Samouczek dotyczący ogniw słonecznych z perowskitu (PSC), część B: urządzenia z perowskitem i światło.

Aby zrozumieć, w jaki sposób urządzenia perowskitowe absorbują światło, najpierw musimy przeanalizować dostępne w OghmaNano dane optyczne. Oprogramowanie zawiera wbudowaną bibliotekę zmierzonych i standardowych widm, które można wykorzystać jako źródła oświetlenia w symulacjach.

1. Przeglądanie baz danych optycznych OghmaNano.

1. Przejdź do zakładki „Bazy danych”, jak pokazano na ilustracji ??.
2. Kliknij ikonę bazy danych optycznych (tęcza). Spowoduje to otwarcie okna, które przedstawiono na ilustracji ??.
3. Kliknij dwukrotnie AM1.5G, aby załadować standardowe spektrum promieniowania słonecznego dla warunków naziemnych. Zwróć uwagę na obszar o największej intensywności promieniowania oraz na „spadki” w spektrum spowodowane absorpcją przez cząsteczki w atmosferze Ziemi. Wykres powinien wyglądać podobnie do ??.

2. Poznawanie spektrum promieniowania słonecznego.

Wydajność ogniwa słonecznego w dużym stopniu zależy od rozkładu padającego na nie światła słonecznego. Ponieważ intensywność promieniowania słonecznego zmienia się w zależności od pory dnia i położenia geograficznego, badacze stosują wzorcowe spektrum o nazwie AM1.5G, aby wyniki były porównywalne. Na rysunkach ?? i ?? przedstawiono to spektrum: wykres przedstawiający promieniowanie spektralne w funkcji długości fali oraz graficzne przedstawienie w zakresie widzialnego spektrum. AM1.5G odpowiada promieniowaniu słonecznemu, które przeszło przez atmosferę Ziemi 1,5 razy więcej niż w przypadku bezpośredniego promieniowania słonecznego padającego z góry, co przybliża warunki panujące w środkowych szerokościach geograficznych w godzinach popołudniowych. Spadki intensywności wskazują na absorpcję w atmosferze – ozon pochłania część promieniowania UV, natomiast para wodna i dwutlenek węgla pochłaniają promieniowanie w zakresie podczerwieni. Dzięki wykorzystaniu AM1.5G w symulacjach można porównać obliczone wartości wydajności urządzeń z opublikowanymi danymi, w tym z rekordowymi wartościami często podawanymi dla ogniw słonecznych z perowskitu.

3. W jaki sposób materiały perowskitowe absorbują światło.

Ogniwo słoneczne składa się z kilku warstw, z których każda pełni określoną funkcję. Niektóre warstwy przewodzą ładunki, podczas gdy inne odpowiadają za absorpcję padających fotonów. Aby zbadać widmo absorpcji materiału perowskitowego w OghmaNano, otwórz bazę danych materiałów w pasku narzędzi ??. Przejdź do katalogu perovskite i wybierz plik std_perovskite. W zakładce „Absorpcja” (??) zobaczysz, jak silnie dany materiał absorbuje światło w całym spektrum. Ta zależność absorpcji od długości fali decyduje o tym, jak efektywnie aktywna warstwa perowskitu może wykorzystywać energię słoneczną.

Słońce emituje ciągły zakres długości fal, ale każda z tych długości fal oddziałuje w inny sposób z ogniwem słonecznym wykonanym z perowskitu:

• Promieniowanie UV (około 200–400 nm): Większość tego promieniowania jest zatrzymywana przez atmosferę i warstwy szkła, zanim dotrze do urządzenia.
• Widzialne (około 400–700 nm): Główny zakres długości fal, w którym perowskity absorbują światło, co pozwala na efektywne pozyskiwanie energii.
• Bliska podczerwień (≈700–2500 nm): Chociaż w tym zakresie występuje znaczna ilość energii słonecznej, cienkie warstwy perowskitu słabo ją absorbują, dlatego większość energii przechodzi przez nie lub jest odbijana.
• Średnia/długa część zakresu podczerwieni (>≈2500 nm): zasadniczo jest to promieniowanie cieplne, które nie nadaje się do wykorzystania w procesie konwersji fotowoltaicznej.

3. Symulacja absorpcji światła

Po omówieniu spektrum AM1.5G oraz właściwości absorpcyjnych materiałów perowskitowych, możemy teraz połączyć te koncepcje, aby zasymulować sposób, w jaki fotony są rozpraszane i absorbowane w całej strukturze urządzenia. Ten etap łączy sygnał optyczny pochodzący od Słońca z przestrzennym profilem generowania ładunków wewnątrz ogniwa.

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

Symulacja generuje kilka wizualizacji. Pierwszą z nich jest mapa gęstości fotonów, która pokazuje, jak pole optyczne rozkłada się w całym urządzeniu w zależności od długości fali i położenia (rycina ??). Jasne obszary odpowiadają wzorcom fal stojących i wysokiej gęstości fotonów wewnątrz warstwy perowskitu i na sąsiadujących powierzchniach.

Drugą mapą jest mapa absorpcji fotonów, która bezpośrednio wskazuje, w których miejscach fotony są absorbowane, co prowadzi do powstania par elektron-dziura (rycina ??). Na tej mapie zaznaczono, które warstwy odpowiadają za pochłanianie światła słonecznego, oraz przedstawiono, jak efektywnie warstwa perowskitu absorbuje promieniowanie w całym spektrum słonecznym.