Tutorial de Célula Solar Orgânica (OPV) Parte B: dispositivos OPV e luz

Nesta seção, analisamos como dispositivos OPV interagem com a luz solar. Comece inspecionando você mesmo os espectros solares no OghmaNano:

1. Explorando os bancos de dados ópticos do OghmaNano

1. Navegue até a faixa Databases, como mostrado em ??
2. Em seguida, clique no ícone "Optical database"; isso abrirá a janela mostrada em ??.
3. Clique duas vezes em AM1.5G para visualizar o espectro solar padrão. Observe aproximadamente onde a irradiância é maior e procure os pequenos “mergulhos”. Você deverá ver algo parecido com ??

2. Explorando o espectro do Sol

A intensidade do Sol varia ao longo do dia e também depende da sua localização no mundo. Para comparar células solares de forma justa, usamos um espectro padrão conhecido como AM1.5G. Gráficos desse espectro são mostrados em ?? e ?? (em falsas cores). O espectro AM1.5G representa a luz solar após ter atravessado cerca de 1,5 vezes a espessura da atmosfera em comparação com o Sol diretamente acima, correspondendo a condições típicas de latitudes médias à tarde. Os pequenos “mergulhos” visíveis no espectro são devidos à absorção atmosférica — por exemplo, ozônio no UV e vapor d’água ou CO₂ no infravermelho. Usar o espectro AM1.5G em suas simulações permite que seus resultados sejam comparados de forma direta e consistente com valores relatados na literatura.

3. Como os materiais absorvem luz

Células solares são construídas a partir de múltiplas camadas. Algumas camadas são projetadas para absorver luz, outras para conduzir portadores de carga. Para inspecionar a absorção óptica de um determinado material, abra o Materials database, que pode ser acessado clicando no ícone "Materials Database" em ??. Em seguida, navegue até polymers e abra P3HT, depois selecione a aba Absorption (??). Isso mostra quão fortemente o polímero absorve em função do comprimento de onda; é importante observar que todos os materiais absorvem luz de forma diferente em diferentes comprimentos de onda.

O espectro solar é um espectro contínuo de comprimentos de onda; diferentes comprimentos de onda da luz interagem com o dispositivo de diferentes maneiras, descritas abaixo:

• UV (≈200–400 nm): A maior parte do UV-C/UV-B nunca chega ao dispositivo, pois é absorvida na atmosfera/vidro.
• Visível (≈400–700 nm): A principal banda de operação para OPVs. Após perdas modestas em vidro/ITO, essa luz é absorvida na camada ativa de acordo com seu espectro de absorção.
• Infravermelho próximo (≈700–2500 nm): Contém grande parte da potência do Sol, mas camadas orgânicas finas o absorvem fracamente; grande parte é refletida
• Infravermelho médio/distante (>≈2500 nm):Isso é energia térmica; em geral não é útil para dispositivos OPV.

3. Simulando a absorção de luz

Agora que analisamos o espectro solar AM1.5G e como os materiais absorvem luz em função do comprimento de onda, podemos combinar essas ideias e simular a absorção de fótons dentro da pilha do dispositivo.

Abra a faixa Optical (Figura ??) e escolha Transfer Matrix Simulation. Na janela que se abre, clique em Run optical simulation (o botão play). OghmaNano calculará a absorção resolvida em comprimento de onda usando o método de transfer-matrix.

Os resultados são mostrados em várias abas. A visualização Photon distribution mostra o campo óptico ao longo da pilha, enquanto Photon distribution (absorbed) visualiza onde fótons são absorvidos em função tanto da posição no dispositivo quanto do comprimento de onda (Figura ??).

Interpretando o mapa: no lado esquerdo do dispositivo praticamente não há absorção no ITO transparente, seguida por absorção dentro da camada ativa e das camadas adjacentes. Qualquer luz que atravesse sem ser absorvida é, em última instância, refletida ou perdida no contato metálico traseiro. A escala de cores pode ser visualizada em escala logarítmica para destacar características de absorção fraca.

Por fim, a densidade de fótons absorvidos é integrada ao longo do comprimento de onda para produzir um perfil unidimensional de geração em função da posição (Figura ??). Esse gráfico mostra onde o dispositivo realmente gera pares elétron–lacuna e ajuda você a avaliar quão efetivamente o projeto óptico direciona a luz solar para a camada ativa.