δύο είναι διαφανή, ώστε να επιτρέπεται η οπίσθια πλευρά να φωτίζεται και να φτάνει στο απορροφητικό στρώμα MAPI.

Μόλις φορτώσει η προσομοίωση, το κύριο παράθυρο του OghmaNano εμφανίζει τη διπλή όψη της συσκευής στο τρισδιάστατο πάνελ απεικόνισης, όπως φαίνεται στην εικόνα. ??Παρατηρήστε το πράσινες βέλη υποδεικνύει το φως που εισέρχεται στη συσκευή από τόσο η πάνω όσο και η κάτω επιφάνεια - αυτό είναι το κύριο χαρακτηριστικό της αμφίδρομης λειτουργίας. - Η διάταξη των στρωμάτων που φαίνεται στην τρισδιάστατη προβολή είναι η εξής: αέρας / FTO / TiO₂ / MAPI / Spiro / ITO / γυαλί / αέραςόπου και οι δύο επαφές, FTO και ITO, είναι διαφανείς, επιτρέποντας τον διπλής όψης φωτισμό.

Μπορείτε να εξετάσετε λεπτομερώς τη διάταξη των στρώσεων κάνοντας κλικ στην επιλογή "Επεξεργαστής στρώσεων" στην αριστερή γραμμή εργαλείων. Στο παράθυρο του επεξεργαστή στρώσεων, που εμφανίζεται στην εικόνα ??, εμφανίζεται κάθε στρώση με το πάχος της, την ανάθεση οπτικού υλικού, τον τύπο στρώσης (επαφής, ενεργής ή άλλου) και εάν το οπτικό πρόβλημα έχει επιλυθεί για αυτήν τη στρώση. Η αμφίδρομη διάταξη περιλαμβάνει ITO ως την οπίσθια διαφανή επαφή και ένα γυάλινο υπερστρώμα από κάτω, και τα δύο επιτρέπουν στο φως να εισέλθει στην απορροφητική στρώση MAPI από την οπίσθια πλευρά.

3. Εκτελέστε την προσομοίωση και δείτε την καμπύλη τάσης-ρεύματος (JV).

Κάντε κλικ στο μπλε. Εκτέλεση προσομοίωσης. κουμπί στην εργαλειοθήκη (ή πατήστε) F9) για να ξεκινήσετε τον υπολογισμό της σταθερής κατάστασης του JV. Μόλις ολοκληρωθεί η προσομοίωση, μεταβείτε στην Έξοδος η καρτέλα. Η καρτέλα εξόδου, που εμφανίζεται στην ??, παρέχει μια λίστα με όλα τα αρχεία αποτελεσμάτων που έχουν αποθηκευτεί στον φάκελο της προσομοίωσης. Κάντε διπλό κλικ. jv.csv για να ανοίξετε το παράθυρο προβολής της καμπύλης τάσης-ρεύματος (JV), όπως φαίνεται στην εικόνα ??.

OghmaNano Output tab showing simulation result files including jv.csv, charge.csv, optical_output, optical_snapshots, sim_info.dat, and snapshots for the bifacial perovskite solar cell — Η καρτέλα "Έξοδος" εμφανίζει μια λίστα με όλα τα αρχεία που δημιουργήθηκαν από την προσομοίωση. Κάντε διπλό κλικ στο `jv.csv` για να εμφανίσετε τη γραφική παράσταση της καμπύλης JV.

JV curve of a bifacial perovskite solar cell plotted in OghmaNano. The current density axis shows values approaching -500 A/m² at short circuit, approximately double the value expected for a monofacial device, due to dual-sided illumination. — Η καμπύλη τάσης-ρεύματος (JV) για τη διπλή όψη της συσκευής περοβσκίτη. Σημειώστε ότι το JSC πλησιάζει τις -500 A m⁻², δηλαδή περίπου το διπλάσιο της αναμενόμενης τιμής για μια μονόπλευρη κυψέλη περοβσκίτη, λόγω του ότι τα φωτόνια συλλέγονται ταυτόχρονα και από τις δύο πηγές φωτός, την πάνω και την κάτω.

Το πιο άμεσα εμφανές χαρακτηριστικό της διπλής καμπύλης τάσης-ρεύματος (JV) είναι η πυκνότητα ρεύματος βραχυκυκλώματος JSC. Για μια τυπική μονόπλευρη συσκευή περοβσκίτη MAPbI₃ υπό φωτισμό 1 Sun, η JSC είναι περίπου 200–250 A m⁻². Εδώ, με δύο πηγές φωτός 1 Sun (μία από κάθε πλευρά), η JSC διπλασιάζεται κατά προσέγγιση, φτάνοντας τιμές κοντά στα 500 A m⁻². Αυτό αντικατοπτρίζει άμεσα το διπλό κέρδος: και οι δύο επιφάνειες συλλέγουν φωτόνια και παράγουν ελεύθερους φορείς στο απορροφητικό στρώμα MAPI. Η τάση ανοικτού κυκλώματος VOC παρουσιάζει μια πιο μέτρια αύξηση, επειδή η VOC εξαρτάται λογαριθμικά από το φωτορεύμα.

📝 Ερώτηση: Γιατί η τιμή JSC διπλασιάζεται περίπου όταν προστίθεται μια δεύτερη πηγή φωτός, ενώ η τιμή VOC δεν διπλασιάζεται;

💡 Εμφάνισε την απάντηση

Το JSC είναι άμεσα ανάλογο με τον ρυθμό φωτοπαραγωγής στον απορροφητή, επομένως η διπλάσια ροή φωτονίων αυξάνει κατά προσέγγιση στο μισό το ρεύμα βραχυκυκλώματος. Το VOC, από την άλλη πλευρά, σχετίζεται με το φωτορεύμα μέσω μιας λογαριθμικής σχέσης: VOC = (nkBT/q) ln(JSC/J0). Επομένως, η διπλάσια τιμή του JSC αυξάνει το VOC κατά μόνο nkBT/q × ln(2) ≈ 18 mV σε θερμοκρασία δωματίου – μια μικρή αλλά μετρήσιμη βελτίωση.

4. Ελέγξτε τη διαμόρφωση της πηγής φωτός.

Για να κατανοήσετε πώς είναι διαμορφωμένος ο διπλός φωτισμός, μεταβείτε στην καρτέλα "Οπτικά" στο επάνω μέρος του κύριου παραθύρου (δείτε ??) και κάντε κλικ στην επιλογή "Πηγές φωτός". Αυτό ανοίγει τον επεξεργαστή "Πηγές φωτός", ο οποίος εμφανίζει όλες τις πηγές φωτός που σχετίζονται με την τρέχουσα προσομοίωση.

OghmaNano Optical ribbon showing buttons for Light Sources, Lasers, Transfer Matrix, Optical Outcoupling, Ray tracing editor, Optical Detectors, FDTD Simulation, Mode Calculator, Optical thickness, Optical mesh, and Boundary Conditions — Η οπτική ταινία. Κάντε κλικ στην επιλογή "Πηγές φωτός" (αριστερά, εικονίδιο φάρου) για να ανοίξετε τον επεξεργαστή πηγών φωτός και να ελέγξετε τη διαμόρφωση διπλής φωτεινότητας.

Στον επεξεργαστή πηγών φωτός, θα δείτε δύο καταχωρήσεις στο αριστερό πλαίσιο: Κορυφή και Κάτω. Οι πηγές φωτός είναι αντικείμενα όπως κάθε άλλο αντικείμενο στο OghmaNano — έχουν μια φυσική θέση και μέγεθος στις συντεταγμένες x, y, z, τα οποία είναι ορατά στην καρτέλα Αντικείμενο (??). Για τον τυπικό φωτισμό των επιφανειών (πάνω, κάτω, αριστερά, δεξιά, μπροστά, πίσω), αυτές οι χωρικές ιδιότητες είναι ασήμαντες — υποτίθεται ότι το φως προέρχεται από έξω από το παράθυρο προσομοίωσης. Γίνονται σημαντικές μόνο εάν τοποθετήσετε μια πηγή φωτός σε μια συγκεκριμένη θέση μέσα στη συσκευή.

Κάντε κλικ στην καρτέλα "Ρυθμίσεις" για να ορίσετε την κατεύθυνση από την οποία θα προέρχεται ο φωτισμός. Σε αυτό το παράδειγμα διπλής όψης, η επιλογή "Επάνω" έχει οριστεί σε "Επάνω (y0)" (??) και η επιλογή "Κάτω" έχει οριστεί σε "Κάτω (y1)" (??).

OghmaNano light source editor Object tab showing the general object properties of the Top light source, including object type, offset, xyz size, steps, rotate, and colour fields — Η καρτέλα «Αντικείμενο» εμφανίζει τις γενικές ιδιότητες του επιλεγμένου αντικειμένου πηγής φωτός, όπως τον τύπο του, την απόκλιση θέσης, το μέγεθος και το χρώμα εμφάνισης. Το εικονίδιο του φάρου το προσδιορίζει ως πηγή φωτός εντός του μοντέλου της συσκευής.

OghmaNano light source editor Configure tab for the Top light source, showing Illuminate from set to Top (y0), with beam shape Square and 10×10 beams — Η καρτέλα "Ρυθμίσεις" για την ανώτερη πηγή φωτός. Το πεδίο "Φωτισμός από" έχει οριστεί σε "Ανώτερο (y0)", κατευθύνοντας το φως προς τα κάτω, μέσα στη συσκευή, μέσω της επαφής FTO – προσομοιώνοντας έτσι την άμεση ηλιακή ακτινοβολία στην μπροστινή επιφάνεια.

OghmaNano light source editor Configure tab for the Btm (bottom) light source, showing Illuminate from set to Bottom (y1), with beam shape Square and 10×10 beams — Η καρτέλα "Ρυθμίσεις" για την πηγή φωτός Btm (κάτω). Η επιλογή "Φωτισμός από" έχει οριστεί σε "Κάτω (y1)", κατευθύνοντας το φως προς τα πάνω, μέσω του γυαλιού και της οπίσθιας επαφής ITO – προσομοιώνοντας την ανακλαστικότητα ή την ανακλώμενη ακτινοβολία που φτάνει στην οπίσθια επιφάνεια σε μια αμφίδρομη εγκατάσταση.

Συνολικά, αυτά τα δύο αντικείμενα πηγών φωτός αναπαράγουν τις πραγματικές συνθήκες λειτουργίας των αμφίδρομων ηλιακών κυψελών: η άμεση ηλιακή ακτινοβολία εισέρχεται από την κορυφή (y0) μέσω της επαφής FTO, ενώ η διάχυτη ή ανακλώμενη ακτινοβολία εισέρχεται από το κάτω μέρος (y1) μέσω του γυάλινου υποστρώματος και της επαφής ITO. Και οι δύο πηγές χρησιμοποιούν από προεπιλογή το ίδιο φάσμα AM1.5G, το οποίο αντιστοιχεί στην περίπτωση όπου η οπίσθια ακτινοβολία ισούται με την πρόσθια ακτινοβολία – μια χρήσιμη ανώτερη τιμή για την ανάλυση του κέρδους των αμφίδρομων κυψελών. Στην πράξη, η οπίσθια ακτινοβολία είναι συνήθως το 10–30% της πρόσθιας ακτινοβολίας, κάτι που μπορεί να ρυθμιστεί τροποποιώντας την ένταση του φωτός στην καρτέλα «Πηγή φωτός» κάθε πηγής.

5. Οπτική ανάλυση – κατανομή φωτονίων και πυκνότητα απορροφημένων φωτονίων.

Αφού εκτελέσετε την προσομοίωση, επιστρέψτε στην καρτέλα "Οπτική" και κάντε κλικ στην επιλογή "Μεταφορά Πίνακα". Αυτό θα ανοίξει τον επεξεργαστή οπτικής προσομοίωσης, ο οποίος παρέχει λεπτομερείς οπτικοποιήσεις του οπτικού πεδίου εντός της συσκευής. Στις παρακάτω εικόνες εμφανίζονται τρεις βασικές έξοδοι: η συνολική κατανομή φωτονίων (??), η απορροφούμενη πυκνότητα φωτονίων (??) και το συμπτυγμένο προφίλ ρυθμού παραγωγής 1D (??).

OghmaNano optical simulation editor Photon distribution tab showing a 2D colour map of photon density as a function of wavelength (300–900 nm) and device y-position (0–1.2 µm). Bright regions are concentrated at the left edge of the device, consistent with illumination entering from the top FTO contact. — Κατανομή φωτονίων: η πυκνότητα των φωτονίων (m⁻³) ως συνάρτηση του μήκους κύματος και της θέσης εντός της στοίβας της συσκευής. Η φωτεινή περιοχή στην χαμηλή θέση y (αριστερά) αντιστοιχεί στην επάνω πηγή φωτός που εισέρχεται μέσω του FTO· μια συμπληρωματική κατανομή από την κάτω πηγή είναι ορατή στις υψηλότερες θέσεις y.

OghmaNano optical simulation editor Photon distribution absorbed tab showing a 2D colour map of absorbed photon density as a function of wavelength and y-position. The absorption is strongly concentrated in the MAPI layer (between approximately 0.3 and 0.7 µm) across wavelengths up to 800 nm. — Πυκνότητα απορροφούμενων φωτονίων: η πυκνότητα των φωτονίων που απορροφώνται ανά μονάδα όγκου (m⁻³ s⁻¹) σε όλη τη συσκευή. Η απορρόφηση είναι έντονα τοπική εντός της στρώσης περοβσκίτη MAPI (y ≈ 0,3–0,7 µm), με συνεισφορές και από τις δύο πηγές φωτός (την επάνω και την κάτω), οι οποίες εμφανίζονται ως διακριτά χαρακτηριστικά απορρόφησης σε κάθε άκρο του απορροφητή.

Ρυθμός δημιουργίας (προφίλ 1D): Ο φασματικά ολοκληρωμένος ρυθμός δημιουργίας απεικονίζεται ως συνάρτηση της θέσης της συσκευής. Παρατηρούνται δύο διακριτά μέγιστα — ένα κοντά στην διεπιφάνεια TiO₂/MAPI (ανώτερος φωτισμός) και ένα κοντά στην διεπιφάνεια MAPI/Spiro (κατώτερος φωτισμός) — γεγονός που επιβεβαιώνει ότι και οι δύο πηγές φωτός συμβάλλουν στη δημιουργία φωτορεύματος. Οι ενέργειες της ζώνης αγωγιμότητας και της ζώνης σθένους ορίζονται ομοιόμορφα σε -3,8 eV και -5,4 eV σε όλη τη συσκευή για λόγους απλότητας. Σημειώστε ότι τα επίπεδα ενέργειας που εμφανίζονται για τις στρώσεις FTO, ITO, γυαλιού και αέρα προορίζονται μόνο για την απεικόνιση — αυτές οι στρώσεις δεν αποτελούν μέρος της ηλεκτρικής προσομοίωσης.

Το προφίλ του ρυθμού δημιουργίας φορέων στο ?? παρουσιάζει μια κορυφή σε κάθε άκρο του απορροφητή MAPI — μία στην διεπιφάνεια TiO₂/MAPI (y ≈ 0,3 µm) όπου το φως εισέρχεται από την πάνω πλευρά και μία στην διεπιφάνεια MAPI/Spiro (y ≈ 0,7 µm) όπου το φως εισέρχεται από την κάτω πλευρά. Σε μια μονοπλευρική συσκευή, θα υπήρχε μόνο η πρώτη κορυφή, με τον ρυθμό δημιουργίας να μειώνεται εκθετικά σε όλο τον απορροφητή, σύμφωνα με την απορρόφηση Beer-Lambert. Η προσθήκη φωτισμού από την πίσω πλευρά δημιουργεί τη δεύτερη κορυφή και αυξάνει τον συνολικό ολοκληρωμένο ρυθμό δημιουργίας — και επομένως το JSC — κατά περίπου έναν παράγοντα δύο.

6. Φάσματα ανάκλασης και διαπερατότητας.

Ενώ εξακολουθείτε να βρίσκεστε στον επεξεργαστή οπτικής προσομοίωσης, κάντε κλικ στην καρτέλα «Ανακλώμενο φως» (??) και στη συνέχεια στην καρτέλα «Διαπερατό φως» (??). Τα φάσματα ανάκλασης από την άνω (reflect0.csv) και την κάτω (reflect1.csv) επιφάνεια είναι σαφώς διαφορετικά — οι ταλαντευόμενες παρεμβολές λεπτής μεμβράνης έχουν μετατοπιστεί σε φάση και πλάτος επειδή η ακολουθία των διεπαφών που συναντά το εισερχόμενο φως είναι διαφορετική από κάθε πλευρά. Τα φάσματα μετάδοσης, ωστόσο, είναι πανομοιότυπα: τα αρχεία transmit0.csv και transmit1.csv βρίσκονται ακριβώς το ένα πάνω στο άλλο. Αυτό είναι μια άμεση συνέπεια του οπτικού θεωρήματος της αμοιβαιότητας, το οποίο δηλώνει ότι η διαπερατότητα μιας παθητικής γραμμικής οπτικής στοίβας είναι η ίδια ανεξάρτητα από την κατεύθυνση στην οποία ταξιδεύει το φως. Η ανάκλαση δεν υπόκειται σε τέτοιο περιορισμό — εξαρτάται από τη συγκεκριμένη ακολουθία διεπαφών που βλέπει κάθε επιφάνεια — και αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο τα δύο φάσματα ανάκλασης διαφέρουν, ενώ τα δύο φάσματα μετάδοσης δεν διαφέρουν.

OghmaNano Reflected light tab showing two reflectance spectra (reflect0.csv in blue and reflect1.csv in red) plotted against wavelength from 300 to 900 nm. Both curves show oscillatory thin-film interference features. The spectra differ in magnitude and phase due to the asymmetric layer stacks seen from each surface. — Φάσματα ανακλώμενου φωτός από την άνω επιφάνεια (reflect0.csv, μπλε) και την κάτω επιφάνεια (reflect1.csv, κόκκινο). Και τα δύο παρουσιάζουν ταλαντευόμενες παρεμβολές λεπτών υμενίων, οι οποίες προέρχονται από τις πολλαπλές διεπαφές στην πολυεπίπεδη δομή. Τα φάσματα διαφέρουν ως προς το σχήμα τους επειδή η ακολουθία των στρώσεων που βλέπει το εισερχόμενο φως είναι διαφορετική από κάθε πλευρά.

OghmaNano Transmitted light tab showing two transmittance spectra (transmit0.csv in blue and transmit1.csv in red) plotted against wavelength. The two curves are almost indistinguishable from each other above approximately 550 nm, consistent with the optical reciprocity theorem. — Φάσματα του διαπερατού φωτός μέσω της συσκευής, από την άνω (transmit0.csv, μπλε) και την κάτω (transmit1.csv, κόκκινη) πλευρά. Σημειώστε ότι οι δύο καμπύλες είναι ουσιαστικά πανομοιότυπες πάνω από το όριο απορρόφησης του περοβσκίτη (~550 nm), γεγονός που αποτελεί συνέπεια του θεωρήματος της οπτικής αμοιβαιότητας: η διαπερατότητα μιας παθητικής γραμμικής οπτικής στοίβας είναι η ίδια ανεξάρτητα από την κατεύθυνση με την οποία διαδίδεται το φως.

💡 Εμφάνισε την απάντηση

Η διαπερατότητα διέπεται από το θεώρημα της οπτικής αμοιβαιότητας: για οποιοδήποτε παθητικό γραμμικό οπτικό σύστημα (χωρίς ενίσχυση, χωρίς μη γραμμικά φαινόμενα), η διαπερατότητα από τη θύρα Α στη θύρα Β ισούται με τη διαπερατότητα από τη θύρα Β στη θύρα Α. Επομένως, η συνολική ποσότητα φωτός που περνά πλήρως μέσα από τη στοίβα είναι η ίδια, ανεξάρτητα από την κατεύθυνση της φωτεινής δέσμης. Η ανακλαστικότητα, αντίθετα, εξαρτάται από τη συγκεκριμένη ακολουθία των διεπαφών που συναντά η εισερχόμενη δέσμη – η οποία διαφέρει μεταξύ της άνω και της κάτω επιφάνειας – επομένως τα αρχεία reflect0.csv και reflect1.csv μπορούν να διαφέρουν και, κατά κανόνα, διαφέρουν.

7. Σύγκριση της μονόπλευρης φωτεινότητας απενεργοποιώντας την κάτω πηγή φωτός.

Για να δείτε πώς αλλάζει η οπτική κατανομή όταν είναι ενεργή μόνο μία πηγή φωτός, επιστρέψτε στην οπτική κορδέλα και κάντε κλικ στην επιλογή "Πηγές φωτός" για να ανοίξετε ξανά τον επεξεργαστή πηγών φωτός. Στο αριστερό πλαίσιο, επιλέξτε την πηγή φωτός "Btm". Στη γραμμή εργαλείων στο επάνω μέρος του επεξεργαστή, το κουμπί εμφανίζει αυτήν τη στιγμή την ένδειξη "Ενεργό" (πράσινο εικονίδιο με σήμα ελέγχου). Κάντε κλικ σε αυτό για να απενεργοποιήσετε την κάτω πηγή φωτός. Στη συνέχεια, κάντε κλικ στην επιλογή "Εκτέλεση οπτικής προσομοίωσης" στον επεξεργαστή οπτικής προσομοίωσης για να ενημερώσετε την οπτική έξοδο, ώστε να είναι ενεργή μόνο η επάνω πηγή φωτός.

Η ενημερωμένη κατανομή των φωτονίων, η πυκνότητα των απορροφημένων φωτονίων και το προφίλ του ρυθμού παραγωγής σε μία διάσταση, υπό μονόπλευρο φωτισμό (από την πάνω πλευρά), παρουσιάζονται παρακάτω στις εικόνες ??, ?? και ??.

OghmaNano photon distribution 2D map under monofacial (top-only) illumination. The bright absorption region is now concentrated only at the left side of the device (low y-position), corresponding to light entering through the top FTO contact only. No absorption feature is visible at the right (high y-position) side. — Κατανομή φωτονίων – φωτισμός μόνο από την άνω πλευρά. Όταν η κάτω πηγή φωτός είναι απενεργοποιημένη, η πυκνότητα των φωτονίων συγκεντρώνεται στην άνω πλευρά (χαμηλή θέση y) της συσκευής. Δεν υπάρχει καμία συνεισφορά από την οπίσθια επιφάνεια.

OghmaNano absorbed photon density map under top-only illumination. Absorption is asymmetrically concentrated at the TiO2/MAPI interface (left side), with absorption decaying toward the MAPI/Spiro interface. The pattern is typical of a monofacial perovskite device. — Πυκνότητα απορροφούμενων φωτονίων – φωτισμός μόνο από την πάνω πλευρά. Η απορρόφηση είναι πλέον ασύμμετρη, με μέγιστη τιμή κοντά στην διεπιφάνεια TiO₂/MAPI και μειώνεται καθώς διαπερνά τον απορροφητή. Συγκρίνετε με την αμφίδρομη περίπτωση, όπου η απορρόφηση και από τις δύο πλευρές δημιουργεί ένα πιο ομοιόμορφο προφίλ σε όλη την στρώση MAPI.

Προφίλ ρυθμού δημιουργίας – μόνο φωτισμός από την πάνω πλευρά. Παρατηρείται μόνο μία κορυφή, κοντά στη διασταύρωση TiO₂/MAPI. Η δεύτερη κορυφή από την κάτω πηγή φωτός έχει εξαφανιστεί, επιβεβαιώνοντας ότι η διπλή κορυφή (χαρακτηριστικό της αμφίδρομης λειτουργίας) οφειλόταν αποκλειστικά στη διαμόρφωση διπλού φωτισμού.

Η αντίθεση μεταξύ των οπτικών αποτελεσμάτων των διπλανών και μονόπλανων κυψελών απεικονίζει με σαφήνεια τη φυσική προέλευση της ενίσχυσης του ρεύματος στις διπλανές κυψέλες. Όταν είναι ενεργοποιημένη μόνο η πάνω πηγή φωτός, ο ρυθμός παραγωγής κορυφώνεται απότομα κοντά στην φωτιζόμενη επιφάνεια και μειώνεται εκθετικά σε όλο τον απορροφητή. Όταν είναι ενεργοποιημένες και οι δύο πηγές, εμφανίζεται μια δεύτερη, συμμετρική κορυφή από την οπίσθια πλευρά και ο συνολικός ολοκληρωμένος ρυθμός παραγωγής – και επομένως το JSC – διπλασιάζεται κατά προσέγγιση.

Σύνοψη και συμπεράσματα.

Σε αυτό το εκπαιδευτικό υλικό, παρουσιάζεται η προσομοίωση μιας αμφίδρομης ηλιακής κυψέλης περοβσκίτη στο OghmaNano, χρησιμοποιώντας μια συσκευή MAPbI₃ με τη στοίβα αέρας / FTO / TiO₂ / MAPI / Spiro / ITO / Γυαλί / αέρας. Έχετε δει ότι η αντικατάσταση της αδιαφανούς οπίσθιας επαφής με μια διαφανή στρώση ITO επιτρέπει στο φως να εισέρχεται και από τις δύο επιφάνειες ταυτόχρονα, αυξάνοντας κατά προσέγγιση το JSC κατά δύο, ενώ το VOC αυξάνεται μόνο ελαφρώς λόγω της λογαριθμικής του εξάρτησης από το φωτορεύμα. Το προφίλ του ρυθμού δημιουργίας – που κορυφώνεται και στις δύο άκρες του απορροφητή MAPI – είναι η άμεση οπτική υπογραφή αυτής της διπλής φωτεινής ακτινοβολίας. Η εξέταση των φασμάτων ανάκλασης και μετάδοσης επιβεβαίωσε ότι, ενώ τα δύο φάσματα ανάκλασης διαφέρουν (η ακολουθία των διεπαφών που βλέπει κάθε επιφάνεια είναι διαφορετική), τα φάσματα μετάδοσης είναι πανομοιότυπα και στις δύο κατευθύνσεις, όπως απαιτείται από το οπτικό θεώρημα της αμοιβαιότητας. Τέλος, η απενεργοποίηση της κάτω πηγής φωτός έδειξε πώς το προφίλ δημιουργίας καταρρέει σε μια μόνο κορυφή και η απορρόφηση γίνεται ασύμμετρη, ανακτώντας τη γνωστή μονοπλευρική συμπεριφορά.

👉 Επόμενα βήματα:

Δοκιμάστε να τροποποιήσετε την ένταση της κάτω πηγής φωτός (στην καρτέλα «Πηγή φωτός») σε τιμές 0,1 και 0,3 Suns, οι οποίες αντιστοιχούν σε πιο ρεαλιστικά επίπεδα οπίσθιας ακτινοβολίας σε μια εγκατάσταση διπλής όψης. Παρατηρήστε πώς αλλάζουν οι τιμές JSC, VOC και PCE.
Επιστρέψτε στο Εκπαιδευτικό Υλικό για Περοβσκίτες, Μέρος Β για να εξερευνήσετε πώς η οπτική στοίβα και το πάχος του απορροφητή επηρεάζουν την οπτική απόδοση μιας μονοπλευρικής συσκευής.
Εξερευνήστε την ενότητα επισκόπηση της προσομοίωσης ηλιακών κυψελών περοβσκίτη για μια πιο ολοκληρωμένη εισαγωγή στη φυσική που εφαρμόζεται στο OghmaNano.