Οπτική προσομοίωση οργανικών ηλιακών κυψελών με χρήση της μεθόδου της μήτρας μεταφοράς (TMM).

1. Εισαγωγή

Σε αυτό το εκπαιδευτικό πρόγραμμα, θα προσομοιώσετε την οπτική συμπεριφορά ενός λεπτού οργανικού φωτοβολταϊκού (OPV) ηλιακού στοιχείου χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της μεταφορικής μήτρας (TMM). Η προσομοίωση υπολογίζει την οπτική κατανομή πεδίου, την απορροφούμενη πυκνότητα φωτονίων, το προφίλ δημιουργίας φορέων φορτίου, καθώς και τα φάσματα ανάκλασης και μετάδοσης της συσκευής. Περισσότερες πληροφορίες σχετικά με την υλοποίηση του επιλυτή της μεταφορικής μήτρας στο OghmaNano μπορείτε να βρείτε εδώ, ενώ μια πλήρης παράγωγη της μεθόδου δίνεται εδώ.

Οι οπτικές προσομοιώσεις αποτελούν συχνά έναν από τους πιο αξιόπιστους τρόπους για να αποκτηθεί μια αρχική κατανόηση της απόδοσης μιας φωτοβολταϊκής συσκευής, επειδή απαιτούν σχετικά λίγες παραμέτρους υλικού. Απαιτούνται μόνο ο δείκτης διάθλασης \(n\) και ο συντελεστής απορρόφησης \(\alpha\) κάθε στρώσης, και οι δύο από τους οποίους είναι ευρέως διαθέσιμοι στη βιβλιογραφία και μπορούν συνήθως να μετρηθούν με ακρίβεια. Αυτό έρχεται σε αντίθεση με τα ηλεκτρικά μοντέλα διάχυσης, όπου παράμετροι όπως η κινητικότητα, οι ρυθμοί ανασύνθεσης, οι πυκνότητες παγίδων και οι διασυνδετικές ιδιότητες μπορούν να εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τις συνθήκες λειτουργίας και συχνά είναι δύσκολο να προσδιοριστούν με ακρίβεια.

Οι οργανικές φωτοβολταϊκές συσκευές είναι ιδιαίτερα ευαίσθητες στις οπτικές παρεμβολές, επειδή τα ενεργά στρώματα έχουν συνήθως πάχος μόνο μερικών εκατοντάδων νανομέτρων. Οι ανακλάσεις στις διεπαφές των υλικών δημιουργούν πρότυπα στάσιμων κυμάτων εντός της πολυεπίπεδης στοίβας, προκαλώντας σημαντικές διακυμάνσεις του οπτικού ηλεκτρικού πεδίου και του προφίλ δημιουργίας ανάλογα με το μήκος κύματος, το πάχος του στρώματος και τις οπτικές σταθερές. Ως εκ τούτου, το οπτικό μοντέλο παρέχει άμεση εικόνα για το πού απορροφώνται τα φωτόνια και πού παράγονται οι φορείς φορτίου εντός της συσκευής.

Η μέθοδος της μήτρας μεταφοράς επιλύει τις εξισώσεις του Maxwell αναλυτικά εντός κάθε στρώσης και αντιστοιχεί τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα που διαδίδονται προς τα εμπρός και προς τα πίσω στις διεπαφές. Επειδή η μέθοδος βασίζεται σε σχετικά λίγες παραδοχές και αποφεύγει την ρητή χρονική προβολή, είναι υπολογιστικά αποδοτική και σημαντικά ταχύτερη από τις μεθόδους πλήρους κύματος, όπως η FDTD. Οι προσομοιώσεις με τη μήτρα μεταφοράς χρησιμοποιούνται επομένως ευρέως ως ένα πρώτο στάδιο βελτιστοποίησης των ηλιακών κυψελών λεπτών υμενίων, πριν από την εισαγωγή μοντέλων ηλεκτρικής μεταφοράς και ανασυνδυασμού.

Το οπτικό μοντέλο παρέχει επίσης ένα ανώτατο όριο για την επιτεύξιμη πυκνότητα ρεύματος βραχυκυκλώματος \(J_{SC}\). Εάν η πολυεπίπεδη στοίβα δεν απορροφά αποτελεσματικά το φως, τότε ακόμη και η ιδανική ηλεκτρική μεταφορά δεν θα παράγει μια συσκευή υψηλής απόδοσης. Σχετικά παραδείγματα οπτικής βελτιστοποίησης μπορούν να βρεθούν στα εκπαιδευτικά οπτικό φίλτρο, αντι-ανακλαστική επίστρωση, κοιλότητα Fabry–Perot, ηλιακό στοιχείο περοβσκίτη και οπτική εξαγωγή φωτός OLED.

Στο OghmaNano, το προφίλ οπτικής παραγωγής που υπολογίζεται από τον επιλυτή της μεθόδου της μεταφοράς μήτρας μπορεί να συνδεθεί άμεσα με το ηλεκτρικό μοντέλο διάχυσης-μεταφοράς, επιτρέποντας την προσομοίωση της οπτικής απορρόφησης, της δημιουργίας φορτίου, της μεταφοράς, της ανασύνθεσης και της εξαγωγής με τρόπο αυτοσυνεπή.

2. Δημιουργία της προσομοίωσης.

Ανοίξτε το παράθυρο της νέας προσομοίωσης που εμφανίζεται στην εικόνα ??. Επιλέξτε την κατηγορία "Οργανικά ηλιακά κύτταρα" και, στη συνέχεια, επιλέξτε το παράδειγμα "PM6:Y6_E6_0hrs" που εμφανίζεται στην εικόνα ??.

Αποθηκεύστε την προσομοίωση σε έναν κατάλληλο φάκελο στον δίσκο. Μόλις φορτωθεί η προσομοίωση, θα εμφανιστεί η κύρια διεπαφή που φαίνεται στην εικόνα ??.

Η προσομοίωση περιλαμβάνει μια πλήρη πολυεπίπεδη δομή OPV, η οποία αποτελείται από διαφανή ηλεκτρόδια, στρώματα μεταφοράς, την ενεργό στρώση PM6:Y6 και ένα μεταλλικό οπίσθιο ηλεκτρόδιο. Επειδή το πάχος της συσκευής είναι συγκρίσιμο με τα οπτικά μήκη κύματος, οι φαινόμενα συμβολής επηρεάζουν σημαντικά την εσωτερική κατανομή του οπτικού πεδίου.

3. Εξέταση της δομής της συσκευής.

Ανοίξτε τον επεξεργαστή επιπέδων από την αριστερή πλαϊνή γραμμή εργαλείων. Θα εμφανιστεί η πολυεπίπεδη δομή που φαίνεται στην εικόνα ??.

Η συσκευή περιέχει μια διαφανή επαφή οξειδίου ινδίου και κασσιτέρου (ITO), ένα στρώμα μεταφοράς ηλεκτρονίων ZnO, ένα ενεργό στρώμα PM6:Y6, ένα στρώμα μεταφοράς οπών MoO\(_x\) και ένα ηλεκτρόδιο αργύρου στην οπίσθια πλευρά.

Κάθε στρώση περιέχει πειραματικά μετρημένες οπτικές σταθερές \(n\) και \(k\), γεγονός που επιτρέπει την ακριβή προσομοίωση της απορρόφησης και των φαινομένων συμβολής ανάλογα με το μήκος κύματος.

Στις οργανικές ηλιακές κυψέλες λεπτών υμενίων, το οπτικό πεδίο συχνά φτάνει στο μέγιστο μέσα στην ενεργό στρώση λόγω εποικοδομητικής συμβολής. Αντίθετα, η καταστροφική συμβολή μπορεί να καταστέλλει το οπτικό πεδίο σε ορισμένες περιοχές. Αυτά τα φαινόμενα συμβολής επηρεάζουν σημαντικά τα τελικά χαρακτηριστικά τάσης-ρεύματος της συσκευής, επειδή το προφίλ δημιουργίας φορέων φορτίου συνδέεται άμεσα με την κατανομή του οπτικού ηλεκτρικού πεδίου.

4. Άνοιγμα του προγράμματος επίλυσης της μήτρας μεταφοράς.

Ανοίξτε την καρτέλα "Οπτικά", όπως φαίνεται στην εικόνα ??. Αυτή η καρτέλα περιέχει τα στοιχεία ελέγχου της μήτρας μεταφοράς, τις ρυθμίσεις του οπτικού πλέγματος, τους οπτικούς ανιχνευτές και τον επεξεργαστή της πηγής φωτός.

Κάντε κλικ στο κουμπί "Transfer Matrix" για να ανοίξετε τον επεξεργαστή προσομοίωσης της μεταφοράς μήτρας, όπως φαίνεται στην εικόνα ??. Για να εκτελέσετε την οπτική προσομοίωση, πατήστε το κουμπί "Run optical simulation". Κατά τη διάρκεια της εκτέλεσης, θα εμφανιστεί η έξοδος στην κονσόλα, όπως φαίνεται στην εικόνα ??. Ο επιλυτής υπολογίζει την κατανομή της πυκνότητας των φωτονίων, την πυκνότητα των απορροφημένων φωτονίων, το προφίλ του ρυθμού δημιουργίας, το φάσμα ανάκλασης και το φάσμα μετάδοσης της πολυεπίπεδης δομής OPV.

Επειδή η μέθοδος της μήτρας μεταφοράς επιλύει το οπτικό πρόβλημα αναλυτικά εντός κάθε στρώσης, ο υπολογισμός είναι εξαιρετικά γρήγορος, ακόμη και για συσκευές που περιέχουν πολλές μήκη κύματος και πολλαπλές απορροφητικές στρώσεις.

5. Πυκνότητα φωτονίων και απορροφημένα φωτόνια.

Μόλις ολοκληρωθεί η προσομοίωση, θα εμφανιστεί η κατανομή της πυκνότητας των φωτονίων που απεικονίζεται στην εικόνα ??. Ο οριζόντιος άξονας αντιστοιχεί στη θέση εντός της συσκευής, ενώ ο κάθετος άξονας αντιστοιχεί στο μήκος κύματος. Αυτή η εικόνα απεικονίζει τη χωρική κατανομή των φωτονίων που διαδίδονται εντός της πολυεπίπεδης δομής, συμπεριλαμβανομένων των φαινομένων συμβολής που προκύπτουν από τις ανακλάσεις στις διεπαφές των υλικών.

Επιλέγοντας την καρτέλα "Κατανομή των απορροφημένων φωτονίων", εμφανίζεται ο χάρτης των απορροφημένων φωτονίων, όπως φαίνεται στην εικόνα ??. Σε αντίθεση με το διάγραμμα της πυκνότητας των φωτονίων, το οποίο δείχνει τη συνολική ένταση του οπτικού πεδίου στο εσωτερικό της συσκευής, αυτή η εικόνα δείχνει τα φωτόνια που απορροφώνται πραγματικά από το υλικό και μετατρέπονται σε ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών.

Η τοπική πυκνότητα απορροφούμενων φωτονίων δίνεται από την εξίσωση \[ G_{\mathrm{opt}}(x,\lambda)=\alpha(x,\lambda)\,\phi(x,\lambda) \], όπου \(\alpha\) είναι ο οπτικός συντελεστής απορρόφησης που εξαρτάται από το μήκος κύματος και \(\phi\) είναι η τοπική πυκνότητα φωτονίων. Η πλειονότητα της οπτικής απορρόφησης συμβαίνει εντός της ενεργού στρώσης PM6:Y6, όπου παράγεται η μεγαλύτερη ποσότητα φορτίου.

Σε μικρότερα μήκη κύματος, ο συντελεστής απορρόφησης είναι σχετικά μεγάλος, με αποτέλεσμα τα φωτόνια να απορροφώνται κοντά στην μπροστινή επιφάνεια. Σε μεγαλύτερα μήκη κύματος, το οπτικό μήκος απορρόφησης αυξάνεται, επιτρέποντας στα φωτόνια να διεισδύσουν βαθύτερα στην ενεργό στρώση πριν απορροφηθούν. Επίσης, παρατηρούνται ισχυρά πρότυπα στάσιμων κυμάτων λόγω της συνεκτικής συμβολής μεταξύ των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων που διαδίδονται προς τα εμπρός και προς τα πίσω μέσα στην λεπτή στρώση της κοιλότητας.

Σε πολλές περιπτώσεις, είναι πιο χρήσιμο να εξετάσουμε το συνολικό προφίλ παραγωγής, ενσωματωμένο σε όλο το φάσμα των μηκών κύματος, παρά να εξετάσουμε απευθείας ολόκληρη την φασματική κατανομή. Αυτό μπορεί να φανεί στην καρτέλα «Ρυθμός Παραγωγής» που εμφανίζεται στην εικόνα ??, όπου ο συνολικός όγκος του ρυθμού παραγωγής ζευγών ηλεκτρονίων-οπών απεικονίζεται ως συνάρτηση της θέσης μέσα στη συσκευή.

Οι χρωματιστές περιοχές που επικαλύπτονται στην καμπύλη της παραγωγής ρεύματος αντιστοιχούν στα ηλεκτρονικά επίπεδα ενέργειας των στρωμάτων της συσκευής. Αυτά τα επίπεδα ενέργειας προέρχονται από τη βάση δεδομένων υλικών και περιλαμβάνονται κυρίως ως οπτική αναφορά για τη δομή της συσκευής. Δεν επηρεάζουν άμεσα την ίδια την προσομοίωση της οπτικής μήτρας μεταφοράς. Ωστόσο, για το ενεργό στρώμα PM6:Y6, τα επίπεδα ενέργειας χρησιμοποιούνται στη συνέχεια από το ηλεκτρικό μοντέλο διάχυσης-μεταφοράς όταν προσομοιώνονται η μεταφορά φορτίου, η ανασυνδυασμός και η εξαγωγή.

6. Φάσματα ανάκλασης και μετάδοσης

Η ανακλώμενη οπτική ισχύς εμφανίζεται στο ??, ενώ η διαπερατή οπτική ισχύς εμφανίζεται στο ??. Οι απώλειες λόγω ανάκλασης μειώνουν την ποσότητα της οπτικής ισχύος που διοχετεύεται στην ενεργό στρώση, ενώ το διαπερατό φως αντιστοιχεί στα φωτόνια που εξέρχονται από τη συσκευή χωρίς να απορροφηθούν.

Η οπτική ισχύς εντός της συσκευής κατανέμεται μεταξύ ανάκλασης, απορρόφησης και μετάδοσης σύμφωνα με την εξίσωση \[ R(\lambda)+A(\lambda)+T(\lambda)=1 \], όπου \(R\), \(A\) και \(T\) είναι τα αντίστοιχα κλάσματα της ανακλώμενης, απορροφούμενης και μεταδιδόμενης οπτικής ισχύος. Αυτή η σχέση προκύπτει άμεσα από την αρχή διατήρησης της ενέργειας και παρέχει έναν χρήσιμο έλεγχο συνέπειας για προσομοιώσεις με τη μέθοδο της μεταφορικής μήτρας.

Σε μεγαλύτερα μήκη κύματος, η διαπερατότητα τείνει στο μηδέν, επειδή το ασημένιο οπίσθιο ηλεκτρόδιο λειτουργεί ως ισχυρός οπτικός ανακλαστήρας. Ως αποτέλεσμα, τα περισσότερα φωτόνια μεγάλου μήκους κύματος είτε απορροφώνται εντός της πολυεπίπεδης δομής είτε ανακλώνται προς την πρόσθια επιφάνεια, αυξάνοντας την αποτελεσματική οπτική διαδρομή εντός της ενεργού στρώσης.

Στην πρακτική σχεδίαση των OPV, ακόμη και μικρές αλλαγές στην οπτική συμβολή, στο πάχος των στρώσεων ή στις απώλειες ανάκλασης μπορούν να προκαλέσουν μετρήσιμες αλλαγές στην πυκνότητα ρεύματος βραχυκυκλώματος. Ως εκ τούτου, οι προσομοιώσεις με τη μέθοδο της μεταφορικής μήτρας χρησιμοποιούνται ευρέως για τη βελτιστοποίηση των επιδράσεων της κοιλότητας, των οπτικών διαχωριστικών και του πάχους των ηλεκτροδίων, με σκοπό τη μεγιστοποίηση της απορρόφησης εντός της ενεργού στρώσης.

8. Υπολογισμός του μέγιστου δυνατού φωτορεύματος.

Αυτές οι τιμές αντιπροσωπεύουν το μέγιστο δυνατό φωτορεύμα που προβλέπεται από το οπτικό μοντέλο, με την προϋπόθεση ότι κάθε ζεύγος ηλεκτρονίου-οπής που παράγεται συλλέγεται με επιτυχία. Η ανασύνθεση, η παγίδευση, οι απώλειες μεταφοράς και οι αναποτελεσματικές διαδικασίες εξαγωγής δεν περιλαμβάνονται σε αυτόν τον καθαρά οπτικό υπολογισμό.

Η μέγιστη πυκνότητα φωτορεύματος επιτυγχάνεται με την ολοκλήρωση του ρυθμού οπτικής δημιουργίας σε όλο το φάσμα των μηκών κύματος και σε όλη την επιφάνεια, \[ J_{SC,\mathrm{max}} = q \int \int G(x,\lambda)\, d\lambda\, dx \], όπου \(q\) είναι το στοιχειώδες φορτίο και \(G(x,\lambda)\) είναι ο ρυθμός ογκομετρικής δημιουργίας που εξαρτάται από το μήκος κύματος εντός της συσκευής.

Σε συσκευές που έχουν βελτιστοποιηθεί επαρκώς, η μετρούμενη πυκνότητα ρεύματος βραχυκυκλώματος \(J_{SC}\) είναι συχνά σχετικά κοντά σε αυτό το οπτικό ανώτατο όριο. Ως εκ τούτου, οι οπτικές προσομοιώσεις παρέχουν μια εξαιρετικά χρήσιμη πρώτη εκτίμηση της δυνητικής απόδοσης της συσκευής. Εάν το οπτικό μοντέλο προβλέπει χαμηλό μέγιστο φωτορεύμα, τότε καμία βελτιστοποίηση του ηλεκτρικού μοντέλου μεταφοράς δεν θα οδηγήσει σε ένα ηλιακό κύτταρο υψηλής απόδοσης, επειδή η συσκευή δεν απορροφά επαρκώς φως.

9. Αλλαγή του φάσματος φωτισμού.

Επιστρέφοντας στην οπτική κορδέλα που εμφανίζεται στην εικόνα ??, κάντε κλικ στο κουμπί "Πηγές φωτός", το οποίο εμφανίζεται ως εικονίδιο φάρου. Αυτό ανοίγει τον επεξεργαστή πηγών φωτός που εμφανίζεται στην εικόνα ??.

Από προεπιλογή, η προσομοίωση χρησιμοποιεί το τυπικό ηλιακό φάσμα AM1.5G. Σημειώστε ότι το φάσμα περικόπτεται σε μεγαλύτερα μήκη κύματος. Σε πολλές προσομοιώσεις OPV, αυτό είναι επαρκές, επειδή η ενεργή στρώση απορροφά σχετικά ασθενώς στην υπέρυθρη περιοχή και η πλειονότητα της παραγωγής φωτορεύματος συμβαίνει στην ορατή περιοχή του φάσματος. Ο περιορισμός του εύρους των μηκών κύματος μειώνει επίσης το υπολογιστικό κόστος και βελτιώνει την ταχύτητα της προσομοίωσης.

Στην πράξη, ωστόσο, πολλές πειραματικές μετρήσεις πραγματοποιούνται χρησιμοποιώντας εργαστηριακούς ηλιακούς προσομοιωτές αντί για πραγματικό ηλιακό φως AM1.5G. Οι λαμπτήρες ξενό είναι ιδιαίτερα συνηθισμένοι επειδή το φάσμα εκπομπής τους αναπαράγει κατά προσέγγιση το ορατό τμήμα του ηλιακού φάσματος. Η σωστή αντιστοίχιση του φάσματος φωτισμού που χρησιμοποιείται πειραματικά είναι εξαιρετικά σημαντική, επειδή οι αλλαγές στην φασματική ένταση μπορούν να τροποποιήσουν σημαντικά το οπτικό προφίλ δημιουργίας και την απόδοση της συσκευής που μετράται.

Χρησιμοποιώντας το αναπτυσσόμενο μενού «Φάσμα», αλλάξτε την πηγή φωτισμού σε ξένο και πατήστε «Ανανέωση». Το φάσμα που προκύπτει και εμφανίζεται στην ?? είναι και πάλι ελαφρώς περικομμένο σε μεγαλύτερα μήκη κύματος, επειδή το οπτικό πλέγμα μήκους κύματος εξακολουθεί να είναι πολύ μικρό για να καταγράψει ολόκληρο το φάσμα εκπομπής του ξένου.

Για να επεκτείνετε το εύρος των μηκών κύματος, επιστρέψτε στην οπτική ταινία και ανοίξτε τον επεξεργαστή οπτικού πλέγματος που εμφανίζεται στην εικόνα ??. Αυξήστε την τιμή τερματισμού του μήκους κύματος σε περίπου 1500 nm και πατήστε "Ανακατασκευή". Επιστρέφοντας τώρα στον επεξεργαστή πηγής φωτός, θα εμφανιστεί το πλήρες φάσμα ξενόνιου, όπως φαίνεται στην εικόνα ??.

Αφού τροποποιήσετε το φάσμα φωτισμού, εκτελέστε ξανά την προσομοίωση της μήτρας μεταφοράς. Επιστρέφοντας στην καρτέλα «Ρυθμός δημιουργίας», θα δείτε τώρα το προφίλ που εμφανίζεται στην ??. Η χωρική κατανομή της δημιουργίας φορέων φορτίου είναι σημαντικά διαφορετική από την αρχική περίπτωση AM1.5G, επειδή η λάμπα ξενόνιου παράγει μια διαφορετική κατανομή φασματικής έντασης και, ως εκ τούτου, διαφορετικές οπτικές συνθήκες συμβολής στο εσωτερικό της πολυεπίπεδης δομής.

Αυτά τα φαινόμενα είναι ιδιαίτερα σημαντικά στις λεπτόφυλλες οργανικές ηλιακές κυψέλες, επειδή το πάχος της ενεργού στρώσης είναι συγκρίσιμο με το οπτικό μήκος κύματος. Συνεπώς, μικρές αλλαγές στο φάσμα φωτισμού, στις παρεμβολές της κοιλότητας ή στο μήκος απορρόφησης μπορούν να προκαλέσουν μετρήσιμες αλλαγές στην πυκνότητα ρεύματος βραχυκυκλώματος και στη συνολική απόδοση της συσκευής.

9. Σύνδεση της οπτικής παραγωγής με το ηλεκτρικό μοντέλο.

Η κατανομή των απορροφημένων φωτονίων, η οποία υπολογίζεται με τη μέθοδο της επίλυσης μέσω της μήτρας μεταφοράς, μετατρέπεται σε έναν ηλεκτρικό όρο παραγωγής εντός του επιλυτή εξίσωσης διάχυσης-μεταφοράς.

Αυτή η μετατροπή ελέγχεται από την παράμετρο απόδοσης των φωτονίων, η οποία εμφανίζεται στο ??.

Φυσικά, αυτή η παράμετρος αντιπροσωπεύει την πιθανότητα ένα απορροφημένο φωτόνιο να παράγει ένα ελεύθερο ζεύγος ηλεκτρονίου-οπής, το οποίο συμβάλλει στο ηλεκτρικό ρεύμα.

Στις οργανικές ηλιακές κυψέλες, αυτή η ποσότητα μπορεί να είναι σημαντικά μικρότερη από τη μονάδα, επειδή τα απορροφημένα φωτόνια σχηματίζουν αρχικά εξκιτόνια και όχι ελεύθερους φορείς. Ως εκ τούτου, η διάσπαση των εξκιτονίων, η ομοιοπολική ανασύνθεση και οι απώλειες μεταφοράς φορτίου μπορούν να μειώσουν σημαντικά το τελικό φωτορεύμα.

10. Εξέταση των οπτικών στιγμιότυπων.

Στην καρτέλα "Έξοδος" που εμφανίζεται στην εικόνα ??, κάντε διπλό κλικ στον φάκελο optical_snapshots. Αυτό θα ανοίξει το πρόγραμμα προβολής οπτικών στιγμιότυπων, το οποίο επιτρέπει την εξέταση οπτικών ποσοτήτων που διαφέρουν ανάλογα με το μήκος κύματος σε όλη την πολυεπίπεδη δομή του OPV.

Οι οπτικές στιγμιαίες απεικονίσεις περιέχουν χωρικές κατανομές της πυκνότητας των φωτονίων, του συντελεστή απορρόφησης, του ηλεκτρικού πεδίου που διαδίδεται προς τα εμπρός \(E^+\), του ηλεκτρικού πεδίου που διαδίδεται προς τα πίσω \(E^-\), της πυκνότητας των απορροφημένων φωτονίων και του ρυθμού δημιουργίας σε κάθε μήκος κύματος στο οπτικό πλέγμα.

Η κατανομή της πυκνότητας των φωτονίων που απεικονίζεται στο ?? δείχνει πώς η οπτική συμβολή τροποποιεί τη χωρική κατανομή του φωτός στο εσωτερικό της συσκευής. Το προφίλ απορρόφησης που εμφανίζεται στο ?? αντιστοιχεί στον συντελεστή απορρόφησης που εξαρτάται από το μήκος κύματος \(\alpha\) της πολυεπίπεδης δομής.

Οι κατανομές του ηλεκτρικού πεδίου που εμφανίζονται στις εικόνες ?? και ?? αντιστοιχούν στα οπτικά κύματα που διαδίδονται προς τα εμπρός και προς τα πίσω, όπως υπολογίστηκαν με τη μέθοδο της μήτρας μεταφοράς. Η συμβολή αυτών των πεδίων δημιουργεί τα πρότυπα σταθερών κυμάτων, τα οποία είναι υπεύθυνα για το έντονα ανομοιογενές οπτικό προφίλ παραγωγής ενέργειας στο εσωτερικό των λεπτόφυλλων οργανικών ηλιακών κυψελών.

11. Περίληψη

Σε αυτό το εκπαιδευτικό υλικό, χρησιμοποιήσατε τη μέθοδο της μεταφορικής μήτρας για να μοντελοποιήσετε την οπτική απορρόφηση, την συμβολή και τη δημιουργία φορέων φορτίου στο εσωτερικό μιας οργανικής φωτοβολταϊκής συσκευής PM6:Y6. Εξετάσατε τις κατανομές της πυκνότητας των φωτονίων, τους χάρτες των απορροφημένων φωτονίων, τα προφίλ του ρυθμού δημιουργίας, τα φάσματα ανάκλασης και μετάδοσης, καθώς και το μέγιστο φωτορεύμα που προβλέπεται από το οπτικό μοντέλο.

Επιπλέον, διερευνήσατε πώς η αλλαγή του φάσματος φωτισμού τροποποιεί την κατανομή του οπτικού πεδίου και το προφίλ δημιουργίας εντός της πολυεπίπεδης δομής. Αυτά τα φαινόμενα είναι ιδιαίτερα σημαντικά στις λεπτές οργανικές ηλιακές κυψέλες, επειδή σχετικά μικρές αλλαγές στην οπτική συμβολή και στη δομή της κοιλότητας μπορούν να προκαλέσουν μετρήσιμες αλλαγές στην απόδοση της συσκευής.

Η μέθοδος της μήτρας μεταφοράς παρέχει μια υπολογιστικά αποδοτική και φυσικά αξιόπιστη προσέγγιση για τη μοντελοποίηση πολυεπίπεδων φωτοβολταϊκών συσκευών. Επειδή η μέθοδος απαιτεί σχετικά λίγες παραμέτρους υλικών, ενώ παράλληλα παρέχει λεπτομερείς πληροφορίες σχετικά με την οπτική απορρόφηση και τα όρια του φωτορεύματος, χρησιμοποιείται ευρέως ως αρχικό στάδιο βελτιστοποίησης των συσκευών OPV, πριν από την εισαγωγή πιο σύνθετων μοντέλων ηλεκτρικής μεταφοράς και ανασυνδυασμού.

Στο OghmaNano, το προφίλ οπτικής παραγωγής που υπολογίζεται από τον επιλυτή της μεθόδου της μεταφοράς μήτρας μπορεί να συνδεθεί άμεσα με το μοντέλο διάχυσης-μεταφοράς, επιτρέποντας την προσομοίωση, με αυτοσυνεπή τρόπο, των διαδικασιών οπτικής απορρόφησης, δημιουργίας φορτίου, μεταφοράς, ανασύνθεσης και εξαγωγής.