Εκπαιδευτικό υλικό για τις ηλιακές κυψέλες περοβσκίτη (PSC), Μέρος Β: συσκευές περοβσκίτη και φως.

Για να κατανοήσουμε πώς οι συσκευές περοβσκίτη απορροφούν το φως, πρέπει πρώτα να εξερευνήσουμε τα οπτικά δεδομένα που είναι διαθέσιμα στο OghmaNano. Το λογισμικό περιλαμβάνει μια ενσωματωμένη βιβλιοθήκη με μετρημένα και τυποποιημένα φάσματα, τα οποία μπορείτε να χρησιμοποιήσετε ως πηγές φωτισμού για τις προσομοιώσεις σας.

1. Περιήγηση στις οπτικές βάσεις δεδομένων της OghmaNano.

1. Μεταβείτε στην καρτέλα «Βάσεις δεδομένων», όπως φαίνεται στην εικόνα ??.
2. Κάντε κλικ στο εικονίδιο της οπτικής βάσης δεδομένων (ουράνιο τόξο). Αυτό θα ανοίξει το παράθυρο που εμφανίζεται στην εικόνα ??.
3. Κάντε διπλό κλικ στο AM1.5G για να φορτώσετε το τυπικό ηλιακό φάσμα της επιφάνειας της Γης. Παρατηρήστε την περιοχή μέγιστης ακτινοβολίας και τις «κοιλότητες» απορρόφησης που προκαλούνται από τα μόρια στην ατμόσφαιρα της Γης. Η καμπύλη θα πρέπει να μοιάζει με το ??.

2. Κατανόηση του ηλιακού φάσματος

Η απόδοση κάθε ηλιακού στοιχείου εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την κατανομή της ηλιακής ακτινοβολίας που λαμβάνει. Επειδή η ένταση του ηλιακού φωτός μεταβάλλεται τόσο με την ώρα της ημέρας όσο και με τη γεωγραφική θέση, οι ερευνητές χρησιμοποιούν ένα φάσμα αναφοράς που ονομάζεται AM1.5G, ώστε να μπορούν να συγκρίνουν τα αποτελέσματα. Οι εικόνες ?? και ?? απεικονίζουν αυτό το φάσμα: ένα γράφημα της φασματικής ακτινοβολίας σε σχέση με το μήκος κύματος και μια ψευδοχρωματική αναπαράσταση σε όλο το ορατό φάσμα. Το AM1.5G αντιστοιχεί στην ηλιακή ακτινοβολία που έχει διανύσει 1,5 φορές την ατμόσφαιρα της Γης σε σύγκριση με την ηλιακή ακτινοβολία που φτάνει απευθείας από τον ήλιο, γεγονός που προσεγγίζει τις συνθήκες του μεσημεριού σε μεσαία γεωγραφικά πλάτη. Οι μειώσεις στην ένταση είναι ενδεικτικές της ατμοσφαιρικής απορρόφησης — το όζον απορροφά μέρος της υπεριώδους ακτινοβολίας, ενώ η υδρατμός και το διοξείδιο του άνθρακα απορροφούν στην υπέρυθρη περιοχή. Χρησιμοποιώντας το AM1.5G στις προσομοιώσεις, οι υπολογιζόμενες αποδόσεις της συσκευής σας μπορούν να συγκριθούν σε ίση βάση με τις δημοσιευμένες τιμές, συμπεριλαμβανομένων των υψηλότερων αποδόσεων που αναφέρονται συχνά για τα περοβσκιτικά ηλιακά στοιχεία.

3. Πώς τα υλικά περοβσκίτη απορροφούν το φως.

Ένα ηλιακό στοιχείο αποτελείται από διάφορα στρώματα, καθένα από τα οποία έχει τη δική του λειτουργία. Ορισμένα μεταφέρουν ηλεκτρικά φορτία, ενώ άλλα είναι υπεύθυνα για την απορρόφηση των εισερχόμενων φωτονίων. Για να εξετάσετε το φάσμα απορρόφησης ενός υλικού περοβσκίτη στο OghmaNano, ανοίξτε τη βάση δεδομένων Υλικών από τη γραμμή εργαλείων ??. Μεταβείτε στον κατάλογο perovskite και επιλέξτε το std_perovskite. Στην καρτέλα Απορρόφηση (??), θα δείτε πόσο έντονα απορροφά αυτό το υλικό το φως σε όλο το φάσμα. Αυτή η απορρόφηση, η οποία εξαρτάται από το μήκος κύματος, καθορίζει πόσο αποτελεσματικά ένα ενεργό στρώμα περοβσκίτη μπορεί να συλλέξει το ηλιακό φως.

Ο Ήλιος εκπέμπει ένα συνεχές φάσμα μηκών κύματος, αλλά κάθε περιοχή αυτού του φάσματος αλληλεπιδρά διαφορετικά με ένα ηλιακό στοιχείο περοβσκίτη:

• UV ακτινοβολία (περίπου 200–400 nm): Μεγάλο μέρος αυτής απορροφάται από την ατμόσφαιρα και τα στρώματα γυαλιού πριν φτάσει στη συσκευή.
• Ορατό φάσμα (περίπου 400–700 nm): Το κύριο φάσμα απορρόφησης για τα περοβσκίτες, όπου συλλέγεται η μεγαλύτερη ποσότητα ενέργειας.
• Εγγύς υπέρυθρη ακτινοβολία (περίπου 700–2500 nm): Παρόλο που αυτό το φάσμα περιέχει σημαντική ηλιακή ενέργεια, οι λεπτές στρώσεις περοβσκίτη την απορροφούν ασθενώς, επομένως μεγάλο μέρος της διαπερνά ή ανακλάται.
• Μέση/Μακρινή υπέρβαση (Mid/Far-IR) (>≈2500 nm): Αυτή είναι ουσιαστικά θερμική ακτινοβολία και δεν είναι χρήσιμη για φωτοβολταϊκή μετατροπή.

3. Προσομοίωση της απορρόφησης του φωτός.

Έχοντας παρουσιάσει το φάσμα AM1.5G και τις ιδιότητες απορρόφησης των υλικών περοβσκίτη, μπορούμε πλέον να συνδυάσουμε αυτές τις ιδέες για να προσομοιώσουμε τον τρόπο με τον οποίο τα φωτόνια διανέμονται και απορροφώνται μέσα σε ολόκληρη τη στοίβα της συσκευής. Αυτό το βήμα συνδέει την οπτική είσοδο από τον Ήλιο με το χωρικό προφίλ της δημιουργίας φορτίου μέσα στο κελί.

Ανοίξτε την καρτέλα "Optical" (Εικόνα ??) και επιλέξτε "Transfer Matrix Simulation". Στο παράθυρο που θα εμφανιστεί, κάντε κλικ στην επιλογή "Run optical simulation" (μπλε κουμπί αναπαραγωγής). Το OghmaNano θα υπολογίσει τα οπτικά πεδία ως συνάρτηση του μήκους κύματος και της θέσης, χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της μήτρας μεταφοράς.

Η προσομοίωση παράγει διάφορες οπτικοποιήσεις. Η πρώτη είναι ο χάρτης πυκνότητας φωτονίων, ο οποίος δείχνει πώς κατανέμεται το οπτικό πεδίο σε όλη τη συσκευή ως συνάρτηση τόσο του μήκους κύματος όσο και της θέσης (Εικόνα ??). Οι φωτεινές περιοχές αντιστοιχούν σε μοτίβα σταθερών κυμάτων και υψηλές πυκνότητες φωτονίων μέσα στην περοβσκιτική στρώση και στις παρακείμενες διεπαφές.

Το δεύτερο είναι ο χάρτης απορρόφησης φωτονίων, ο οποίος υποδεικνύει άμεσα πού απορροφώνται τα φωτόνια για να δημιουργηθούν ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών (Εικόνα ??). Αυτό το διάγραμμα αναδεικνύει ποιες στρώσεις είναι υπεύθυνες για την απορρόφηση του ηλιακού φωτός και αποκαλύπτει πόσο αποτελεσματικά η στρώση περοβσκίτη απορροφά την εισερχόμενη ακτινοβολία σε όλο το ηλιακό φάσμα.