Tutorial sulla simulazione di celle fotovoltaiche organiche: simulazione di una cella solare organica.Tutorial sulla simulazione di celle fotovoltaiche organiche: simulazione di una cella solare organica.

🎯 Obiettivi di apprendimento🎯 Obiettivi di apprendimento

Esegui la tua prima simulazione OPV in OghmaNano.Esegui la tua prima simulazione OPV in OghmaNano.
Generare e interpretare una curva J-V (corrente di cortocircuito, tensione a circuito aperto, fattore di riempimento, efficienza).Generare e interpretare una curva J-V (corrente di cortocircuito, tensione a circuito aperto, fattore di riempimento, efficienza).
Comprendere le curve caratteristiche dei dispositivi fotovoltaici.Comprendere le curve caratteristiche dei dispositivi fotovoltaici.

📦 Requisiti preliminari📦 Requisiti preliminari

OghmaNano è stato installato e funziona correttamente.OghmaNano è stato installato e funziona correttamente.
Conoscenza di base dei principi fondamentali delle celle solari.Conoscenza di base dei principi fondamentali delle celle solari.

⏱ Tempo stimato⏱ Tempo stimato

Parte A: 5–10 minutiParte A: 5–10 minuti
Parte B: 10–15 minutiParte B: 10–15 minuti
Parte C: 15–20 minutiParte C: 15–20 minuti
Parte D: 15–20 minutiParte D: 15–20 minuti
Parte E: 10–15 minutiParte E: 10–15 minuti
Parte F: 10–15 minutiParte F: 10–15 minuti
Durata totale: circa 1 ora, a seconda di quanto tempo si dedica all’esplorazione.Durata totale: circa 1 ora, a seconda di quanto tempo si dedica all’esplorazione.

📺 Esempi da YouTube📺 Esempi da YouTube

Come eseguire la prima simulazione in OghmaNano.Come eseguire la prima simulazione in OghmaNano.

Questo tutorial sulla simulazione di celle fotovoltaiche organiche (OPV) illustra come simulare una cella solare organica in OghmaNano. I dispositivi fotovoltaici organici rappresentano la classe di dispositivi più semplice nel software e offrono un modo diretto per apprendere la simulazione delle curve corrente-tensione (JV), i parametri chiave delle prestazioni fotovoltaiche e la modellizzazione di base dei dispositivi basata sulla deriva e sulla diffusione, senza dover prima affrontare effetti bidimensionali, la migrazione ionica o l'emissione di luce. In pochi passaggi, configurerete un dispositivo P3HT:PCBM, eseguirete una simulazione delle curve corrente-tensione e analizzerete la corrente di cortocircuito (JSC), la tensione a circuito aperto (VOC), il fattore di riempimento e l'efficienza. La libreria di esempi include anche altri sistemi di materiali OPV, tra cui PM6:Y6 e D18:L8-BO, che potrete esplorare una volta acquisita familiarità con questo sistema di materiali semplice, spesso definito il "cavallo di battaglia" della ricerca sulle OPV.Questo tutorial sulla simulazione di celle fotovoltaiche organiche (OPV) illustra come simulare una cella solare organica in OghmaNano. I dispositivi fotovoltaici organici rappresentano la classe di dispositivi più semplice nel software e offrono un modo diretto per apprendere la simulazione delle curve corrente-tensione (JV), i parametri chiave delle prestazioni fotovoltaiche e la modellizzazione di base dei dispositivi basata sulla deriva e sulla diffusione, senza dover prima affrontare effetti bidimensionali, la migrazione ionica o l'emissione di luce. In pochi passaggi, configurerete un dispositivo P3HT:PCBM, eseguirete una simulazione delle curve corrente-tensione e analizzerete la corrente di cortocircuito (JSC), la tensione a circuito aperto (VOC), il fattore di riempimento e l'efficienza. La libreria di esempi include anche altri sistemi di materiali OPV, tra cui PM6:Y6 e D18:L8-BO, che potrete esplorare una volta acquisita familiarità con questo sistema di materiali semplice, spesso definito il "cavallo di battaglia" della ricerca sulle OPV.

Fase 1: avviare OghmaNano.Fase 1: avviare OghmaNano.

Avvia OghmaNano dal menu Start di Windows. Si aprirà la finestra principale di OghmaNano, come mostrato in ??.Avvia OghmaNano dal menu Start di Windows. Si aprirà la finestra principale di OghmaNano, come mostrato in ??.

OghmaNano start window with options to create a new simulation, open a project, or access recent files — La finestra di avvio di OghmaNano. È possibile creare una nuova simulazione, aprire un progetto esistente o accedere ai file recenti.La finestra di avvio di OghmaNano. È possibile creare una nuova simulazione, aprire un progetto esistente o accedere ai file recenti.

Passaggio 2: Crea una nuova simulazione.Passaggio 2: Crea una nuova simulazione.

Fare clic su «Nuova simulazione». Si aprirà la libreria dei tipi di dispositivi disponibili, come mostrato in ??. Fare doppio clic sull’icona «Celle solari organiche» (in alto a sinistra) per aprire la cartella contenente gli esempi di OPV. Verrà visualizzato un elenco di simulazioni predefinite, come la cella solare P3HT:PCBM (PCE ≈ 4%), PM6:Y6 o D18:L8-BO, come mostrato in ??. Per questo tutorial, selezionare la cella solare P3HT:PCBM (PCE = 4%). Quando richiesto, salvare la simulazione in una cartella a cui si ha accesso in scrittura.Fare clic su «Nuova simulazione». Si aprirà la libreria dei tipi di dispositivi disponibili, come mostrato in ??. Fare doppio clic sull’icona «Celle solari organiche» (in alto a sinistra) per aprire la cartella contenente gli esempi di OPV. Verrà visualizzato un elenco di simulazioni predefinite, come la cella solare P3HT:PCBM (PCE ≈ 4%), PM6:Y6 o D18:L8-BO, come mostrato in ??. Per questo tutorial, selezionare la cella solare P3HT:PCBM (PCE = 4%). Quando richiesto, salvare la simulazione in una cartella a cui si ha accesso in scrittura.

💡 Suggerimento: per ottenere le migliori prestazioni, salvare i dati su un disco locale, ad esempio C:\. Le simulazioni salvate su cartelle di rete, unità USB o nel cloud (ad esempio, OneDrive) potrebbero essere eseguite più lentamente a causa dell’elevato numero di operazioni di lettura/scrittura.💡 Suggerimento: per ottenere le migliori prestazioni, salvare i dati su un disco locale, ad esempio C:\. Le simulazioni salvate su cartelle di rete, unità USB o nel cloud (ad esempio, OneDrive) potrebbero essere eseguite più lentamente a causa dell’elevato numero di operazioni di lettura/scrittura.

OghmaNano new simulation window listing device categories such as organic solar cells, OLEDs, OFETs, perovskites, ray tracing, and FDTD examples — La nuova finestra di simulazione offre una libreria di tipi di dispositivi ed esempi di progetti. Fate doppio clic su un’icona per aprire una simulazione preconfigurata, come celle solari organiche, OLED, OFET, celle a perovskite, configurazioni di ray tracing o esempi FDTD. Questi modelli semplificano l’esplorazione di diverse classi di dispositivi, senza dover creare ogni simulazione da zero.La nuova finestra di simulazione offre una libreria di tipi di dispositivi ed esempi di progetti. Fate doppio clic su un’icona per aprire una simulazione preconfigurata, come celle solari organiche, OLED, OFET, celle a perovskite, configurazioni di ray tracing o esempi FDTD. Questi modelli semplificano l’esplorazione di diverse classi di dispositivi, senza dover creare ogni simulazione da zero.

OghmaNano organic solar cell examples list showing devices such as P3HT:PCBM, PM6:Y6, and D18:L8-BO with power conversion efficiencies — All’interno della categoria delle celle solari organiche, è possibile scegliere tra una serie di strutture di dispositivi OPV preconfigurate. Ogni voce corrisponde a un’architettura pubblicata o rappresentativa (ad esempio, P3HT:PCBM, PM6:Y6, D18:L8-BO), con i valori di efficienza tipici indicati tra parentesi. Facendo doppio clic su uno di questi modelli, si apre una simulazione pronta per l’esecuzione, che è possibile modificare, consentendo di esplorare come i materiali dello strato attivo e le configurazioni dei dispositivi influiscono sulle prestazioni.All’interno della categoria delle celle solari organiche, è possibile scegliere tra una serie di strutture di dispositivi OPV preconfigurate. Ogni voce corrisponde a un’architettura pubblicata o rappresentativa (ad esempio, P3HT:PCBM, PM6:Y6, D18:L8-BO), con i valori di efficienza tipici indicati tra parentesi. Facendo doppio clic su uno di questi modelli, si apre una simulazione pronta per l’esecuzione, che è possibile modificare, consentendo di esplorare come i materiali dello strato attivo e le configurazioni dei dispositivi influiscono sulle prestazioni.

Passaggio 3: avviare la simulazione.Passaggio 3: avviare la simulazione.

Si apre la finestra principale (vedere ??). Fare clic su «Esegui simulazione» (icona blu a forma di pulsante di riproduzione) oppure premere F9. Sui computer meno potenti, l’operazione potrebbe richiedere un po’ di tempo. Utilizzare i pulsanti xy/yz/xz per orientare la visualizzazione del dispositivo.Si apre la finestra principale (vedere ??). Fare clic su «Esegui simulazione» (icona blu a forma di pulsante di riproduzione) oppure premere F9. Sui computer meno potenti, l’operazione potrebbe richiedere un po’ di tempo. Utilizzare i pulsanti xy/yz/xz per orientare la visualizzazione del dispositivo.

Main OghmaNano interface showing the Run Simulation button and a 3D cross-section of a solar cell stack with layers labelled ITO, PEDOT:PSS, P3HT:PCBM, and Al. — Il principale *OghmaNano* interfaccia di simulazione. La barra degli strumenti nella parte superiore consente di accedere rapidamente a funzioni quali la creazione o l’apertura di simulazioni, l’esportazione e l’esecuzione del risolutore. Nel pannello 3D è visualizzata la pila di dispositivi, con i vari strati che comprendono ITO, PEDOT:PSS, lo strato attivo P3HT:PCBM e l’alluminio (Al) come contatto posteriore. Gli elementi evidenziati **Avvia simulazione** pulsante (o `F9`) avvia il calcolo. Il principale *OghmaNano* interfaccia di simulazione. La barra degli strumenti nella parte superiore consente di accedere rapidamente a funzioni quali la creazione o l’apertura di simulazioni, l’esportazione e l’esecuzione del risolutore. Nel pannello 3D è visualizzata la pila di dispositivi, con i vari strati che comprendono ITO, PEDOT:PSS, lo strato attivo P3HT:PCBM e l’alluminio (Al) come contatto posteriore. Gli elementi evidenziati **Avvia simulazione** pulsante (o `F9`) avvia il calcolo.

OghmaNano Output tab displaying the simulation working directory with result files such as jv.csv, reflect.dat, snapshots, and input files. — La scheda «Output» di OghmaNano. Questa schermata visualizza la directory di lavoro per la simulazione corrente, mostrando i file di risultati generati, come `jv.dat` (dati relativi alla curva corrente-tensione), `reflect.dat` (spettro di riflessione), `snapshots` (profili del campo ottico/elettrico) e i vari file dei parametri di input. Facendo doppio clic su un file, questo si apre nel visualizzatore o nell’editor appropriato.La scheda «Output» di OghmaNano. Questa schermata visualizza la directory di lavoro per la simulazione corrente, mostrando i file di risultati generati, come `jv.dat` (dati relativi alla curva corrente-tensione), `reflect.dat` (spettro di riflessione), `snapshots` (profili del campo ottico/elettrico) e i vari file dei parametri di input. Facendo doppio clic su un file, questo si apre nel visualizzatore o nell’editor appropriato.

Fase 4: visualizzare la curva JV e i parametri relativi alle celle solari.Fase 4: visualizzare la curva JV e i parametri relativi alle celle solari.

Apri Risultato Utilizzare il tasto Tab per visualizzare i file generati dalla simulazione. Apri. jv.csv per visualizzare la curva della densità di corrente in funzione della tensione, nota anche come curva JV. Premere g nella finestra di impostazione del grafico, è possibile attivare o disattivare la griglia. Apri Risultato Utilizzare il tasto Tab per visualizzare i file generati dalla simulazione. Apri. jv.csv per visualizzare la curva della densità di corrente in funzione della tensione, nota anche come curva JV. Premere g nella finestra di impostazione del grafico, è possibile attivare o disattivare la griglia.

Quando si analizza la curva JV, è importante concentrarsi sui seguenti parametri chiave delle celle fotovoltaiche:Quando si analizza la curva JV, è importante concentrarsi sui seguenti parametri chiave delle celle fotovoltaiche:

JSC: densità di corrente di cortocircuito, valore che si ottiene individuando il punto in cui la curva interseca l’asse della corrente quando V = 0.JSC: densità di corrente di cortocircuito, valore che si ottiene individuando il punto in cui la curva interseca l’asse della corrente quando V = 0.
VOC: tensione a circuito aperto, che si ottiene nel punto in cui la curva interseca l’asse della tensione quando J = 0.VOC: tensione a circuito aperto, che si ottiene nel punto in cui la curva interseca l’asse della tensione quando J = 0.
Pmax: il punto di funzionamento in cui il prodotto tra tensione e corrente raggiunge il valore massimo.Pmax: il punto di funzionamento in cui il prodotto tra tensione e corrente raggiunge il valore massimo.

Insieme al fattore di riempimento e all’efficienza di conversione della potenza, questi valori rappresentano i parametri di riferimento standard utilizzati per confrontare le simulazioni e gli esperimenti relativi alle celle solari organiche.Insieme al fattore di riempimento e all’efficienza di conversione della potenza, questi valori rappresentano i parametri di riferimento standard utilizzati per confrontare le simulazioni e gli esperimenti relativi alle celle solari organiche.

Current density–voltage (JV) curve of an organic solar cell. The curve shows Jsc at negative bias, Voc at the zero-current intercept, and Pmax at the knee of the curve. — Esempio di curva caratteristica corrente-tensione (JV) di una cella solare organica. Jsc (densità di corrente di cortocircuito) è la corrente quando la tensione applicata è zero. Voc (tensione a circuito aperto) è la tensione alla quale la densità di corrente scende a zero. Pmax indica il punto di funzionamento in cui il prodotto della densità di corrente e della tensione è massimo, corrispondente alla massima potenza erogata dal dispositivo.Esempio di curva caratteristica corrente-tensione (JV) di una cella solare organica. Jsc (densità di corrente di cortocircuito) è la corrente quando la tensione applicata è zero. Voc (tensione a circuito aperto) è la tensione alla quale la densità di corrente scende a zero. Pmax indica il punto di funzionamento in cui il prodotto della densità di corrente e della tensione è massimo, corrispondente alla massima potenza erogata dal dispositivo.

Ottimo! Hai eseguito la tua prima simulazione di una cella fotovoltaica organica e hai tracciato la relativa curva corrente-tensione.Ottimo! Hai eseguito la tua prima simulazione di una cella fotovoltaica organica e hai tracciato la relativa curva corrente-tensione.

I risultati della tua simulazione.I risultati della tua simulazione.

Ogni simulazione genera una serie di risultati che descrivono diversi aspetti del comportamento del dispositivo, dalle curve caratteristiche corrente-tensione e dalle densità di carica, agli spettri ottici, alle costanti di ricombinazione e alle istantanee dei campi elettrici o ottici. Questi file sono in genere file CSV semplici, che possono essere aperti direttamente nei visualizzatori integrati di OghmaNano o elaborati esternamente (ad esempio, per rappresentare graficamente i dati in Excel o Python). I risultati più importanti per uno studio di base sulle celle fotovoltaiche organiche sono riassunti nella Tabella 1 qui sotto.Ogni simulazione genera una serie di risultati che descrivono diversi aspetti del comportamento del dispositivo, dalle curve caratteristiche corrente-tensione e dalle densità di carica, agli spettri ottici, alle costanti di ricombinazione e alle istantanee dei campi elettrici o ottici. Questi file sono in genere file CSV semplici, che possono essere aperti direttamente nei visualizzatori integrati di OghmaNano o elaborati esternamente (ad esempio, per rappresentare graficamente i dati in Excel o Python). I risultati più importanti per uno studio di base sulle celle fotovoltaiche organiche sono riassunti nella Tabella 1 qui sotto.

Table 1: Files produced by the JV simulation
Nome del fileNome del file	DescrizioneDescrizione
jv.csvjv.csv	Densità di corrente in funzione della tensione (curva JV)Densità di corrente in funzione della tensione (curva JV)
charge.csvcharge.csv	Densità di carica in funzione della tensione.Densità di carica in funzione della tensione.
device.datdevice.dat	Modello 3D del dispositivoModello 3D del dispositivo
fit_data.inpfit_data.inp	Dati sperimentali relativi al dispositivo di esempio (se disponibili).Dati sperimentali relativi al dispositivo di esempio (se disponibili).
k.csvk.csv	Parametro di ricombinazione in funzione della tensione.Parametro di ricombinazione in funzione della tensione.
reflect.csv / transmit.csvreflect.csv / transmit.csv	Riflettanza / trasmittanza otticaRiflettanza / trasmittanza ottica
istantanee/istantanee/	Diagrammi delle caratteristiche elettriche (in funzione della polarizzazione e del tempo); vedere ??.Diagrammi delle caratteristiche elettriche (in funzione della polarizzazione e del tempo); vedere ??.
immagini_ottiche/immagini_ottiche/	Immagini istantanee del campo/dell’intensità ottica; vedere ??.Immagini istantanee del campo/dell’intensità ottica; vedere ??.
sim_info.datsim_info.dat	Riepilogo (VOC, JSC, FF, η); consultare ??.Riepilogo (VOC, JSC, FF, η); consultare ??.
cache/cache/	Dati memorizzati nella cache di livello intermedio; vedere ??.Dati memorizzati nella cache di livello intermedio; vedere ??.

❓ Esercizio 1: Aprire il file sim_info.dat. Questo file elenca i principali parametri di performance della cella solare, come la tensione a circuito aperto (VOC – la tensione massima in condizioni di illuminazione), l’efficienza (η – l’efficienza di conversione della potenza) e la corrente di cortocircuito (JSC – la corrente massima in condizioni di illuminazione). La figura ?? mostra come questi valori possano essere identificati direttamente sulla curva JV contenuta in jv.csv. Confrontare i valori presenti in sim_info.dat con quelli estratti dalla curva JV rappresentata graficamente. I valori corrispondono a quanto previsto? In caso contrario, quali potrebbero essere le cause di eventuali piccole differenze? Il file sim_info.dat contiene anche numerosi altri parametri, descritti in dettaglio in ??.❓ Esercizio 1: Aprire il file sim_info.dat. Questo file elenca i principali parametri di performance della cella solare, come la tensione a circuito aperto (VOC – la tensione massima in condizioni di illuminazione), l’efficienza (η – l’efficienza di conversione della potenza) e la corrente di cortocircuito (JSC – la corrente massima in condizioni di illuminazione). La figura ?? mostra come questi valori possano essere identificati direttamente sulla curva JV contenuta in jv.csv. Confrontare i valori presenti in sim_info.dat con quelli estratti dalla curva JV rappresentata graficamente. I valori corrispondono a quanto previsto? In caso contrario, quali potrebbero essere le cause di eventuali piccole differenze? Il file sim_info.dat contiene anche numerosi altri parametri, descritti in dettaglio in ??.

👉 Prossimi passi:👉 Prossimi passi:

Proseguite con la sezione Parte B per una guida più dettagliata sulle celle fotovoltaiche organiche, che comprenderà esempi di risultati, la struttura dei diversi strati del dispositivo e analisi avanzate.Proseguite con la sezione Parte B per una guida più dettagliata sulle celle fotovoltaiche organiche, che comprenderà esempi di risultati, la struttura dei diversi strati del dispositivo e analisi avanzate.
Torna a introduzione all’elettronica organica per una panoramica più completa dell’argomento. Torna a introduzione all’elettronica organica per una panoramica più completa dell’argomento.