Samouczek dotyczący ogniw słonecznych z perowskitu – symulacja krzywej wydajności kwantowej (EQE).

1. Wprowadzenie

2. Konfiguracja symulacji w celu przygotowania do egzaminu EQE.

Na początek uruchom program OghmaNano. W głównym oknie kliknij opcję „Nowa symulacja”. Pojawi się biblioteka dostępnych typów urządzeń, jak pokazano na ilustracji ??. Kliknij dwukrotnie kategorię „Komórki perowskitowe”, aby uzyskać dostęp do przykładowych urządzeń. W folderze perowskitowym znajdziesz zestaw gotowych przykładowych symulacji, takich jak urządzenia MAPbI₃ i ich warianty z uwzględnieniem efektów jonowych (zamrożone jony, CELIV itp.). Wybierz przykładowe urządzenie „Perowskitowa ogniwo słoneczne – zamrożone jony (MAPI)”, jak pokazano na ilustracji ??.

💡 Wskazówka: Upewnij się, że wybierasz opcję „Perowskitowa ogniwo słoneczne – zamrożone jony (MAPI)”. Informacja o „zamrożonych jonach” jest ważna i zostanie wyjaśniona później.

Przed uruchomieniem symulacji przejdź do zakładki „Typ symulacji” i zmień domyślny tryb „Histereza perowskitu” na tryb „EQE”. Dzięki temu symulacja będzie gotowa do wykonywania obliczeń EQE.

3. Uruchamianie symulacji.

Po zmianie trybu symulacji na: EQEprzejdź do zakładki „Plik”. Następnie naciśnij Uruchom symulację. przycisk (niebieska ikona odtwarzania) lub naciśnij F9 aby uruchomić obliczenia. Po zakończeniu obliczeń przejdź do Wynik / Dane wyjściowe zakładka, w której będą wyświetlane pliki wygenerowane przez symulację EQE.

Po zakończeniu symulacji przejdź do zakładki „Wyniki”. Kliknij dwukrotnie eqe.csv, aby wyświetlić wykres zależności długości fali od wydajności kwantowej (zobacz ??). Jeśli klikniesz dwukrotnie E_eqe.csv, zobaczysz wykres zależności energii fotonu od wydajności kwantowej (zobacz ??).

Co do zasady, to wszystko, czego potrzebujesz, aby przeprowadzić symulacje EQE. Ta sama metoda sprawdza się w przypadku różnych typów urządzeń (np. ogniw słonecznych krzemowych lub organicznych): wystarczy kliknąć przycisk EQE, uruchomić symulację, a zostanie wygenerowane spektrum EQE. Ponieważ w tym samouczku używamy ogniwa słonecznego z perowskitu zawierającego ruchome jony, należy wziąć pod uwagę kilka dodatkowych szczegółów. Jeśli chcesz poznać te szczegóły, czytaj dalej.

4. Kilka dodatkowych szczegółów.

Po naciśnięciu przycisku uruchamiającego i rozpoczęciu działania programu do obliczania parametrów EQE, proces przebiega w trzech etapach. Etap 1: urządzenie jest stopniowo ustawiane na żądane napięcie polaryzacji odwrotnej, przy którym będą mierzone parametry EQE (to napięcie można ustawić w edytorze EQE: główne okno → edytory → EQE → napięcie EQE). Etap 2: program oblicza rozkład fotonów w urządzeniu w interesującym zakresie długości fal (patrz ??). Etap 3: program wykonuje właściwe obliczenia parametrów EQE, wykorzystując uzyskane wyniki dotyczące optyki przy zadanym napięciu polaryzacji (patrz ??). Poszczególne etapy obliczeń można obserwować podczas działania programu.

Napięcie, przy którym przeprowadzana jest symulacja EQE, można ustawić w edytorze EQE (patrz ??). W tym edytorze parametr „Napięcie EQE” określa polaryzację używaną do obliczeń, a dostęp do edytora uzyskuje się z paska narzędzi „Edytory” w głównym oknie. Zaletą przeprowadzania symulacji EQE przy bardziej ujemnym napięciu jest minimalizacja wpływu rekombinacji nośników. Im bliżej wartości zerowej, a zwłaszcza przy przyłożeniu napięcia przewodzącego, tym większa ilość rekombinacji będzie uwzględniana w symulacji. W takim przypadku wynik nie będzie już wiarygodnym wskaźnikiem rzeczywistej wartości EQE.

5. Efektywność kwantowa zewnętrzna w perowskitach.

Perowskitowe ogniwa słoneczne zawierają ruchome jony, dlatego każdy pomiar zmienia ich rozmieszczenie i sprawia, że parametry takie jak EQE, JSC lub VOC zależą od historii pomiaru. W praktyce najczęściej stosuje się następującą metodę: ogniwo jest stopniowo poddawane zwiększaniu napięcia do określonej wartości, jony mają czas na ustabilizowanie się, a następnie przeprowadza się pomiar. W tej symulacji odtwarzamy tę procedurę: jony mogą swobodnie przemieszczać się podczas zwiększania napięcia, a następnie ich ruch zostaje zatrzymany po osiągnięciu docelowego napięcia, a EQE jest obliczane szybko, aby uniknąć dalszych zmian w rozmieszczeniu jonów. Odzwierciedla to dobre praktyki w tej dziedzinie, gdzie EQE jest mierzone po ustabilizowaniu się ogniwa i przy określonym profilu napięcia, zgodnie z zaleceniami zawartymi w wytycznych społeczności ( Khenkin i in., Nat. Energy 2020) oraz międzynarodowych normach dotyczących ogniw fotowoltaicznych, takich jak IEC 60904.

W perowskitach zawierających ruchome jony takie parametry, jak EQE i wydajność, mogą zależeć od historii zmian napięcia w urządzeniu. Istnieją dwa praktyczne sposoby na uzyskanie stabilnego EQE: (i) tymczasowe całkowite wyłączenie modułu symulującego ruch jonów (patrz zakładka „Electrical”), lub (ii) utrzymanie ruchliwości jonów podczas zmiany napięcia, aby mogły się zrelaksować, a następnie ich unieruchomienie tylko podczas obliczania EQE. Drugi sposób jest kontrolowany za pomocą edytora mikrokodu odpowiadającego za proces dyfuzji i dryfu (patrz ??).

W praktyce, w programie OghmaNano istnieją dwa sposoby postępowania z ruchomymi jonami podczas symulacji EQE. Pierwszy polega na całkowitym wyłączeniu modułu obliczającego ruch jonów. Można to zrobić w głównym oknie, w sekcji „Electrical”, poprzez odznaczenie przycisku „Perovskite ion solver”, który znajduje się tuż pod menu wyświetlanym w ??. Wadą tego podejścia jest to, że całkowicie ignoruje ono ruch jonów.

Drugą, bardziej subtelną metodą, jest umożliwienie jonowi pozostawania w stanie mobilnym podczas powolnego narastania napięcia, dzięki czemu stabilizują się one, tworząc stan zbliżony do równowagi, a następnie „zamraża” się je dopiero w momencie rozpoczęcia pomiaru EQE. Jest to równoważne z eksperymentalnym zastosowaniem powolnego, ujemnego narastania napięcia, aby umożliwić jonowi osiągnięcie stabilnej pozycji, a następnie szybkiemu pomiarowi EQE, zanim jony zdążą się przemieścić. W dostarczonej symulacji jest to realizowane domyślnie za pomocą krótkiego skryptu Lua.

Aby wyświetlić lub edytować to ustawienie, przejdź do zakładki „Elektryka” na wstążce, otwórz menu znajdujące się po prawej stronie przycisku „Dyfuzja dryfu” i kliknij „Edytuj mikrokod” (patrz ??). Otworzy się okno edytora skryptów (??), w którym wyświetlany jest kod Lua kontrolujący solver. Kluczowe linie wyłączają solver jonów, gdy wykonywane jest obliczanie EQE, ale pozostawiają go włączonym podczas zmiany napięcia. Zapewnia to, że jony osiągną stan równowagi przed obliczeniem EQE, co daje spójne i realistyczne wyniki. Tę samą metodę można również zastosować do krzywych JV lub innych eksperymentów.