Simulazione ottica di celle fotovoltaiche organiche: luce solare, assorbimento e generazione.Simulazione ottica di celle fotovoltaiche organiche: luce solare, assorbimento e generazione.

In questa sezione viene spiegato come la simulazione ottica viene utilizzata per modellare l’assorbimento della luce solare e la generazione di carica nelle celle solari organiche. In OghmaNano, la modellazione ottica delle celle fotovoltaiche organiche (OPV) combina lo spettro solare AM1.5G, l’assorbimento dei materiali in funzione della lunghezza d’onda e le simulazioni basate sulla matrice di trasferimento per calcolare dove i fotoni vengono assorbiti nello strato del dispositivo. Questi profili di assorbimento determinano dove vengono generate le coppie elettrone-lacuna e forniscono quindi l’input ottico per la simulazione elettrica delle celle fotovoltaiche organiche.In questa sezione viene spiegato come la simulazione ottica viene utilizzata per modellare l’assorbimento della luce solare e la generazione di carica nelle celle solari organiche. In OghmaNano, la modellazione ottica delle celle fotovoltaiche organiche (OPV) combina lo spettro solare AM1.5G, l’assorbimento dei materiali in funzione della lunghezza d’onda e le simulazioni basate sulla matrice di trasferimento per calcolare dove i fotoni vengono assorbiti nello strato del dispositivo. Questi profili di assorbimento determinano dove vengono generate le coppie elettrone-lacuna e forniscono quindi l’input ottico per la simulazione elettrica delle celle fotovoltaiche organiche.

1. Esplorazione del database ottico di OghmaNano1. Esplorazione del database ottico di OghmaNano

1. Accedere alla scheda «Database» come illustrato in ??.Accedere alla scheda «Database» come illustrato in ??.
2. Fare clic sull’icona del database ottico per aprire la finestra mostrata in ??.Fare clic sull’icona del database ottico per aprire la finestra mostrata in ??.
3. Fate doppio clic su AM1.5G per visualizzare lo spettro solare standard. Osservate dove l’irradianza è massima e individuate i piccoli picchi di assorbimento atmosferico. Dovreste visualizzare un grafico simile a ??.Fate doppio clic su AM1.5G per visualizzare lo spettro solare standard. Osservate dove l’irradianza è massima e individuate i piccoli picchi di assorbimento atmosferico. Dovreste visualizzare un grafico simile a ??.

2. Analisi dello spettro solare AM1.5G2. Analisi dello spettro solare AM1.5G

L’intensità del Sole varia nel corso della giornata e dipende anche dalla posizione geografica. Per poter confrontare in modo equo le celle solari, utilizziamo quindi uno spettro standard noto come AM1.5G. I grafici di questo spettro sono mostrati in ?? e ?? (con colori artificiali). Lo spettro AM1.5G rappresenta la luce solare dopo che ha attraversato uno strato atmosferico circa 1,5 volte più spesso rispetto a quando il Sole è direttamente sopra la nostra testa, e corrisponde alle tipiche condizioni delle medie latitudini nel pomeriggio. I piccoli «punti di minimo» visibili nello spettro sono dovuti all’assorbimento atmosferico, ad esempio, l’ozono nella radiazione ultravioletta e il vapore acqueo o il CO2 nell’infrarosso. L’utilizzo dello spettro AM1.5G nelle simulazioni consente di confrontare direttamente e in modo coerente i risultati ottenuti con i valori riportati nella letteratura scientifica.L’intensità del Sole varia nel corso della giornata e dipende anche dalla posizione geografica. Per poter confrontare in modo equo le celle solari, utilizziamo quindi uno spettro standard noto come AM1.5G. I grafici di questo spettro sono mostrati in ?? e ?? (con colori artificiali). Lo spettro AM1.5G rappresenta la luce solare dopo che ha attraversato uno strato atmosferico circa 1,5 volte più spesso rispetto a quando il Sole è direttamente sopra la nostra testa, e corrisponde alle tipiche condizioni delle medie latitudini nel pomeriggio. I piccoli «punti di minimo» visibili nello spettro sono dovuti all’assorbimento atmosferico, ad esempio, l’ozono nella radiazione ultravioletta e il vapore acqueo o il CO2 nell’infrarosso. L’utilizzo dello spettro AM1.5G nelle simulazioni consente di confrontare direttamente e in modo coerente i risultati ottenuti con i valori riportati nella letteratura scientifica.

3. In che modo i materiali OPV assorbono la luce.3. In che modo i materiali OPV assorbono la luce.

Le celle solari sono costituite da diversi strati. Alcuni strati sono progettati per assorbire la luce, altri per condurre le cariche. Per analizzare l'assorbimento ottico di un determinato materiale, aprire il database dei materiali, accessibile facendo clic sull'icona "Database dei materiali" in ??. Quindi, andare a polymers e aprire P3HT, quindi selezionare la scheda "Assorbimento" (??). Questo mostra quanto intensamente il polimero assorbe la luce in funzione della lunghezza d'onda; è importante notare che tutti i materiali assorbono la luce in modo diverso a diverse lunghezze d'onda.Le celle solari sono costituite da diversi strati. Alcuni strati sono progettati per assorbire la luce, altri per condurre le cariche. Per analizzare l'assorbimento ottico di un determinato materiale, aprire il database dei materiali, accessibile facendo clic sull'icona "Database dei materiali" in ??. Quindi, andare a polymers e aprire P3HT, quindi selezionare la scheda "Assorbimento" (??). Questo mostra quanto intensamente il polimero assorbe la luce in funzione della lunghezza d'onda; è importante notare che tutti i materiali assorbono la luce in modo diverso a diverse lunghezze d'onda.

Lo spettro solare è uno spettro continuo di lunghezze d’onda; diverse lunghezze d’onda della luce interagiscono con il dispositivo in modi diversi, che vengono descritti di seguito:Lo spettro solare è uno spettro continuo di lunghezze d’onda; diverse lunghezze d’onda della luce interagiscono con il dispositivo in modi diversi, che vengono descritti di seguito:

• Raggi UV (circa 200–400 nm): la maggior parte dei raggi UV-C/UV-B non raggiunge il dispositivo, poiché vengono assorbiti dall’atmosfera o dal vetro.Raggi UV (circa 200–400 nm): la maggior parte dei raggi UV-C/UV-B non raggiunge il dispositivo, poiché vengono assorbiti dall’atmosfera o dal vetro.
• Spettro visibile (circa 400–700 nm): è la banda di lunghezze d’onda principale su cui operano le celle fotovoltaiche organiche. Dopo una leggera attenuazione a livello dell’interfaccia vetro/ITO, questa luce viene assorbita nello strato attivo in base al suo spettro di assorbimento.Spettro visibile (circa 400–700 nm): è la banda di lunghezze d’onda principale su cui operano le celle fotovoltaiche organiche. Dopo una leggera attenuazione a livello dell’interfaccia vetro/ITO, questa luce viene assorbita nello strato attivo in base al suo spettro di assorbimento.
• Vicino all’infrarosso (circa 700–2500 nm): contiene una grande quantità dell’energia solare, ma gli strati organici sottili la assorbono debolmente e gran parte di essa viene riflessa.Vicino all’infrarosso (circa 700–2500 nm): contiene una grande quantità dell’energia solare, ma gli strati organici sottili la assorbono debolmente e gran parte di essa viene riflessa.
• Medio/lontano infrarosso (>≈2500 nm): si tratta principalmente di radiazione termica e, in generale, non è utile per i dispositivi OPV.Medio/lontano infrarosso (>≈2500 nm): si tratta principalmente di radiazione termica e, in generale, non è utile per i dispositivi OPV.

4. Simulazione dell’assorbimento della luce e della generazione di carica.4. Simulazione dell’assorbimento della luce e della generazione di carica.

Ora che abbiamo analizzato lo spettro solare AM1.5G e il modo in cui i materiali assorbono la luce in funzione della lunghezza d’onda, possiamo mettere insieme queste informazioni e simulare l’assorbimento dei fotoni all’interno della struttura del dispositivo.Ora che abbiamo analizzato lo spettro solare AM1.5G e il modo in cui i materiali assorbono la luce in funzione della lunghezza d’onda, possiamo mettere insieme queste informazioni e simulare l’assorbimento dei fotoni all’interno della struttura del dispositivo.

Aprire la scheda Ottica (Figura ??) e selezionare Simulazione con matrice di trasferimento. Nella finestra che si apre, fare clic su Esegui simulazione ottica (il pulsante di avvio). OghmaNano calcolerà l’assorbimento in funzione della lunghezza d’onda utilizzando il metodo della matrice di trasferimento.Aprire la scheda Ottica (Figura ??) e selezionare Simulazione con matrice di trasferimento. Nella finestra che si apre, fare clic su Esegui simulazione ottica (il pulsante di avvio). OghmaNano calcolerà l’assorbimento in funzione della lunghezza d’onda utilizzando il metodo della matrice di trasferimento.

I risultati sono visualizzati in diverse schede. La visualizzazione della distribuzione dei fotoni mostra il campo ottico in tutta la struttura, mentre la visualizzazione della distribuzione dei fotoni (assorbiti) indica dove i fotoni vengono assorbiti in funzione sia della posizione all’interno del dispositivo sia della lunghezza d’onda (Figura ??).I risultati sono visualizzati in diverse schede. La visualizzazione della distribuzione dei fotoni mostra il campo ottico in tutta la struttura, mentre la visualizzazione della distribuzione dei fotoni (assorbiti) indica dove i fotoni vengono assorbiti in funzione sia della posizione all’interno del dispositivo sia della lunghezza d’onda (Figura ??).

Interpretazione della mappa: sul lato sinistro del dispositivo si osserva una scarsa assorbimento nell’ITO trasparente, seguito dall’assorbimento negli strati attivi e negli strati adiacenti. Qualsiasi luce che si propaga senza essere assorbita viene infine riflessa o dispersa nel contatto metallico posteriore. La scala dei colori può essere visualizzata su una scala logaritmica per evidenziare le deboli caratteristiche di assorbimento.Interpretazione della mappa: sul lato sinistro del dispositivo si osserva una scarsa assorbimento nell’ITO trasparente, seguito dall’assorbimento negli strati attivi e negli strati adiacenti. Qualsiasi luce che si propaga senza essere assorbita viene infine riflessa o dispersa nel contatto metallico posteriore. La scala dei colori può essere visualizzata su una scala logaritmica per evidenziare le deboli caratteristiche di assorbimento.

Infine, la densità dei fotoni assorbiti viene integrata sull’intera gamma di lunghezze d’onda per ottenere un profilo di generazione unidimensionale in funzione della posizione (Figura ??). Questo grafico mostra dove il dispositivo genera effettivamente coppie elettrone-lacuna e aiuta a valutare l’efficacia con cui il sistema ottico dirige la luce solare verso lo strato attivo.Infine, la densità dei fotoni assorbiti viene integrata sull’intera gamma di lunghezze d’onda per ottenere un profilo di generazione unidimensionale in funzione della posizione (Figura ??). Questo grafico mostra dove il dispositivo genera effettivamente coppie elettrone-lacuna e aiuta a valutare l’efficacia con cui il sistema ottico dirige la luce solare verso lo strato attivo.