Оптичне моделювання органічних фотоелектричних перетворювачів: сонячне світло, поглинання та генерація.

У цьому розділі пояснюється, як оптичне моделювання використовується для моделювання поглинання сонячного світла та генерації заряду в органічних сонячних елементах. У OghmaNano оптичне моделювання органічних фотоелектричних перетворювачів (OPV) поєднує в собі сонячний спектр AM1.5G, залежність поглинання матеріалу від довжини хвилі та моделювання за допомогою матриці передачі, щоб розрахувати, де фотони поглинаються в структурі пристрою. Ці профілі поглинання визначають, де утворюються електронно-діркові пари, і, отже, забезпечують оптичні дані для електричного моделювання OPV.

1. Вивчення оптичної бази даних OghmaNano.

1. Перейдіть на вкладку «Бази даних», як показано на ??.
2. Натисніть на піктограму «Оптична база даних», щоб відкрити вікно, зображене на ??.
3. Двічі клацніть на AM1.5G, щоб переглянути стандартний сонячний спектр. Зверніть увагу на те, де інтенсивність випромінювання є найвищою, і зверніть увагу на невеликі провали, пов’язані з поглинанням в атмосфері. Ви повинні побачити графік, подібний до ??.

2. Дослідження сонячного спектра AM1.5G.

Інтенсивність сонячного випромінювання змінюється протягом дня і також залежить від вашого місцезнаходження на Землі. Щоб об’єктивно порівнювати сонячні батареї, ми використовуємо стандартний спектр, відомий як AM1.5G. Графіки цього спектра наведено в ?? і ?? (зображення у псевдокольорах). Спектр AM1.5G відображає сонячне світло після того, як воно пройшло через атмосферу, товщина якої приблизно в 1,5 раза більша, ніж у випадку, коли сонце знаходиться прямо над головою, що відповідає типовим умовам у середніх широтах у другій половині дня. Невеликі «зниження», видимі на спектрі, зумовлені поглинанням світла в атмосфері, наприклад, озоном в ультрафіолетовій частині спектра або водяною парою чи вуглекислим газом в інфрачервоній частині. Використання спектра AM1.5G у ваших моделюваннях дозволяє безпосередньо та послідовно порівнювати ваші результати зі значеннями, наведеними в науковій літературі.

3. Як матеріали для органічних фотоелектричних елементів поглинають світло.

Сонячні елементи складаються з кількох шарів. Деякі шари призначені для поглинання світла, інші – для проведення носіїв заряду. Щоб перевірити оптичне поглинання певного матеріалу, відкрийте базу даних матеріалів, до якої можна отримати доступ, натиснувши на значок «База даних матеріалів» у ??. Потім перейдіть до polymers і відкрийте P3HT, а потім виберіть вкладку «Поглинання» (??). Це показує, наскільки інтенсивно полімер поглинає світло в залежності від довжини хвилі. Важливо зазначити, що всі матеріали по-різному поглинають світло при різних довжинах хвиль.

Сонячний спектр являє собою неперервний спектр довжин хвиль; різні довжини хвиль світла по-різному взаємодіють із пристроєм, і ці взаємодії описано нижче:

• УФ-випромінювання (приблизно 200–400 нм): більшість УФ-С/УФ-В променів не досягає пристрою, оскільки поглинається в атмосфері або склі.
• Видиме світло (приблизно 400–700 нм): основний спектральний діапазон, у якому працюють органічні фотоелектричні перетворювачі. Після незначних втрат на склі/ITO це світло поглинається в активному шарі відповідно до його спектру поглинання.
• Ближня інфрачервона область (≈700–2500 нм): містить значну частину енергії Сонця, але тонкі органічні шари поглинають її слабо, і значна частина відбивається.
• Середній/Далекий інфрачервоний діапазон (>≈2500 нм): це переважно теплове випромінювання, яке зазвичай не використовується в пристроях органічної фотоелектрики.

4. Моделювання поглинання світла та генерації заряду

Тепер, коли ми розглянули сонячний спектр AM1.5G і те, як різні матеріали поглинають світло залежно від довжини хвилі, ми можемо об’єднати ці ідеї та змоделювати поглинання фотонів усередині шаруватої структури пристрою.

Відкрийте вкладку «Оптика» (рис. ??) і виберіть «Моделювання за допомогою матриці передачі». У вікні, що відкриється, натисніть кнопку «Запустити оптичне моделювання» (кнопка відтворення). OghmaNano обчислить поглинання в залежності від довжини хвилі, використовуючи метод матриці передачі.

Результати відображаються на кількох вкладках. Відображення розподілу фотонів показує оптичне поле по всій структурі, а візуалізація розподілу фотонів (поглинутих) показує, де фотони поглинаються, залежно від їхнього положення в пристрої та довжини хвилі (рисунок ??).

Аналіз карти: у лівій частині пристрою практично відсутнє поглинання у прозорому шарі ITO, після чого відбувається поглинання в активному шарі та прилеглих шарах. Будь-яке світло, яке поширюється, не поглинаючись, зрештою відбивається або втрачається на задньому металевому контакті. Кольорову шкалу можна переглядати в логарифмічному масштабі, щоб підкреслити області зі слабким поглинанням.

Насамкінець, щільність поглинених фотонів інтегрується за довжиною хвилі, щоб отримати одномірний профіль генерації в залежності від положення (рисунок ??). На цьому графіку показано, де саме пристрій генерує електронно-діркові пари, і це допомагає оцінити, наскільки ефективно оптична схема спрямовує сонячне світло в активний шар.