Tutorial de Simulação de Célula Solar Perovskita Bifacial: Iluminação em Ambos os Lados e Análise Ótica no OghmaNano.

🎯 Objetivos de aprendizagem

Compreenda o que são as células solares perovskitas bifaciais e por que são importantes.
Configure e execute uma simulação de perovskite bifacial no OghmaNano.
Analise a curva de corrente de curto-circuito e tensão em circuito aberto e compreenda por que razão a corrente de curto-circuito é aproximadamente o dobro.
Verifique a configuração do sistema de iluminação com duas fontes de luz (iluminação superior e inferior).
Analise a distribuição dos fotões, os mapas de absorção e os espectros de refletância e transmitância.
Compare a emissão de luz de painéis bifaciais com a de painéis de face única.

📦 Requisitos prévios

O OghmaNano foi instalado e está a funcionar.
Conclusão do Tutorial sobre Perovskitas, Parte A (recomendado).
Conhecimentos básicos sobre os princípios das células solares (JSC, VOC, PCE).

📺 Exemplos do YouTube

Simulação de Célula Solar Perovskita Bifacial | Tutorial TMM sobre Iluminação Frontal e Posterior

Conceptual illustration of a bifacial perovskite solar cell showing light entering from both the top and bottom surfaces of the device stack — Uma célula solar perovskita bifacial capta a luz de ambas as superfícies do dispositivo. A luz solar entra pela camada de contacto transparente superior, enquanto a luz refletida ou difusa proveniente do solo ou da parte traseira do módulo entra pela camada de contacto transparente inferior. O resultado é uma fotocorrente efetiva superior à de um design monofacial convencional.

1. O que é uma célula solar perovskita bifacial?

Uma célula solar bifacial é um dispositivo fotovoltaico concebido para absorver a luz que incide simultaneamente nas suas superfícies frontal e traseira (??). Numa célula solar convencional (monofacial), apenas a superfície superior é iluminada; o contacto traseiro é normalmente opaco, pelo que qualquer luz que atinja a parte de trás do dispositivo é perdida. Numa arquitetura bifacial, ambos os contactos são tornados transparentes ou semitransparentes – por exemplo, utilizando ITO (óxido de estanho e índio) ou FTO (óxido de estanho dopado com flúor) –, permitindo que a superfície traseira capte a irradiação refletida, dispersa ou difusa do ambiente circundante.

No caso das células solares de perovskite (CSP), o funcionamento bifacial é particularmente vantajoso, pois:

A camada absorvente de perovskite (por exemplo, MAPbI₃) tem um coeficiente de absorção muito elevado, o que significa que consegue captar os fotões de forma eficiente, mesmo quando estes chegam por baixo.
Ambas as camadas de transporte de carga (TiO₂ como camada de transporte de eletrões e Spiro-OMeTAD como camada de transporte de lacunas) podem ser fabricadas de forma a serem suficientemente finas e transparentes, de modo a não obstruírem significativamente a iluminação proveniente da parte traseira.
Em condições reais de utilização, especialmente em instalações de módulos bifaciais com uma superfície branca ou com alto índice de refletividade, a irradiação na face posterior pode aumentar a produção de energia em 5 a 30%, em comparação com o funcionamento de módulos monofaciais.

O fator de bifacialidade, ηbif, é definido como a razão entre a eficiência da face posterior e a eficiência da face frontal:

\[ \eta_{\text{bif}} = \frac{\eta_{\text{rear}}}{\eta_{\text{front}}} \]

Um dispositivo bifacial ideal teria um ηbif = 1, o que significaria que teria o mesmo desempenho quando iluminado por qualquer um dos lados. Na prática, os valores entre 0,7 e 0,95 são comuns para células bifaciais de perovskite, dependendo da assimetria das camadas de transporte de carga e da transparência de cada contato.

Na OghmaNano, o funcionamento bifacial é modelado adicionando dois objetos de fonte de luz independentes – um que ilumina de cima (y0) e outro de baixo (y1) – e combinando ambos no solucionador da matriz de transferência ótica. Este tutorial apresenta o fluxo de trabalho completo, desde o carregamento da simulação modelo até à análise dos campos óticos e das características de corrente-tensão resultantes.

2. Crie uma nova simulação de perovskite bifacial.

Inicie o OghmaNano no Windows e selecione «Nova simulação». Isso abrirá a biblioteca de dispositivos mostrada em ??. Clique duas vezes em «Células de perovskita» para abrir a pasta com os exemplos de perovskita. Em seguida, você verá a lista de modelos de perovskita disponíveis, mostrada em ??. Clique duas vezes em «Célula solar bifacial de perovskita (MAPI)» para carregar o exemplo bifacial. Quando solicitado, escolha uma pasta de destino em uma unidade local e clique em «Guardar».

💡 Dica: Guarde os ficheiros num disco local, como C:\. As simulações armazenadas em partilhas de rede, unidades USB ou pastas sincronizadas na nuvem (por exemplo, OneDrive, Dropbox) podem ser executadas de forma lenta devido às frequentes operações de leitura/escrita.

OghmaNano new simulation window showing device type categories including Perovskite cells, OFETs, GaAs demos, FDTD examples, and tandem solar cells — A nova janela de simulação apresenta uma lista de todas as categorias de dispositivos disponíveis. Clique duas vezes em «Células de perovskite» (destacado) para abrir a pasta com os exemplos de perovskite.

OghmaNano perovskite cell template list showing Perovskite Bifacial Solar Cell (MAPI), Perovskite solar cell (MAPI), CELIV example, frozen ions, and tandem Si-perovskite options — Dentro da pasta «perovskite», selecione «Célula solar bifacial de perovskite (MAPI)» e guarde-a numa pasta local de sua preferência.

OghmaNano main simulation window showing the 3D device structure of a bifacial perovskite solar cell with green arrows indicating light entering from both the top and bottom surfaces. Layer labels show TiO2, MAPI, Spiro, ITO, and Glass. — A interface principal do OghmaNano, que mostra a célula solar perovskita bifacial. As setas verdes acima e abaixo do dispositivo indicam que a iluminação é aplicada simultaneamente nas superfícies superior (y0) e inferior (y1). A pilha completa de camadas — ar / FTO / TiO₂ / MAPI / Spiro / ITO / Vidro / ar — está identificada no lado direito. Clique no botão «Editor de camadas» na barra de ferramentas à esquerda para inspecionar ou modificar camadas individuais.

OghmaNano Layer editor showing the bifacial perovskite stack: air (50 nm), FTO (50 nm), TiO2 (200 nm), MAPI (400 nm), Spiro (200 nm), ITO (100 nm), Glass (200 nm), air (50 nm) with optical material assignments and layer types — O editor de camadas para a célula perovskita bifacial. Note que o ITO é usado como contato traseiro (substituindo o Au opaco de um dispositivo monofacial) e uma camada de vidro transparente está posicionada abaixo dele — ambos são transparentes para permitir que a iluminação traseira atinja o absorvedor de MAPI.

Após o carregamento da simulação, a janela principal do OghmaNano exibe o dispositivo bifacial no painel de visualização 3D, conforme mostrado em ??. Observe as setas verdes que indicam a luz que entra no dispositivo tanto pela superfície superior quanto pela inferior – esta é a característica definidora do funcionamento bifacial. A pilha de camadas visível na visualização 3D é ar / FTO / TiO₂ / MAPI / Spiro / ITO / Vidro / ar, onde tanto os contactos FTO quanto os ITO são transparentes, permitindo a iluminação em ambos os lados.

Pode analisar detalhadamente a pilha de camadas clicando em «Editor de camadas» na barra de ferramentas à esquerda. A janela do editor de camadas, mostrada em ??, lista cada camada com a sua espessura, o material ótico atribuído, o tipo de camada (contacto, ativa ou outro) e se o problema ótico foi resolvido para essa camada. A pilha bifacial inclui ITO como contacto transparente traseiro e um substrato de vidro abaixo, ambos permitindo que a luz incida na face traseira do absorvedor MAPI.

3. Execute a simulação e visualize a curva de corrente-tensão (JV).

Clique no botão azul. Executar simulação botão na barra de ferramentas (ou pressione) F9) para iniciar o cálculo do regime permanente da corrente de curto-circuito. Assim que a simulação estiver concluída, altere para o Resultado / Saída / Produção guia. A guia de saída, mostrada em ??, lista todos os ficheiros de resultados que foram gravados no diretório da simulação. Clique duas vezes. jv.csv para abrir a janela de visualização da curva de corrente-tensão (JV), conforme mostrado em ??.

OghmaNano Output tab showing simulation result files including jv.csv, charge.csv, optical_output, optical_snapshots, sim_info.dat, and snapshots for the bifacial perovskite solar cell — O separador «Resultados» apresenta uma lista de todos os ficheiros gerados pela simulação. Clique duas vezes em `jv.csv` para gerar o gráfico da curva de corrente-tensão.

JV curve of a bifacial perovskite solar cell plotted in OghmaNano. The current density axis shows values approaching -500 A/m² at short circuit, approximately double the value expected for a monofacial device, due to dual-sided illumination. — A curva de corrente de curto-circuito (JSC) para o dispositivo perovskítico bifacial. Note que o valor de JSC se aproxima de −500 A m⁻², o que representa aproximadamente o dobro do valor esperado para uma célula perovskítica monofacial, devido à captação simultânea de fotões tanto na fonte de luz superior quanto na inferior.

A característica mais notável da curva de corrente-tensão bifacial é a densidade de corrente de curto-circuito, JSC. Para um dispositivo típico de perovskite MAPbI₃ monofacial, sob uma iluminação de 1 Sol, o valor de JSC é de aproximadamente 200–250 A m⁻². Neste caso, com duas fontes de luz de 1 Sol aplicadas (uma em cada lado), o valor de JSC é aproximadamente duplicado, atingindo valores próximos de 500 A m⁻². Isso reflete diretamente o ganho bifacial: ambas as superfícies captam fotões e geram portadores de carga livres no absorvedor de MAPI. A tensão de circuito aberto, VOC, apresenta um aumento mais modesto, pois o valor de VOC depende logaritmicamente da fotocorrente.

4. Verifique a configuração da fonte de luz.

Para compreender como a iluminação dupla está configurada, aceda à barra de ferramentas «Ótico» na parte superior da janela principal (veja ??) e clique em «Fontes de luz». Isto abre o editor de fontes de luz, que apresenta uma lista de todos os objetos de fonte de luz associados à simulação atual.

OghmaNano Optical ribbon showing buttons for Light Sources, Lasers, Transfer Matrix, Optical Outcoupling, Ray tracing editor, Optical Detectors, FDTD Simulation, Mode Calculator, Optical thickness, Optical mesh, and Boundary Conditions — A faixa óptica. Clique em «Fontes de luz» (no extremo esquerdo, ícone de farol) para abrir o editor de fontes de luz e verificar a configuração de iluminação dupla.

No editor de fontes de luz, verá duas opções no painel esquerdo: Superior e Inferior. As fontes de luz são objetos como qualquer outro objeto no OghmaNano — têm uma posição e tamanho físicos nas coordenadas x, y e z, visíveis na guia Objeto (??). Para a iluminação padrão das faces (superior, inferior, esquerda, direita, frontal, traseira), estas propriedades espaciais são irrelevantes — presume-se que a luz provém do exterior da janela de simulação. Só se tornam importantes se colocar uma fonte de luz numa posição específica dentro do dispositivo.

Clique na guia «Configurar» para definir a direção da iluminação. Neste exemplo de painel bifacial, a opção «Superior» está definida como «Superior» (y0) (??) e a opção «Inferior» está definida como «Inferior» (y1) (??).

OghmaNano light source editor Object tab showing the general object properties of the Top light source, including object type, offset, xyz size, steps, rotate, and colour fields — O separador «Objeto» apresenta as propriedades gerais do objeto fonte de luz selecionado, como o seu tipo, deslocamento de posição, tamanho e cor de visualização. O ícone do farol identifica-o como uma fonte de luz dentro do modelo do dispositivo.

OghmaNano light source editor Configure tab for the Top light source, showing Illuminate from set to Top (y0), with beam shape Square and 10×10 beams — O separador «Configurar» para a fonte de luz superior. O campo «Iluminar a partir de» está definido como «Superior (y0)», direcionando a luz para baixo, para o interior do dispositivo, através do contacto FTO – simulando a incidência de luz solar direta na superfície frontal.

OghmaNano light source editor Configure tab for the Btm (bottom) light source, showing Illuminate from set to Bottom (y1), with beam shape Square and 10×10 beams — O separador «Configurar» para a fonte de luz inferior (Btm). A opção «Iluminar a partir de» está definida como «Inferior (y1)», direcionando a luz para cima através do vidro e do contato traseiro de ITO, simulando o albedo ou a irradiação refletida que atinge a superfície traseira numa instalação bifacial.

Em conjunto, estes dois dispositivos que simulam fontes de luz reproduzem as condições de funcionamento bifacial do mundo real: a irradiação solar direta entra pela parte superior (y0) através do contacto FTO, enquanto a irradiação difusa ou refletida entra pela parte inferior (y1) através do substrato de vidro e do contacto ITO. Ambas as fontes utilizam o mesmo espectro AM1.5G por padrão, o que corresponde ao caso em que a irradiação na face posterior é igual à irradiação na face frontal – um limite superior útil para a análise do ganho bifacial. Na prática, a irradiação na face posterior é normalmente 10–30% da irradiação na face frontal, o que pode ser ajustado modificando a intensidade da luz na guia «Fonte de luz» de cada dispositivo.

5. Análise ótica – distribuição de fotões e densidade de fotões absorvidos.

Após executar a simulação, volte à faixa de opções «Ótica» e clique em «Matriz de Transferência». Isso abrirá o editor de simulação ótica, que fornece visualizações detalhadas do campo ótico dentro do dispositivo. As três principais saídas são mostradas nas figuras abaixo: a distribuição total de fotões (??), a densidade de fotões absorvidos (??) e o perfil da taxa de geração 1D resultante (??).

OghmaNano optical simulation editor Photon distribution tab showing a 2D colour map of photon density as a function of wavelength (300–900 nm) and device y-position (0–1.2 µm). Bright regions are concentrated at the left edge of the device, consistent with illumination entering from the top FTO contact. — Distribuição de fotões: a densidade de fotões (m⁻³) em função do comprimento de onda e da posição dentro da estrutura do dispositivo. A região mais clara, na posição mais baixa no eixo y (lado esquerdo), corresponde à fonte de luz superior que entra através do FTO; uma distribuição complementar proveniente da fonte inferior é visível nas posições mais altas no eixo y.

OghmaNano optical simulation editor Photon distribution absorbed tab showing a 2D colour map of absorbed photon density as a function of wavelength and y-position. The absorption is strongly concentrated in the MAPI layer (between approximately 0.3 and 0.7 µm) across wavelengths up to 800 nm. — Densidade de fotões absorvidos: a densidade de fotões absorvidos por unidade de volume (m⁻³ s⁻¹) em todo o dispositivo. A absorção é fortemente localizada na camada de perovskite MAPI (y ≈ 0,3–0,7 µm), com contribuições tanto da fonte de luz superior quanto da inferior, visíveis como características de absorção distintas em cada extremidade do absorvedor.

Taxa de geração (perfil 1D): a taxa de geração integrada espectralmente, representada graficamente em função da posição do dispositivo. Observam-se dois picos distintos — um próximo à interface TiO₂/MAPI (iluminação superior) e outro próximo à interface MAPI/Spiro (iluminação inferior) —, confirmando que ambas as fontes de luz contribuem para a geração de fotocorrente. As energias das bandas de condução e de valência são definidas como −3,8 eV e −5,4 eV, respetivamente, de forma uniforme em todo o dispositivo, para simplificar. Note que os níveis de energia apresentados para as camadas de FTO, ITO, vidro e ar são apenas para fins de visualização — estas camadas não fazem parte da simulação elétrica.

O perfil da taxa de geração em ?? mostra um pico em cada extremidade do absorvedor de MAPI — um na interface TiO₂/MAPI (y ≈ 0,3 µm), onde a luz entra pela parte superior, e outro na interface MAPI/Spiro (y ≈ 0,7 µm), onde a luz entra pela parte inferior. Num dispositivo monofacial, apenas o primeiro pico estaria presente, com a taxa de geração a diminuir exponencialmente através do absorvedor, seguindo a lei de absorção de Beer-Lambert. A adição de iluminação pela face traseira produz o segundo pico e aumenta a taxa de geração total integrada — e, portanto, o JSC — em aproximadamente um fator de dois.

6. Espectros de refletância e transmitância

Ainda no editor de simulação ótica, clique no separador «Luz refletida» (??) e, em seguida, no separador «Luz transmitida» (??). Os espectros de reflexão das superfícies superior (reflect0.csv) e inferior (reflect1.csv) são claramente diferentes — as franjas de interferência de película fina oscilatórias estão deslocadas em fase e amplitude porque a sequência de interfaces encontrada pela luz incidente é diferente em cada lado. Os espectros de transmissão, no entanto, são idênticos: transmit0.csv e transmit1.csv sobrepõem-se exatamente. Esta é uma consequência direta do teorema da reciprocidade ótica, que estabelece que a transmitância de uma pilha ótica linear passiva é a mesma, independentemente da direção em que a luz a atravessa. A refletância não tem essa restrição — depende da sequência de interfaces específica observada em cada superfície — e é por isso que os dois espectros de reflexão diferem, enquanto os dois espectros de transmissão não.

OghmaNano Reflected light tab showing two reflectance spectra (reflect0.csv in blue and reflect1.csv in red) plotted against wavelength from 300 to 900 nm. Both curves show oscillatory thin-film interference features. The spectra differ in magnitude and phase due to the asymmetric layer stacks seen from each surface. — Espectros da luz refletida da superfície superior (reflect0.csv, azul) e da superfície inferior (reflect1.csv, vermelho). Ambos mostram padrões de interferência de película fina oscilatórios, resultantes das múltiplas interfaces na estrutura. Os espectros diferem na forma porque a sequência de camadas que a luz incidente encontra é diferente em cada lado.

OghmaNano Transmitted light tab showing two transmittance spectra (transmit0.csv in blue and transmit1.csv in red) plotted against wavelength. The two curves are almost indistinguishable from each other above approximately 550 nm, consistent with the optical reciprocity theorem. — Espectros da luz transmitida através do dispositivo, medidos na parte superior (transmit0.csv, azul) e na parte inferior (transmit1.csv, vermelho). Note que as duas curvas são essencialmente idênticas acima do limite de absorção da perovskita (~550 nm), o que é uma consequência do teorema da reciprocidade óptica: a transmitância de uma pilha óptica linear passiva é a mesma, independentemente da direção em que a luz a atravessa.

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A transmitância é regida pelo teorema da reciprocidade óptica: para qualquer sistema ótico linear passivo (sem amplificação, sem efeitos não lineares), a transmitância da porta A para a porta B é igual à transmitância da porta B para a porta A. Portanto, a quantidade total de luz que passa completamente pela pilha é a mesma, independentemente da direção da iluminação. A refletância, por outro lado, depende da sequência específica de interfaces encontradas pelo feixe incidente – que difere entre as superfícies superior e inferior –, pelo que os ficheiros reflect0.csv e reflect1.csv podem, e geralmente, diferem.

7. Comparar a iluminação unilateral desativando a fonte de luz inferior.

Para verificar como a distribuição ótica se altera quando apenas uma fonte de luz está ativa, volte à faixa de opções «Ótica» e clique em «Fontes de luz» para reabrir o editor de fontes de luz. No painel esquerdo, selecione a fonte de luz «Inferior». Na barra de ferramentas, na parte superior do editor, o botão exibe atualmente a opção «Ativada» (ícone de marca de verificação verde). Clique nele para desativar a fonte de luz inferior. Em seguida, clique em «Executar simulação ótica» no editor de simulação ótica para atualizar a saída ótica, de modo que apenas a fonte de luz superior esteja ativa.

A distribuição atualizada dos fotões, a densidade de fotões absorvidos e o perfil da taxa de geração unidimensional sob iluminação unilateral (apenas na parte superior) são apresentados abaixo em ??, ?? e ??.

OghmaNano photon distribution 2D map under monofacial (top-only) illumination. The bright absorption region is now concentrated only at the left side of the device (low y-position), corresponding to light entering through the top FTO contact only. No absorption feature is visible at the right (high y-position) side. — Distribuição de fotões – apenas com iluminação superior. Com a fonte de luz inferior desativada, a densidade de fotões concentra-se na parte superior (posição y baixa) do dispositivo. Não há contribuição da superfície traseira.

OghmaNano absorbed photon density map under top-only illumination. Absorption is asymmetrically concentrated at the TiO2/MAPI interface (left side), with absorption decaying toward the MAPI/Spiro interface. The pattern is typical of a monofacial perovskite device. — Densidade de fotões absorvida – iluminação apenas na face superior. A absorção é agora assimétrica, atingindo o pico próximo à interface TiO₂/MAPI e diminuindo ao longo do absorvedor. Compare com o caso bifacial, em que a absorção em ambos os lados cria um perfil mais uniforme em toda a camada de MAPI.

Perfil da taxa de geração – apenas com iluminação superior. Apenas um único pico está presente, próximo à junção TiO₂/MAPI. O segundo pico, proveniente da fonte de luz inferior, desapareceu, confirmando que a característica bifacial (dois picos) se deveu inteiramente à configuração de iluminação dupla.

O contraste entre os resultados óticos bifaciais e monofaciais ilustra claramente a origem física do aumento da corrente em células bifaciais. Quando apenas a fonte de luz superior está ativa, a taxa de geração atinge um pico acentuado perto da interface iluminada e diminui exponencialmente através do absorvedor. Quando ambas as fontes estão ativas, surge um segundo pico simétrico na parte traseira, e a taxa de geração total integrada – e, portanto, a corrente de curto-circuito (JSC) – é aproximadamente duplicada.

Resumo e principais aprendizados.

Este tutorial apresentou a simulação de uma célula solar perovskita bifacial no OghmaNano, utilizando um dispositivo MAPbI₃ com uma estrutura composta por ar/FTO/TiO₂/MAPI/Spiro/ITO/Vidro/ar. Verificou-se que a substituição do contacto traseiro opaco por uma camada de ITO transparente permite que a luz incida simultaneamente em ambas as superfícies, duplicando aproximadamente a corrente de curto-circuito (JSC), enquanto a tensão de circuito aberto (VOC) aumenta apenas ligeiramente, devido à sua dependência logarítmica na fotocorrente. O perfil da taxa de geração — que atinge o pico em ambas as extremidades do absorvedor MAPI — é a assinatura ótica direta desta iluminação dupla. A análise dos espectros de refletância e transmitância confirmou que, embora os dois espectros de reflexão sejam diferentes (a sequência de interfaces observada a partir de cada superfície é diferente), os espectros de transmissão são idênticos em ambas as direções, conforme exigido pelo teorema da reciprocidade ótica. Por fim, a desativação da fonte de luz inferior demonstrou como o perfil de geração se reduz a um único pico e a absorção se torna assimétrica, recuperando o comportamento monofacial conhecido.

👉 Próximos passos:

Tente modificar a intensidade da fonte de luz inferior (na respetiva guia «Fonte de luz») para valores de 0,1 e 0,3 unidades solares, que correspondem a níveis de irradiação traseira mais realistas numa instalação de painéis bifaciais. Observe como os valores de JSC, VOC e PCE se alteram.
Volte para o Tutorial sobre Perovskitas, Parte B para descobrir como a estrutura óptica e a espessura da camada absorvente afetam o desempenho ótico de um dispositivo monofacial.
Consulte a visão geral da simulação de células solares de perovskite para obter uma introdução mais abrangente à física implementada no OghmaNano.