Tutorial de Célula Solar de Perovskita – Simulando EQE
1. Introdução
Eficiência Quântica Externa (EQE) descreve com que eficiência uma célula solar converte fótons incidentes em cada comprimento de onda em portadores de carga coletados. Em outras palavras, é a probabilidade de que um fóton de uma dada energia contribua para a fotocorrente. Experimentalmente, ela é uma das técnicas de caracterização mais amplamente usadas para células solares e fornece informações detalhadas sobre absorção, coleta de carga e perdas ao longo do espectro solar.
Para dispositivos de perovskita, a EQE é particularmente útil porque a borda de absorção acentuada — e qualquer perda óptica adicional — reflete diretamente a qualidade do material, se as camadas têm a espessura correta e como a luz interfere dentro da pilha. Neste tutorial, você irá simular EQE no OghmaNano, plotar o espectro, comparar pilhas de dispositivos e verificar seu modelo em relação à EQE medida.
2. Configurando uma simulação para EQE
Comece iniciando o OghmaNano. Na janela principal, clique em New simulation. A biblioteca de tipos de dispositivos disponíveis aparece como mostrado em ??. Dê um duplo clique na categoria Perovskite cells para acessar dispositivos de exemplo. Dentro da pasta de perovskitas você verá um conjunto de simulações de exemplo pré-construídas, como MAPbI₃ devices e variantes com efeitos iônicos (íons congelados, CELIV etc.). Selecione o exemplo Perovskite solar cell - frozen ions (MAPI), como mostrado em ??
💡 Dica: Certifique-se de selecionar Perovskite solar cell - frozen ions (MAPI) - A parte de íons congelados é importante e será explicada mais adiante.
Antes de executar a simulação, vá para a aba Simulation type e mude do modo padrão Perovskite hysteresis para o modo EQE. Isso deixará a simulação pronta para realizar cálculos de EQE.
3. Executando a simulação
Depois de mudar o modo de simulação para EQE, vá para a aba file. Pressione o botão Run simulation (ícone azul de play) ou pressione F9 para executar o cálculo. Quando a execução terminar, vá para a aba Output, onde você verá os arquivos gerados pela simulação de EQE.
E_eqe.csv e E_iqe.csv para análise espectral.
Depois que a simulação terminar, vá para a aba Output. Dê um duplo clique em eqe.csv
para plotar comprimento de onda versus EQE (veja
??).
Se você der um duplo clique em E_eqe.csv, verá um gráfico de energia do fóton versus EQE (veja
??).
eqe.csv — gráfico de comprimento de onda vs EQE.
Esta figura mostra o espectro de EQE em função do comprimento de onda, como produzido pela simulação.
e_eqe.csv — gráfico de energia do fóton vs EQE.
Este é o espectro de EQE expresso em função da energia (eV), também gerado a partir da mesma execução.
Em princípio, isso é tudo o que você precisa para executar simulações de EQE. A mesma técnica funciona para qualquer classe de dispositivo (por exemplo, células solares de silício ou orgânicas): basta clicar no botão EQE, executar a simulação e o espectro de EQE será produzido. Como este tutorial usa uma célula solar de perovskita com íons móveis, há alguns detalhes extras a considerar. Continue lendo se quiser entender os detalhes.
4. Mais alguns detalhes
Quando você pressiona o botão de play e executa o solver de EQE, ele prossegue em três etapas. Etapa 1: ele leva o dispositivo até a tensão de polarização reversa desejada na qual a EQE será medida; (Você pode definir essa tensão por meio do editor de EQE: Main window → Editors → EQE → EQE Voltage); Etapa 2: ele executa o solver óptico ao longo da faixa de comprimentos de onda de interesse para calcular a distribuição de fótons dentro do dispositivo (veja ??). Etapa 3: ele realiza o próprio cálculo de EQE usando esses resultados ópticos na polarização alvo (veja ??). Você pode ver essas diferentes fases do cálculo quando executa o solver.
A tensão na qual a simulação de EQE é executada pode ser definida no EQE Editor (veja ??). Aqui o parâmetro EQE Voltage define a polarização usada para o cálculo, e o editor é acessado a partir da faixa Editors na janela principal. A vantagem de executar a EQE em uma tensão mais negativa é que você minimiza o efeito da recombinação de portadores. Quanto mais perto você chegar de zero volts e, especialmente, se entrar em polarização direta, a simulação incluirá quantidades crescentes de recombinação. Nesse regime, o resultado não é mais uma medida limpa da EQE intrínseca.
5. EQE em perovskitas
🔧 Detalhe avançado: A seção abaixo explica como o OghmaNano usa microcódigo Lua para controlar o solver de íons móveis durante os cálculos de EQE. Você não precisa entender isso para executar simulações de EQE, mas se quiser saber o que acontece “por baixo do capô” ou personalizar o comportamento do solver, continue lendo.
Células solares de perovskita contêm íons móveis, portanto qualquer medição altera a distribuição iônica e torna parâmetros como EQE, JSC ou VOC dependentes do histórico. Experimentalmente, a abordagem comum é levar o dispositivo até uma tensão definida, permitir que os íons se estabilizem e então realizar a medição. Nesta simulação reproduzimos esse procedimento: os íons podem se mover livremente durante a rampa, depois são congelados assim que a polarização alvo é atingida, e a EQE é calculada rapidamente para que a distribuição iônica não seja mais perturbada. Isso reflete boas práticas na área, onde a EQE é medida após estabilização e sob um histórico de tensão definido, como recomendado em diretrizes da comunidade (Khenkin et al., Nat. Energy 2020) e em normas internacionais de PV como a IEC 60904.
Em perovskitas com íons móveis, parâmetros como EQE e eficiência podem depender do histórico de tensão do dispositivo. Há duas maneiras práticas de obter uma EQE consistente: (i) desativar temporariamente o solver de íons móveis completamente (veja a aba Electrical), ou (ii) manter os íons móveis durante a rampa de polarização para que eles relaxem e então congelá-los apenas enquanto a EQE é calculada. Isso é controlado por meio do editor de microcode de drift-diffusion (veja ??).
Na prática, no OghmaNano há duas maneiras de lidar com íons móveis ao executar EQE. A primeira é desativar completamente o solver de íons móveis. Isso pode ser feito na faixa Electrical na janela principal, soltando o botão Perovskite ion solver, que fica logo abaixo do menu mostrado em ??. A desvantagem dessa abordagem é que ela ignora completamente o movimento iônico.
O segundo método, e mais sutil, é deixar os íons permanecerem móveis durante a rampa lenta de tensão, para que se estabilizem em uma distribuição de quase-equilíbrio, e então “congelá-los” somente quando a medição de EQE em si começar. Isso é equivalente a aplicar experimentalmente uma rampa lenta de tensão negativa para deixar os íons se acomodarem, e então medir a EQE muito rapidamente antes que os íons tenham tempo de se mover. Na simulação fornecida, isso é feito por padrão por meio de um pequeno script Lua.
Para visualizar ou editar esse comportamento, vá para a faixa Electrical, abra o menu à direita do botão Drift diffusion e clique em Edit microcode (veja ??). Isso abre a janela do editor de script (??), que mostra o código Lua que controla o solver. As linhas principais desligam o solver de íons sempre que o cálculo de EQE está sendo executado, mas o mantêm ligado durante a rampa de tensão. Isso garante que os íons atinjam o equilíbrio antes de a EQE ser calculada, fornecendo resultados consistentes e fisicamente realistas. O mesmo truque também pode ser aplicado a curvas JV ou outros experimentos.
📝 Tarefa 1 — EQE em função da polarização
Objetivo: Ver como a polarização afeta a EQE e por que tensões mais negativas suprimem artefatos de recombinação.
- Abra o editor de EQE: Main window → Editors → EQE.
- Defina EQE Voltage como
-1V e execute a simulação de EQE. - Varra as seguintes tensões, executando novamente a EQE a cada vez e salvando os espectros:
+1 V → +0.5 V → 0 V → −1 V → +3 V → +5 V. (Polarização direta, por exemplo +3 V e +5 V, aumentará intencionalmente a recombinação e deprimirá a EQE.) - Sobreponha os espectros e observe onde as curvas divergem mais (próximo da borda de absorção, roll-off em longos comprimentos de onda etc.).
Observações / resultados esperados
- Em −1 V, a EQE é tipicamente mais alta e mais suave (coleta favorecida; recombinação mínima).
- Em 0 V (JSC), a EQE geralmente cai levemente em relação a −1 V, particularmente perto da borda de banda.
- Em +0.5 V e +1 V, a recombinação aumentada reduz ainda mais a EQE.
- Em polarização direta mais forte (+3 V, +5 V), a EQE pode cair acentuadamente e talvez não represente mais a EQE intrínseca (ela se torna limitada por recombinação).
- A região de comprimento de onda mais sensível à polarização costuma ser a cauda de longos comprimentos de onda (onde a absorção é mais fraca e a coleta de portadores importa mais).
🧪 Tarefa 2 — EQE em JSC com recombinação variável
Objetivo: Quantificar como a recombinação impacta o espectro de EQE sob condições de curto-circuito.
- Defina EQE Voltage como
0V (isto é, JSC) no editor de EQE. - Nos Electrical parameters do dispositivo, localize as configurações de recombinação assistida por armadilhas (SRH) (por exemplo, tempos de vida dos portadores, seções de choque de captura ou densidade de defeitos).
- Execute três simulações:
- Linha de base: valores de recombinação atuais/padrão.
- Maior recombinação: aumente a taxa de SRH em ~×10 (tempos de vida mais curtos ou seções de choque maiores).
- Menor recombinação: diminua a taxa de SRH em ~÷10 (tempos de vida mais longos ou seções de choque menores).
- Compare os três espectros de EQE (foque no início de longos comprimentos de onda e em quaisquer características próximas aos picos de interferência óptica).
Observações / resultados esperados
- Maior recombinação SRH → EQE reduzida, mais evidente perto da borda de absorção e em regiões com geração fraca.
- Menor recombinação SRH → a EQE se aproxima do “teto” óptico definido pela absorção/óptica.
- As mudanças podem imitar efeitos de espessura/ópticos; use tanto
eqe.csv(domínio λ) quantoe_eqe.csv(domínio E) para diagnosticar.
ℹ️ Nota: Para extração limpa de EQE, prefira polarização reversa moderada (por exemplo, −1 V) para minimizar a recombinação. Condições de polarização direta (+3 a +5 V) são ilustrativas, mas tipicamente não representativas da EQE intrínseca.
✅ O que você aprendeu
- Como configurar e executar uma simulação de EQE no OghmaNano.
- Onde encontrar e plotar os resultados (
eqe.csvee_eqe.csv). - Por que perovskitas precisam de tratamento especial por causa dos íons móveis.
- Como escolher a tensão de EQE e por que tensões mais negativas minimizam a recombinação.
- Duas abordagens para lidar com íons móveis: desativá-los completamente ou congelá-los apenas durante a etapa de EQE.