Symulacja optyczna ogniw fotowoltaicznych: promieniowanie słoneczne, absorpcja i generacja.

W tej sekcji wyjaśniono, w jaki sposób symulacje optyczne są wykorzystywane do modelowania absorpcji światła słonecznego i generowania ładunków w organicznych ogniwach słonecznych. W OghmaNano modelowanie optyczne ogniw OPV łączy spektrum słoneczne AM1.5G, zależną od długości fali absorpcję materiału oraz symulacje oparte na metodzie macierzy przenoszenia, aby obliczyć, w których miejscach stosu urządzenia dochodzi do absorpcji fotonów. Profile absorpcji określają, gdzie powstają pary elektron-dziura, a tym samym dostarczają dane wejściowe do symulacji elektrycznej ogniw OPV.

1. Zapoznawanie się z bazą danych optycznych OghmaNano.

1. Przejdź do zakładki „Bazy danych”, jak pokazano na ilustracji ??.
2. Kliknij ikonę bazy danych optycznych, aby otworzyć okno przedstawione na ilustracji ??.
3. Kliknij dwukrotnie AM1.5G, aby wyświetlić standardowe spektrum promieniowania słonecznego. Zwróć uwagę na obszar, w którym natężenie promieniowania jest najwyższe, i poszukaj niewielkich załamań na wykresie, odpowiadających absorpcji w atmosferze. Powinieneś zobaczyć wykres podobny do ??.

2. Analiza widma promieniowania słonecznego AM1.5G

Intensywność promieniowania słonecznego zmienia się w ciągu dnia i zależy również od położenia geograficznego. Aby w sposób obiektywny porównać ogniwa słoneczne, stosujemy standardowe spektrum, znane jako AM1.5G. Wykresy tego spektrum znajdują się w ?? i ?? (wykorzystano sztuczne kolory). Spektrum AM1.5G przedstawia promieniowanie słoneczne po przejściu przez warstwę atmosfery o grubości 1,5 razy większej niż w przypadku promieniowania słonecznego padającego bezpośrednio z góry, co odpowiada typowym warunkom panującym w południe w strefie umiarkowanej. Drobne „zagłębienia” widoczne na wykresie spektrum wynikają z absorpcji w atmosferze – na przykład ozonu w zakresie promieniowania UV oraz pary wodnej lub dwutlenku węgla w zakresie podczerwieni. Wykorzystanie spektrum AM1.5G w symulacjach pozwala na bezpośrednie i spójne porównanie uzyskanych wyników z wartościami podawanymi w literaturze.

3. W jaki sposób materiały OPV absorbują światło.

Panele słoneczne składają się z wielu warstw. Niektóre warstwy są przeznaczone do absorpcji światła, inne do przewodzenia nośników ładunku. Aby sprawdzić właściwości optyczne danego materiału, otwórz bazę danych materiałów, do której można uzyskać dostęp, klikając ikonę „Baza danych materiałów” w ??. Następnie przejdź do polymers i otwórz P3HT, a następnie wybierz zakładkę „Absorpcja” (??). Wyświetli to, jak silnie polimer absorbuje światło w zależności od długości fali. Należy pamiętać, że wszystkie materiały absorbują światło w różny sposób przy różnych długościach fal.

Widmo słoneczne to ciągłe spektrum długości fal; różne długości fal światła oddziałują na urządzenie w różny sposób, co opisano poniżej:

• Promieniowanie UV (około 200–400 nm): Większość promieniowania UV-C/UV-B nie dociera do urządzenia, ponieważ jest pochłaniana w atmosferze/przez szkło.
• Widzialne (około 400–700 nm): Główny zakres długości fal, w którym działają ogniwa fotowoltaiczne organiczne (OPV). Po niewielkich stratach na warstwie szkła/ITO, to światło jest absorbowane w warstwie aktywnej zgodnie z jej widmem absorpcji.
• Bliska podczerwień (≈700–2500 nm): Zawiera znaczną część energii emitowanej przez Słońce, ale cienkie warstwy organiczne słabo ją absorbują, a większość jest odbijana.
• Średnia/długa część zakresu podczerwieni (>≈2500 nm): Głównie promieniowanie cieplne, które zazwyczaj nie jest przydatne w urządzeniach OPV.

4. Symulacja absorpcji światła i generowania ładunku.

Skoro już przeanalizowaliśmy widmo promieniowania słonecznego AM1.5G oraz sposób, w jaki różne materiały absorbują światło w zależności od długości fali, możemy połączyć te informacje i zasymulować absorpcję fotonów wewnątrz warstw urządzenia.

Otwórz pasek narzędzi „Optyka” (rycina ??) i wybierz opcję „Symulacja macierzy przenoszenia”. W wyświetlonym oknie kliknij „Uruchom symulację optyczną” (ikona odtwarzania). OghmaNano obliczy absorpcję w zależności od długości fali, wykorzystując metodę macierzy przenoszenia.

Wyniki są wyświetlane na wielu zakładkach. Widok rozkładu fotonów pokazuje rozkład pola optycznego w całej strukturze, natomiast widok „Rozkład fotonów (pochłoniętych)” wizualizuje, gdzie fotony są pochłaniane, w zależności od ich położenia w urządzeniu i długości fali (rycina ??).

Interpretacja mapy: po lewej stronie urządzenia obserwujemy praktycznie brak absorpcji w przezroczystej warstwie ITO, a następnie występuje absorpcja w warstwie aktywnej i sąsiednich warstwach. Światło, które przechodzi przez urządzenie bez absorpcji, jest ostatecznie odbijane lub tracone na tylnym metalowym kontakcie. Skalę kolorów można wyświetlić w skali logarytmicznej, aby uwypuklić słabe cechy absorpcji.

Na koniec, gęstość pochłoniętych fotonów jest zintegrowana w odniesieniu do długości fali, co pozwala uzyskać jednowymiarowy profil generacji w funkcji położenia (rycina ??). Na wykresie tym widać, w których miejscach urządzenie faktycznie generuje pary elektron-dziura, co pomaga ocenić, jak skutecznie konstrukcja optyczna kieruje światło słoneczne do warstwy aktywnej.