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

Μάθετε πώς να μοντελοποιήσετε την οπτική απορρόφηση, την συμβολή, την ανάκλαση, τη μετάδοση και τη δημιουργία φορέων φορτίου σε πολυεπίπεδες ηλιακές κυψέλες περοβσκίτη χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της μήτρας μεταφοράς (TMM). Αυτό το εκπαιδευτικό πρόγραμμα επιδεικνύει πώς οι οπτικές προσομοιώσεις λεπτών υμενίων μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανάλυση της απόδοσης των φωτοβολταϊκών συσκευών και την εκτίμηση του μέγιστου επιτεύξιμου φωτορεύματος στο OghmaNano.

1. Εισαγωγή

Σε αυτό το εκπαιδευτικό πρόγραμμα, θα προσομοιώσετε την οπτική συμπεριφορά ενός πολυεπίπεδου ηλιακού στοιχείου περοβσκίτη χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της μεταφορικής μήτρας (TMM). Η προσομοίωση υπολογίζει την κατανομή του οπτικού πεδίου, την απορροφούμενη πυκνότητα φωτονίων, το προφίλ δημιουργίας φορέων φορτίου, καθώς και τα φάσματα ανάκλασης και μετάδοσης της συσκευής.

Η οπτική προσομοίωση είναι συχνά μία από τις πιο χρήσιμες και αξιόπιστες μεθόδους για την κατανόηση των ηλιακών κυψελών λεπτών υμενίων, επειδή εξαρτάται κυρίως από τα πραγματικά και φανταστικά μέρη του δείκτη διάθλασης, \(n\) και \(k\), τα οποία είναι ευρέως διαθέσιμα στη βιβλιογραφία και μπορούν συνήθως να μετρηθούν με ακρίβεια. Αντίθετα, οι ηλεκτρικές προσομοιώσεις διάχυσης απαιτούν πολύ περισσότερες παραμέτρους υλικού και μεταφοράς, οι οποίες συχνά είναι δύσκολο να βαθμονομηθούν με μοναδικό τρόπο. Ως εκ τούτου, οι οπτικές προσομοιώσεις παρέχουν συχνά πιο αξιόπιστες φυσικές πληροφορίες για τις περοβσκιτικές και οργανικές φωτοβολταϊκές συσκευές.

Η μέθοδος της μήτρας μεταφοράς επιλύει τις εξισώσεις Maxwell αναλυτικά εντός κάθε οπτικού στρώματος και αντιστοιχεί τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα στις διεπαφές των υλικών, καθιστώντας τη μέθοδο εξαιρετικά γρήγορη, αριθμητικά σταθερή και κατάλληλη για πολυστρωματικές φωτοβολταϊκές δομές με έντονες φαινόμενα συμβολής. Μια λεπτομερής μαθηματική απόδειξη δίνεται στο Απόδειξη της μεθόδου της μήτρας μεταφοράς.

Στις φωτοβολταϊκές συσκευές, το οπτικό προφίλ παραγωγής καθορίζει το ανώτατο όριο του φωτορεύματος που μπορεί να παράγει το ηλιακό στοιχείο. Εάν η οπτική προσομοίωση προβλέπει ασθενή απορρόφηση ή χαμηλούς ρυθμούς παραγωγής, η συσκευή δεν μπορεί να επιτύχει υψηλή απόδοση, ανεξάρτητα από τις ιδιότητες μεταφοράς φορτίου. Στο OghmaNano, το οπτικό προφίλ παραγωγής μπορεί να συνδεθεί άμεσα με τον ηλεκτρικό επιλυτή διάχυσης-μετατόπισης για αυτοσυνεπή ηλεκτρο-οπτική προσομοίωση. Σχετικά παραδείγματα περιλαμβάνουν αντι-ανακλαστικές επιστρώσεις, κοιλότητες Fabry–Perot, οργανικά ηλιακά στοιχεία και οπτική εξαγωγή OLED.

2. Δημιουργία μιας νέας προσομοίωσης.

Ανοίξτε το παράθυρο της νέας προσομοίωσης και επιλέξτε την κατηγορία "Κελιά περοβσκίτη", όπως φαίνεται στην εικόνα ??. Στη συνέχεια, επιλέξτε το παράδειγμα "Ηλιακός συλλέκτης περοβσκίτη (MAPI)", όπως φαίνεται στην εικόνα ??.

Αποθηκεύστε την προσομοίωση σε έναν κατάλληλο φάκελο στον δίσκο. Μόλις φορτωθεί το παράδειγμα, θα εμφανιστεί το κύριο παράθυρο προσομοίωσης, όπως φαίνεται στην εικόνα ??.

Η συσκευή αποτελείται από ένα πολυεπίπεδο επίπεδο ηλιακό στοιχείο περοβσκίτη, το οποίο περιλαμβάνει διαφανή ηλεκτρόδια, στρώματα μεταφοράς ηλεκτρονίων, την απορροφητική στρώση περοβσκίτη, στρώματα μεταφοράς οπών και ένα μεταλλικό οπίσθιο ηλεκτρόδιο. Η οπτική συμβολή μεταξύ αυτών των στρώσεων τροποποιεί σημαντικά την κατανομή του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου στο εσωτερικό της συσκευής και, κατά συνέπεια, τον τοπικό ρυθμό δημιουργίας φορέων φορτίου.

Κάντε κλικ στο "Επεξεργαστής στρώσεων" στην αριστερή πλευρά της καρτέλας "Δομή συσκευής" για να ανοίξετε τον επεξεργαστή στρώσεων που εμφανίζεται στην εικόνα ??. Η συσκευή περιέχει ένα διαφανές αγώγιμο οξείδιο, μια στρώση μεταφοράς ηλεκτρονίων TiO\(_2\), τον απορροφητή MAPI perovskite, μια στρώση μεταφοράς οπών Spiro και μια μεταλλική επαφή από χρυσό. Το πάχος κάθε στρώσης μπορεί να τροποποιηθεί απευθείας στη στήλη "Πάχος".

Το οπτικό υλικό που έχει οριστεί για κάθε στρώση μπορεί να αλλάξει κάνοντας κλικ στο κουμπί με τις τρεις τελείες στα δεξιά του ονόματος του υλικού. Αυτό ανοίγει τη βάση δεδομένων υλικών, επιτρέποντας την επιλογή πειραματικά μετρημένων οπτικών σταθερών \(n\) και \(k\) για κάθε στρώση. Περισσότερες πληροφορίες σχετικά με τη βάση δεδομένων υλικών και τον τρόπο προσθήκης νέων οπτικών υλικών στο OghmaNano μπορείτε να βρείτε εδώ.

3. 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 οπτικής προσομοίωσης. Στη συνέχεια, πατήστε το κουμπί "Run optical simulation" (το κουμπί αναπαραγωγής) για να εκτελέσετε την οπτική προσομοίωση.

Ο επιλυτής της μεθόδου της μεταφορικής μήτρας υπολογίζει:

• Η κατανομή της πυκνότητας των φωτονίων στο εσωτερικό της συσκευής.
• Η κατανομή των απορροφημένων φωτονίων.
• Το προφίλ του ρυθμού παραγωγής.
• Η ανακλώμενη οπτική ισχύς.
• Η μεταδιδόμενη οπτική ισχύς.

Επειδή η μέθοδος της μήτρας μεταφοράς επιλύει αναλυτικά τη στρωματοποιημένη δομή, η προσομοίωση συνήθως ολοκληρώνεται σχεδόν ακαριαία.

Αφού ολοκληρωθεί η προσομοίωση, θα εμφανιστεί ο επεξεργαστής οπτικής προσομοίωσης με μια σειρά από καρτέλες εξόδου. Η πρώτη καρτέλα, Κατανομή φωτονίων, εμφανίζει την πυκνότητα των φωτονίων στο εσωτερικό της συσκευής, όπως φαίνεται στην εικόνα ??.

Ο οριζόντιος άξονας αντιστοιχεί στη θέση εντός της συσκευής, ενώ ο κατακόρυφος άξονας αντιστοιχεί στο μήκος κύματος. Οι φωτεινές περιοχές αντιστοιχούν σε υψηλή ένταση οπτικού πεδίου. Τα κατακόρυφα όρια που φαίνονται στο διάγραμμα αντιστοιχούν στις διαφορετικές στρώσεις της συσκευής, όπου αλλάζει ο δείκτης διάθλασης. Η συμβολή μεταξύ των εμπρόσθιων και οπίσθιων διαδιδόμενων ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων παράγει μοτίβα σταθερών κυμάτων εντός της πολυστρωματικής στοίβας.

Η επιλογή της καρτέλας "Εμφάνιση της κατανομής των απορροφημένων φωτονίων" δημιουργεί τον χάρτη των απορροφημένων φωτονίων που εμφανίζεται στην εικόνα ??. Αυτό το διάγραμμα δείχνει πού απορροφώνται πραγματικά τα φωτόνια μέσα στη συσκευή, κάτι που διαφέρει από τη συνολική κατανομή της πυκνότητας των φωτονίων.

Ο τοπικός ρυθμός οπτικής απορρόφησης δίνεται από την εξίσωση \[ G_{\mathrm{opt}}(y,\lambda)=\alpha(y,\lambda)\,\phi(y,\lambda) \], όπου \(\alpha\) είναι ο οπτικός συντελεστής απορρόφησης και \(\phi\) είναι η πυκνότητα ροής φωτονίων. Η οπτική απορρόφηση συμβαίνει κυρίως στο εσωτερικό της απορροφητικής στρώσης περοβσκίτη, όπου παράγονται ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών.

Σε μικρότερα μήκη κύματος, ο συντελεστής απορρόφησης είναι μεγάλος, γεγονός που προκαλεί ταχεία εξασθένηση του οπτικού πεδίου κοντά στην πρόσθια διεπιφάνεια. Σε μεγαλύτερα μήκη κύματος, η απορρόφηση μειώνεται, επιτρέποντας στα φωτόνια να διεισδύσουν βαθύτερα στη δομή. Επομένως, αυτές οι εικόνες απεικονίζουν το προφίλ οπτικής απορρόφησης ως συνάρτηση τόσο του μήκους κύματος όσο και της θέσης εντός της συσκευής.

Σε πολλές περιπτώσεις, είναι χρήσιμο να συμπυκνωθεί η εξάρτηση του μήκους κύματος σε ένα ενιαίο χωρικό προφίλ. Αυτό μπορεί να απεικονιστεί χρησιμοποιώντας την καρτέλα «Ρυθμός δημιουργίας», όπου ο συνολικός ρυθμός δημιουργίας φορέων φορτίου, ολοκληρωμένος σε όλο το μήκος κύματος, απεικονίζεται ως συνάρτηση της θέσης εντός της συσκευής περοβσκίτη.

4. Φάσματα ανάκλασης και μετάδοσης

Η ανακλώμενη οπτική ισχύς εμφανίζεται στο ??, ενώ η διαπερατή οπτική ισχύς εμφανίζεται στο ??. Αυτά τα φάσματα αποτελούν συχνά μία από τις πιο χρήσιμες μεθόδους για τη βαθμονόμηση των οπτικών προσομοιώσεων σε σχέση με τις πειραματικές μετρήσεις, επειδή η ανάκλαση και η μετάδοση μπορούν συνήθως να μετρηθούν με ακρίβεια χρησιμοποιώντας σχετικά απλές φασματοσκοπικές τεχνικές.

Οι απώλειες λόγω ανάκλασης μειώνουν την ποσότητα του φωτός που εισέρχεται στην ενεργό στρώση, ενώ το φως που διαπερνά αντιστοιχεί σε φωτόνια που περνούν ολόκληρα μέσα από τη συσκευή χωρίς να απορροφηθούν. Στις φωτοβολταϊκές συσκευές υψηλής απόδοσης, ο στόχος είναι συνήθως να ελαχιστοποιηθούν και οι δύο αυτές ποσότητες, έτσι ώστε η πλειονότητα των εισερχόμενων φωτονίων να απορροφώνται μέσα στην ενεργό περιοχή και να μετατρέπονται σε φορείς φορτίου.

Τα φάσματα ανάκλασης και μετάδοσης παρέχουν επίσης άμεση φυσική εικόνα για την οπτική συμπεριφορά της πολυεπίπεδης δομής. Οι έντονες διακυμάνσεις στα φάσματα είναι συχνά ενδείξεις οπτικής συμβολής λεπτών υμενίων, οπτικών φαινομένων κοιλότητας ή συντονισμών πάχους στρώματος. Μικρές αλλαγές στο πάχος ή στον δείκτη διάθλασης του στρώματος μπορούν να μετατοπίσουν σημαντικά αυτά τα χαρακτηριστικά, καθιστώντας τα οπτικά φάσματα εξαιρετικά ευαίσθητα εργαλεία για τη μελέτη της δομής της συσκευής.

Ως εκ τούτου, η μέθοδος της μήτρας μεταφοράς είναι ιδιαίτερα χρήσιμη για τη βελτιστοποίηση του πάχους των στρώσεων, των προφίλ του δείκτη διάθλασης και των αντι-ανακλαστικών επιστρώσεων, με σκοπό τη μεγιστοποίηση της οπτικής απορρόφησης και της παραγωγής φωτορεύματος σε λεπτοφυείς ηλιακές κυψέλες.

Στις οπτικές προσομοιώσεις, η προσπίπτουσα οπτική ισχύς κατανέμεται μεταξύ ανάκλασης, μετάδοσης και απορρόφησης εντός της συσκευής. Παραβλέποντας το αριθμητικό σφάλμα, η διατήρηση της ενέργειας απαιτεί \[ R(\lambda)+T(\lambda)+A(\lambda)=1 \], όπου \(R\) είναι η ανακλώμενη οπτική ισχύς, \(T\) είναι η μεταδιδόμενη οπτική ισχύς και \(A\) είναι η απορροφούμενη οπτική ισχύς στο μήκος κύματος \(\lambda\). Αυτή η σχέση είναι εξαιρετικά χρήσιμη κατά την επικύρωση των προσομοιώσεων με τη μέθοδο της μήτρας μεταφοράς, επειδή παρέχει έναν άμεσο έλεγχο συνέπειας στα υπολογισμένα οπτικά φάσματα.

5. Μέγιστο δυνατό φωτορεύμα.

Μόλις ολοκληρωθεί η οπτική προσομοίωση, τα αρχεία που δημιουργήθηκαν εμφανίζονται στην καρτέλα "Έξοδος" που φαίνεται στην εικόνα ??. Ο φάκελος εξόδου περιέχει χάρτες πυκνότητας φωτονίων, κατανομές απορροφημένων φωτονίων, φάσματα ανάκλασης και μετάδοσης, καθώς και δεδομένα ρυθμού δημιουργίας ανά μήκος κύματος.

Κάνοντας διπλό κλικ στο αρχείο sim_info.dat, ανοίγει το παράθυρο πληροφοριών προσομοίωσης που εμφανίζεται στην εικόνα ??. Αυτό το αρχείο παρέχει ποσοτικές πληροφορίες σχετικά με τη μέγιστη πυκνότητα φωτορεύματος και το προβλεπόμενο φωτορεύμα που προκύπτουν από την οπτική προσομοίωση.

Αυτές οι τιμές αντιστοιχούν στο μέγιστο δυνατό φωτορεύμα που μπορεί να παραχθεί αποκλειστικά από την οπτική απορρόφηση και υποθέτουν ότι κάθε ζεύγος ηλεκτρονίου-οπής που παράγεται συλλέγεται με επιτυχία, χωρίς ανασυνδυασμό ή απώλειες κατά τη μεταφορά. Στην πράξη, ο ανασυνδυασμός, η παγίδευση, οι περιορισμοί στην κινητικότητα και η ατελής εξαγωγή φορτίου μειώνουν το ηλεκτρικό ρεύμα κάτω από αυτό το οπτικό ανώτατο όριο.

Έτσι, η προσομοίωση με τη μέθοδο της μήτρας μεταφοράς παρέχει μια χρήσιμη εκτίμηση, βασισμένη σε θεμελιώδεις αρχές, του μέγιστου φωτορεύματος που μπορεί να επιτευχθεί, πριν συμπεριληφθούν στο μοντέλο της συσκευής οι επιδράσεις της ηλεκτρικής μεταφοράς μέσω διάχυσης και οι επιδράσεις της ανασύνθεσης.

Το συνολικό φωτορεύμα που προκύπτει από το οπτικό μοντέλο καθορίζεται με την ολοκλήρωση του προφίλ δημιουργίας φορέων φορτίου σε όλη τη συσκευή. Σε απλοποιημένη μορφή, η μέγιστη πυκνότητα φωτορεύματος μπορεί να γραφτεί ως \[ J_{\mathrm{ph}} = q \int G(x)\,dx \], όπου \(q\) είναι το στοιχειώδες φορτίο και \(G(x)\) είναι ο τοπικός όγκος δημιουργίας. Αυτή η έκφραση καταδεικνύει γιατί η χωρική κατανομή της οπτικής δημιουργίας μέσα στις λεπτές μεμβράνες των ηλιακών κυψελών είναι τόσο σημαντική κατά την πρόβλεψη της φωτοβολταϊκής απόδοσης.

6. Αλλαγή της πηγής φωτισμού.

Επιστρέψτε στην οπτική κορδέλα που εμφανίζεται στην εικόνα ?? και κάντε κλικ στην επιλογή "Πηγές φωτός". Αυτό θα ανοίξει τον επεξεργαστή πηγών φωτός που εμφανίζεται στην εικόνα ??. Περισσότερες πληροφορίες σχετικά με τη διαμόρφωση των οπτικών πηγών φωτισμού μπορείτε να βρείτε εδώ.

Από προεπιλογή, η προσομοίωση χρησιμοποιεί το ηλιακό φάσμα AM1.5G. Σημειώστε ότι το φάσμα επεκτείνεται επί του παρόντος μόνο έως περίπου τα 900 nm. Αυτό είναι επαρκές για πολλές προσομοιώσεις περοβσκίτη, επειδή ο απορροφητής περοβσκίτη έχει σχετικά ασθενή απορρόφηση σε μεγαλύτερα μήκη κύματος και η πλειονότητα της παραγωγής φωτορεύματος συμβαίνει στο ορατό τμήμα του φάσματος.

Χρησιμοποιώντας το αναπτυσσόμενο μενού «Φάσμα», αλλάξτε την πηγή φωτισμού από AM1.5G σε ξένο. Το φάσμα που προκύπτει και εμφανίζεται στην ?? είναι και πάλι περικομμένο, 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 κάντε κλικ στην επιλογή "Ανακατασκευή". Επιστρέφοντας τώρα στον επεξεργαστή πηγής φωτός, θα εμφανιστεί το πλήρες φάσμα ξενόνιου, όπως φαίνεται στην εικόνα ??.

Το οπτικό πλέγμα μηκών κύματος ελέγχει τόσο την φασματική ανάλυση όσο και το εύρος μηκών κύματος που χρησιμοποιείται κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης της μεθόδου της μήτρας μεταφοράς. Η επιλογή ενός ανεπαρκούς εύρους μηκών κύματος μπορεί να οδηγήσει σε ατελείς κατανομές απορρόφησης και δημιουργίας, ιδιαίτερα κατά τη μοντελοποίηση πηγών ευρείας ζώνης ή της υπέρυθρης οπτικής συμπεριφοράς.

Αφού αλλάξετε την πηγή φωτισμού, εκτελέστε ξανά την οπτική προσομοίωση. Επιστρέφοντας στην καρτέλα «Ρυθμός δημιουργίας», θα δείτε τώρα το προφίλ δημιουργίας που εμφανίζεται στην ??. Επειδή η λάμπα ξενό έχει μια ουσιαστικά διαφορετική φασματική κατανομή σε σύγκριση με το ηλιακό φως AM1.5G, το οπτικό βάθος διείσδυσης και το προκύπτον προφίλ δημιουργίας φορέων φορτίου στο εσωτερικό της συσκευής αλλάζουν επίσης σημαντικά.

Η ακριβής αντιστοίχιση του φάσματος φωτισμού με την πηγή φωτός που χρησιμοποιείται στο εργαστήριο είναι εξαιρετικά σημαντική κατά τη σύγκριση των προσομοιώσεων με τις μετρούμενες φωτοβολταϊκές επιδόσεις. Στην πράξη, πολλές συσκευές προσομοίωσης ηλιακού φωτός αποκλίνουν σημαντικά από το ιδανικό φάσμα AM1.5G. Ως εκ τούτου, η OghmaNano επιτρέπει επίσης την εισαγωγή προσαρμοσμένων φασμάτων φωτισμού μέσω του επεξεργαστή της βάσης δεδομένων πηγών φωτός.

7. Σύνδεση της οπτικής παραγωγής με το ηλεκτρικό μοντέλο.

Το οπτικό προφίλ παραγωγής που δημιουργείται από τον επιλυτή της μεθόδου της μεταφοράς μήτρας μετατρέπεται σε ηλεκτρικό όρο παραγωγής εντός του επιλυτή διάχυσης-μεταφοράς.

Η μετατροπή μεταξύ του προφίλ οπτικής παραγωγής και του ηλεκτρικού μοντέλου διάχυσης-μεταφοράς ελέγχεται από την παράμετρο απόδοσης φωτονίων, η οποία εμφανίζεται στο ??. Αυτή η παράμετρος είναι προσβάσιμη μέσω του κουμπιού "Ρύθμιση" μέσα στον επεξεργαστή οπτικής προσομοίωσης.

Ο ρυθμός παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος που εισάγεται στον επιλυτή εξίσωσης διάχυσης-μεταφοράς δίνεται κατά προσέγγιση από την εξίσωση \[ G_{\mathrm{dd}}=\eta\,G_{\mathrm{opt}} \], όπου \(G_{\mathrm{opt}}\) είναι το προφίλ παραγωγής που υπολογίζεται από το οπτικό μοντέλο μεταφοράς μήτρας και \(\eta\) είναι ο συντελεστής απόδοσης φωτονίων.

Φυσικά, το \(\eta\) αντιπροσωπεύει την πιθανότητα ένα απορροφημένο φωτόνιο να παράγει τελικά ένα ελεύθερο ζεύγος ηλεκτρονίου-οπής, το οποίο συμβάλλει στο ηλεκτρικό ρεύμα. Στα ιδανικά φωτοβολταϊκά συστήματα, αυτή η τιμή μπορεί να πλησιάσει τη μονάδα, ενώ στις πραγματικές συσκευές μειώνεται συχνά λόγω της ομοιοπολικής ανασύνθεσης, της ατελούς διάσπασης των εξιτονίων, της παρασιτικής απορρόφησης, των απωλειών στις διεπαφές ή των εξαιρετικά γρήγορων διαδικασιών ανασύνθεσης.

Οι παράμετροι αυτής της μορφής χρησιμοποιούνται ευρέως στην μοντελοποίηση φωτοβολταϊκών συσκευών, επειδή οι οπτικές προσομοιώσεις υπολογίζουν συνήθως την απορρόφηση φωτονίων και όχι τη λεπτομερή μικροσκοπική φυσική της διαχωρισμού φορτίου. Ο παράγοντας απόδοσης φωτονίων παρέχει, επομένως, μια αποτελεσματική γέφυρα μεταξύ του οπτικού μοντέλου και του μοντέλου ηλεκτρικής μεταφοράς.

Στην πράξη, το \(\eta\) μπορεί επίσης να λειτουργήσει ως μια μικρή παράμετρος ρύθμισης κατά την βαθμονόμηση των προσομοιώσεων σε σχέση με πειραματικές συσκευές, ιδιαίτερα εάν οι οπτικές σταθερές \(n\) και \(k\), η μορφολογία της στρώσης ή οι απώλειες διεπιφάνειας δεν είναι ακριβώς γνωστές. Ωστόσο, μεγάλες αποκλίσεις από τη μονάδα συνήθως υποδεικνύουν ότι θα πρέπει να συμπεριληφθούν ρητά επιπλέον φυσικοί μηχανισμοί στο ηλεκτρικό μοντέλο, αντί να απορροφηθούν εξ ολοκλήρου στην παράμετρο απόδοσης.

8. Εξέταση των οπτικών στιγμιότυπων.

Επιστρέφοντας στην καρτέλα "Έξοδος", κάντε διπλό κλικ στον φάκελο "optical_snapshots". Αυτό θα ανοίξει το πρόγραμμα προβολής οπτικών στιγμιότυπων, το οποίο επιτρέπει την εξέταση μεμονωμένων οπτικών ποσοτήτων σε συγκεκριμένα μήκη κύματος εντός της πολυεπίπεδης δομής της συσκευής.

Ο ρυθμιστής που βρίσκεται κάτω από το γράφημα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αλλαγή των μηκών κύματος, ενώ το αναπτυσσόμενο μενού στο κάτω μέρος του παραθύρου επιτρέπει την επιλογή διαφόρων οπτικών ποσοτήτων. Αυτές περιλαμβάνουν την πυκνότητα φωτονίων, την απορροφούμενη πυκνότητα φωτονίων, τον οπτικό συντελεστή απορρόφησης, τον ρυθμό δημιουργίας και τις συνιστώσες του ηλεκτρικού πεδίου που διαδίδονται προς τα εμπρός και προς τα πίσω.

Το διάγραμμα της πυκνότητας φωτονίων που εμφανίζεται στην εικόνα ?? αντιστοιχεί στην τοπική ένταση του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου στο εσωτερικό της συσκευής. Μπορούμε να παρατηρήσουμε καθαρά τα πρότυπα παρεμβολής σταθερών κυμάτων, τα οποία προκαλούνται από τις ανακλάσεις μεταξύ των διεπαφών στο εσωτερικό της πολυεπίπεδης δομής.

Το προφίλ των απορροφημένων φωτονίων που εμφανίζεται στην εικόνα ?? υποδεικνύει πού απορροφάται η οπτική ενέργεια μέσα στη δομή. Αυτή η απορροφημένη οπτική ισχύς μετατρέπεται στο προφίλ δημιουργίας φορέων φορτίου που εμφανίζεται στην εικόνα ??.

Το προφίλ του συντελεστή απορρόφησης που εμφανίζεται στο ?? αντιστοιχεί στον συντελεστή οπτικής απορρόφησης που εξαρτάται από το μήκος κύματος \(\alpha\) κάθε στρώσης του υλικού. Οι στρώσεις με μεγαλύτερες τιμές του \(\alpha\) απορροφούν τα φωτόνια πιο έντονα, προκαλώντας ταχύτερη εξασθένηση του οπτικού πεδίου.

Τα εμπρόσθια και οπίσθια διαδιδόμενα συστατικά του ηλεκτρικού πεδίου που απεικονίζονται στις εικόνες ?? και ?? αντιστοιχούν στα δύο αντίθετα διαδιδόμενα ηλεκτρομαγνητικά κύματα που χρησιμοποιούνται εσωτερικά από τη μέθοδο της μήτρας μεταφοράς. Η συμβολή αυτών των κυμάτων παράγει τα οπτικά πρότυπα σταθερού κύματος που παρατηρούνται σε όλη τη συσκευή.

Αυτές οι οπτικές απεικονίσεις παρέχουν λεπτομερείς πληροφορίες σχετικά με τον τρόπο με τον οποίο το φως διαδίδεται, ανακλάται, παρεμβάλλεται και απορροφάται μέσα σε λεπτόστρωτες φωτοβολταϊκές δομές, καθιστώντας τις ιδιαίτερα χρήσιμες για την κατανόηση των οπτικών φαινομένων κοιλότητας και τη βελτιστοποίηση των αρχιτεκτονικών πολυστρωματικών ηλιακών κυψελών.

9. Περίληψη

Σε αυτό το εκπαιδευτικό πρόγραμμα, χρησιμοποιήσατε τη μέθοδο της μεταφορικής μήτρας για να προσομοιώσετε την οπτική συμπεριφορά ενός πολυεπίπεδου ηλιακού στοιχείου περοβσκίτη στο OghmaNano. Εξετάσατε κατανομές πυκνότητας φωτονίων, χάρτες απορροφημένων φωτονίων, προφίλ παραγωγής που εξαρτώνται από το μήκος κύματος, φάσματα ανάκλασης και μετάδοσης, καθώς και εκτιμήσεις του μέγιστου φωτορεύματος που προέρχονται από το οπτικό μοντέλο.

Επιπλέον, διερευνήσατε πώς η αλλαγή του φάσματος φωτισμού και η τροποποίηση του οπτικού μήκους κύματος επηρεάζουν το προφίλ δημιουργίας φορέων φορτίου στο εσωτερικό της συσκευής. Αυτά τα φαινόμενα είναι ιδιαίτερα σημαντικά κατά τη σύγκριση των προσομοιώσεων με τις πειραματικές μετρήσεις, επειδή οι φωτοβολταϊκές συσκευές λεπτών υμενίων είναι ιδιαίτερα ευαίσθητες στις οπτικές παρεμβολές, στις συνθήκες φωτισμού και στο πάχος των στρώσεων.

Οι προσομοιώσεις με τη μέθοδο της οπτικής μήτρας μεταφοράς αποτελούν ένα από τα πιο ισχυρά εργαλεία που διατίθενται για την κατανόηση και τη βελτιστοποίηση των ηλιακών κυψελών λεπτών υμενίων, επειδή απαιτούν σχετικά λίγες παραμέτρους υλικού, ενώ παράλληλα παρέχουν εξαιρετικά αξιόπιστες φυσικές πληροφορίες σχετικά με την οπτική απορρόφηση και τα όρια του φωτορεύματος. Στην OghmaNano, ο επιλυτής της μήτρας μεταφοράς αποτελεί τη βασική οπτική υποδομή για τις συνδυασμένες ηλεκτρο-οπτικές προσομοιώσεις διάχυσης-μεταφοράς, επιτρέποντας τη σύνδεση των οπτικών προφίλ δημιουργίας απευθείας με τα μοντέλα μεταφοράς φορτίου και ανασυνδυασμού.