페로브스카이트 태양전지 (PSC) 튜토리얼 파트 B: 페로브스카이트 소자와 빛

페로브스카이트 소자가 빛을 어떻게 흡수하는지 이해하려면 먼저 OghmaNano 내부에서 사용할 수 있는 광학 데이터를 살펴봐야 합니다. 이 소프트웨어에는 시뮬레이션의 조명 광원으로 사용할 수 있는 측정 스펙트럼과 표준 스펙트럼의 내장 라이브러리가 포함되어 있습니다.

1. OghmaNano의 광학 데이터베이스 탐색

1. ??에 표시된 것처럼 Databases 리본으로 이동합니다.
2. Optical database 아이콘(무지개)을 클릭합니다. 그러면 ??에 표시된 창이 열립니다.
3. AM1.5G를 더블클릭하여 표준 지상 태양광 스펙트럼을 불러옵니다. 최대 복사조도 영역과 지구 대기 중 분자에 의해 발생하는 흡수 “딥”을 확인하십시오. 곡선은 ??와 유사하게 보여야 합니다.

2. 태양광 스펙트럼 이해

모든 태양전지의 성능은 받는 태양광의 분포에 강하게 의존합니다. 태양의 세기는 시간대와 지리적 위치에 따라 달라지기 때문에, 연구자들은 결과를 비교 가능하게 만들기 위해 AM1.5G라는 기준 스펙트럼을 사용합니다. 그림 ??와 ??는 이 스펙트럼을 보여줍니다: 파장에 대한 분광 복사조도 선 그래프와 가시광 대역 전반에 걸친 false-colour 표현입니다. AM1.5G는 태양이 머리 위에 직접 있는 경우와 비교해 1.5배의 지구 대기를 통과한 태양광에 해당하며, 이는 중위도 오후 조건을 근사합니다. 세기의 딥은 대기 흡수의 특징입니다 — 오존은 UV 일부를 제거하고, 수증기와 이산화탄소는 적외선에서 흡수합니다. 시뮬레이션에서 AM1.5G를 사용하면 계산된 소자 효율을 페로브스카이트 태양전지에서 자주 인용되는 기록 효율을 포함한 문헌값과 동등한 기준으로 비교할 수 있습니다.

3. 페로브스카이트 재료가 빛을 흡수하는 방식

태양전지는 여러 층으로 구성되며, 각 층은 고유한 기능을 갖습니다. 일부는 전하를 수송하고, 다른 일부는 입사 광자를 흡수하는 역할을 담당합니다. OghmaNano에서 페로브스카이트 재료의 흡수 스펙트럼을 보려면 ?? 도구 모음에서 Materials database를 여십시오. perovskite 디렉터리로 이동하여 std_perovskite를 선택합니다. Absorption 탭 (??)에서 이 재료가 스펙트럼 전반에 걸쳐 빛을 얼마나 강하게 흡수하는지 볼 수 있습니다. 이 파장 의존적 흡수는 페로브스카이트 활성층이 태양광을 얼마나 효율적으로 수확할 수 있는지를 결정합니다.

태양은 연속적인 파장 범위를 제공하지만, 각 영역은 페로브스카이트 태양전지와 서로 다르게 상호작용합니다:

• UV (≈200–400 nm): 이 영역의 많은 부분은 소자에 도달하기 전에 대기와 유리 층에 의해 필터링됩니다.
• 가시광 (≈400–700 nm): 대부분의 전력이 수확되는 페로브스카이트의 주 흡수 창입니다.
• 근적외선 (≈700–2500 nm): 이 범위는 상당한 태양 에너지를 포함하지만, 얇은 페로브스카이트 층은 이를 약하게 흡수하므로 많은 부분이 통과하거나 반사됩니다.
• 중/원적외선 (>≈2500 nm): 이는 본질적으로 열복사이며 광전 변환에는 유용하지 않습니다.

3. 빛 흡수 시뮬레이션

AM1.5G 스펙트럼과 페로브스카이트 재료의 흡수 특성을 소개했으므로, 이제 이 개념들을 결합하여 전체 소자 적층 구조 내부에서 광자가 어떻게 분포하고 흡수되는지를 시뮬레이션할 수 있습니다. 이 단계는 태양으로부터의 광학 입력을 셀 내부 전하 생성의 공간 프로파일과 연결합니다.

Optical 리본(그림 ??)을 열고 Transfer Matrix Simulation을 선택하십시오. 나타나는 창에서 Run optical simulation(파란색 재생 버튼)을 클릭합니다. OghmaNano는 transfer-matrix 방법을 사용하여 파장 및 위치 분해 광학장을 계산합니다.

이 시뮬레이션은 여러 시각화를 생성합니다. 첫 번째는 Photon density 맵으로, 이는 광학장이 파장과 위치의 함수로서 소자 전체에 어떻게 분포하는지를 보여줍니다(그림 ??). 밝은 영역은 정재파 패턴과 페로브스카이트 층 및 인접 계면 내부의 높은 광자 밀도에 해당합니다.

두 번째는 Photon absorption 맵으로, 이는 전자–정공 쌍을 만들기 위해 광자가 흡수되는 위치를 직접 나타냅니다 (그림 ??). 이 플롯은 어떤 층이 태양광 수확을 담당하는지를 강조하고, 페로브스카이트 층이 태양광 스펙트럼 전반에 걸쳐 입사 복사를 얼마나 효율적으로 포착하는지를 보여줍니다.