Головна Приклади Знімки екрана Інструкція користувача Логотип Bluesky. YouTube ☰
OghmaNano Мультифізична платформа для моделювання оптоелектронних пристроїв і фотонних систем. ЗАВАНТАЖИТИ Короткий посібник зі швидкого старту

Навчальний посібник зі створення моделі двосторонньої перовскітної сонячної батареї: двостороннє освітлення та оптичний аналіз у OghmaNano.

Conceptual illustration of a bifacial perovskite solar cell showing light entering from both the top and bottom surfaces of the device stack
Двостороння перовскітна сонячна батарея поглинає світло з обох поверхонь пристрою. Сонячне світло потрапляє через верхній прозорий контакт, а відбите або розсіяне світло від землі чи задньої частини модуля – через нижній прозорий контакт. У результаті досягається вищий ефективний фотострум, ніж у звичайній односторонній конструкції.

1. Що таке двостороння перовськітна сонячна батарея?

Двостороння сонячна батарея — це фотоелектричний пристрій, призначений для поглинання світла, яке одночасно потрапляє на обидві його поверхні: передню та задню (??). У звичайній (односторонній) сонячній батареї освітлюється лише верхня поверхня; задня контактна поверхня зазвичай непрозора, тому будь-яке світло, що досягає задньої частини пристрою, втрачається. У двосторонній конструкції обидві контактні поверхні роблять прозорими або напівпрозорими — наприклад, за допомогою ITO (оксиду індію та олова) або FTO (фтор-легованого оксиду олова) — що дозволяє задній поверхні поглинати відбите, розсіяне або дифузне випромінювання з навколишнього середовища.

Для перовськитних сонячних елементів (ПСЕ) двостороння робота є особливо привабливою з наступних причин:

Коефіцієнт двосторонності ηbif визначається як відношення ефективності задньої сторони до ефективності передньої сторони:

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

Ідеальний двосторонній пристрій матиме показник ηbif = 1, що означає, що він однаково ефективно працює при освітленні з обох боків. На практиці для перовськитних двосторонніх елементів зазвичай використовуються значення в діапазоні від 0,7 до 0,95, залежно від асиметрії шарів, що забезпечують транспорт заряду, та прозорості кожного контакту.

У OghmaNano двостороння робота модулюється шляхом додавання двох незалежних об’єктів джерела світла – один, що освітлює зверху (y0), і один – знизу (y1), – і їх об’єднання в оптичний розв’язувач матриці передачі. У цьому посібнику детально описано весь процес, починаючи від завантаження шаблону моделювання і закінчуючи аналізом отриманих оптичних полів і характеристик струм-напруга.

2. Створіть нову модель для симуляції біфаціальної перовскітної сонячної батареї.

Запустіть OghmaNano у Windows і виберіть «Нове моделювання». Відкриється бібліотека пристроїв, показана на ??. Двічі клацніть на «Перовськитні елементи», щоб відкрити папку з прикладами перовськитних матеріалів. Далі ви побачите список доступних шаблонів перовськитних матеріалів, показаний на ??. Двічі клацніть на «Двобічний сонячний елемент на основі перовськиту (MAPI)», щоб завантажити приклад двобічного елемента. Коли з’явиться відповідне повідомлення, виберіть папку призначення на локальному диску та натисніть «Зберегти».

💡 Порада: Збережіть файл на локальний диск, наприклад, C:\. Моделювання, збережене на мережевих дисках, USB-накопичувачах або в папках, синхронізованих з хмарним сховищем (наприклад, OneDrive, Dropbox), може працювати повільно через часті операції читання/запису.

OghmaNano new simulation window showing device type categories including Perovskite cells, OFETs, GaAs demos, FDTD examples, and tandem solar cells
У новому вікні симуляції відображається список усіх доступних категорій пристроїв. Двічі клацніть на пункті «Перовськитні елементи» (він виділено), щоб перейти до папки з прикладами перовськитних елементів.
OghmaNano perovskite cell template list showing Perovskite Bifacial Solar Cell (MAPI), Perovskite solar cell (MAPI), CELIV example, frozen ions, and tandem Si-perovskite options
У папці «Перовськит» оберіть «Двостороння сонячна батарея на основі перовськиту (MAPI)» та збережіть її у вибрану вами локальну папку.
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.
На головному інтерфейсі OghmaNano відображено двосторонню перовськитну сонячну батарею. Зелені стрілки, розташовані над і під пристроєм, показують, що освітлення подається одночасно з обох сторін – верхньої (y0) та нижньої (y1). Повний набір шарів – повітря / FTO / TiO₂ / MAPI / Spiro / ITO / скло / повітря – позначено праворуч. Щоб переглянути або змінити окремі шари, натисніть кнопку «Редактор шарів» на лівій панелі інструментів.
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
Редактор шарів для біфаціальної перовскітної сонячної комірки. Зверніть увагу, що ITO використовується як задній контакт (замінюючи непрозорий шар Au в монофаціальному пристрої), а під ним розташовується скляна підкладка — обидва матеріали прозорі, щоб забезпечити освітлення задньої сторони та досягнення поглинаючого шару MAPI.

Після завантаження моделювання, у головному вікні OghmaNano відображається двосторонній пристрій у панелі тривимірного відображення, як показано на ??. Зверніть увагу на зелені стрілки, які показують, як світло потрапляє в пристрій як з верхньої, так і з нижньої поверхонь – це визначальна характеристика двосторонньої роботи. Шари, видимі у тривимірному зображенні, мають такий склад: повітря / FTO / TiO₂ / MAPI / Spiro / ITO / скло / повітря, причому як контакт FTO, так і контакт ITO є прозорими, що забезпечує двостороннє освітлення.

Ви можете детально переглянути структуру шарів, натиснувши на кнопку «Редактор шарів» у лівій панелі інструментів. У вікні редактора шарів, показаному на ??, перелічуються всі шари з вказанням їхньої товщини, матеріалу, що використовується для оптичних властивостей, типу шару (контактний, активний або інший), а також інформації про те, чи вирішено оптичну задачу для цього шару. Двостороння структура містить ITO як задній прозорий контакт і скляну підкладку під ним, обидва ці елементи дозволяють світлу проникати в поглинач MAPI з задньої сторони.

3. Запустіть симуляцію та перегляньте графік залежності струму від напруги (В-А характеристику).

Натисніть на синє. Запустити моделювання. кнопка на панелі інструментів (або натисніть) F9) для запуску розрахунку спільної діяльності в стаціонарному режимі. Після завершення моделювання перейдіть до Результат / Вивід вкладка. Вкладка, де відображаються результати, показана на ??, відображає список усіх файлів результатів, збережених у папці симуляції. Двічі клацніть. jv.csv щоб відкрити вікно для перегляду кривої залежності струму від напруги (JV-кривої), як показано на рисунку. ??.

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
На вкладці «Результати» відображено список усіх файлів, створених під час моделювання. Двічі клацніть jv.csv, щоб побудувати графік залежності струму від напруги.
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.
Графік залежності струму короткого замикання від напруги для двостороннього перовскітного пристрою. Зверніть увагу, що значення струму короткого замикання наближається до −500 А/м² — приблизно вдвічі більше, ніж очікувалося для односторонньої перовскітної комірки, оскільки фотони поглинаються одночасно з обох джерел світла: верхнього та нижнього.

Найбільш помітною особливістю двосторонньої характеристики струм-напруга (IV-кривої) є щільність струму короткого замикання (JSC). Для типового одностороннього перовськитного пристрою на основі MAPbI₃ при освітленні, що дорівнює 1 сонячній одиниці, значення JSC становить приблизно 200–250 А/м². У цьому випадку, коли використовуються два джерела світла, що забезпечують освітлення в 1 сонячну одиницю (по одному з кожного боку), значення JSC приблизно подвоюється, досягаючи показників близько 500 А/м². Це безпосередньо відображає двосторонній ефект: обидві поверхні поглинають фотони та генерують вільні носії заряду в поглинальному шарі MAPI. Напруга розімкнутого контуру (VOC) демонструє менш значне збільшення, оскільки VOC залежить від фотоструму за логарифмічною залежністю.

4. Перевірте конфігурацію джерела світла.

Щоб зрозуміти, як налаштовано подвійне освітлення, перейдіть до розділу «Оптична стрічка» у верхній частині головного вікна (див. ??) і натисніть «Джерела світла». Відкриється редактор джерел світла, у якому буде відображено список усіх об’єктів джерел світла, пов’язаних із поточною симуляцією.

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
Оптична стрічка. Натисніть «Джерела світла» (в крайній лівій частині, значок маяка), щоб відкрити редактор джерел світла та переглянути конфігурацію подвійного освітлення.

У редакторі джерел світла ви побачите дві записи в лівій панелі: «Верх» і «Низ». Джерела світла — це об’єкти, як і будь-які інші об’єкти в OghmaNano: вони мають фізичні координати x, y, z і розмір, які відображаються на вкладці «Об’єкт» (??). Для стандартного освітлення поверхонь (зверху, знизу, зліва, справа, спереду, ззаду) ці просторові властивості не мають значення — вважається, що світло надходить ззовні вікна симуляції. Вони стають важливими лише тоді, коли ви розміщуєте джерело світла у певній точці всередині пристрою.

Натисніть вкладку «Налаштування», щоб задати напрямок освітлення. У цьому прикладі двосторонньої панелі значення «Верх» встановлено на «Верх» (y0) (??), а значення «Низ» – на «Низ» (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
На вкладці «Об’єкт» відображаються загальні властивості вибраного об’єкта джерела світла, зокрема його тип, зміщення положення, розмір і колір відображення. Значок маяка ідентифікує його як джерело світла в моделі пристрою.
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
Вкладка «Налаштування» для основного джерела світла. У полі «Джерело освітлення» встановлено значення «Зверху» (y0), що забезпечує направлення світла вниз, усередину пристрою, через контакт FTO, імітуючи пряме сонячне проміння на передній поверхні.
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
Вкладка «Налаштування» для нижнього джерела світла (Btm). Параметр «Напрямок освітлення» встановлено на «Знизу» (y1), що забезпечує направлення світла вгору через скло та задній прозорий електрод – це імітує альбедо або відбите випромінювання, яке досягає задньої поверхні у двосторонній установці.

Разом ці два об’єкти, що імітують джерела світла, відтворюють реальні умови роботи біфаціальних панелей: пряме сонячне випромінювання потрапляє зверху (y0) через контакт FTO, а розсіяне або відбите випромінювання – знизу (y1) через скляну підкладку та контакт ITO. Обидва джерела за замовчуванням використовують один і той самий спектр AM1.5G, що відповідає випадку, коли випромінювання на задній стороні дорівнює випромінюванню на передній стороні – це корисна верхня межа для аналізу коефіцієнта посилення біфаціальної панелі. На практиці випромінювання на задній стороні зазвичай становить 10–30% від випромінювання на передній стороні, і його можна регулювати, змінюючи інтенсивність світла в кожному джерелі в розділі «Джерело світла».

5. Оптичний аналіз – розподіл фотонів і щільність поглинених фотонів.

Після завершення моделювання поверніться до вкладки «Оптика» та натисніть «Матриця передачі». Відкриється редактор оптичного моделювання, який надає детальні візуалізації оптичного поля всередині пристрою. На ілюстраціях нижче показано три основні результати: загальний розподіл фотонів (??), поглинена щільність фотонів (??) і згорнутий профіль швидкості генерації в одному вимірі (??).

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.
Розподіл фотонів: щільність фотонів (м⁻³) як функція довжини хвилі та положення всередині шару пристрою. Яскрава область у нижній частині по осі y (ліворуч) відповідає верхньому джерелу світла, яке проникає через шар FTO; додатковий розподіл від нижнього джерела видно у верхній частині по осі 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.
Щільність поглинених фотонів: щільність фотонів, поглинених на одиницю об’єму (м⁻³ с⁻¹) у всьому об’ємі пристрою. Поглинання значною мірою локалізоване в шарі перовськіту MAPI (y ≈ 0,3–0,7 мкм), при цьому внесок як верхнього, так і нижнього джерел світла проявляється у вигляді чітких ознак поглинання на кожній межі поглинача.
OghmaNano optical simulation editor Generation rate tab showing the spectrally integrated generation rate profile (m⁻³) plotted against device y-position. Two distinct peaks are visible at the TiO2/MAPI and MAPI/Spiro interfaces, corresponding to photon absorption from the top and bottom light sources respectively. The device energy level diagram is superimposed.
Швидкість генерації (одновимірний профіль): спектрально інтегрована швидкість генерації, зображена у вигляді графіка, що показує залежність від положення елемента пристрою. Спостерігаються два чіткі піки: один поблизу межі TiO₂/MAPI (верхнє освітлення) і один поблизу межі MAPI/Spiro (нижнє освітлення), що підтверджує, що обидва джерела світла сприяють генерації фотоструму. Для спрощення рівні енергії зони провідності та валентної зони встановлено на −3,8 еВ і −5,4 еВ відповідно для всього пристрою. Зверніть увагу, що рівні енергії, показані для шарів FTO, ITO, скла та повітря, наведені лише для відображення, оскільки ці шари не є частиною електричної моделі.

Графік швидкості генерації в ?? показує пік на кожній межі поглинача MAPI — один на межі TiO₂/MAPI (y ≈ 0,3 мкм), куди світло потрапляє зверху, і один на межі MAPI/Spiro (y ≈ 0,7 мкм), куди світло потрапляє знизу. В односторонньому пристрої присутній лише перший пік, а швидкість генерації експоненціально зменшується по всьому об’єму поглинача відповідно до закону Бугера-Ламберта. Додавання заднього освітлення створює другий пік і збільшує загальну інтегровану швидкість генерації — а отже, і значення JSC — приблизно вдвічі.

6. Спектри відбиття та пропускання.

Усе ще перебуваючи в редакторі оптичного моделювання, натисніть вкладку «Відбите світло» (??), а потім вкладку «Пропущене світло» (??). Спектри відбиття від верхньої (reflect0.csv) і нижньої (reflect1.csv) поверхонь чітко відрізняються — коливальні інтерференційні смуги тонкої плівки зміщені за фазою та амплітудою, оскільки послідовність інтерфейсів, з якими стикається вхідне світло, відрізняється з кожного боку. Однак спектри пропускання ідентичні: файли transmit0.csv і transmit1.csv точно збігаються. Це є прямим наслідком теореми про оптичну взаємність, яка стверджує, що коефіцієнт пропускання пасивного лінійного оптичного шару є однаковим незалежно від напрямку, в якому світло проходить через нього. Відбиття не має таких обмежень — воно залежить від конкретної послідовності інтерфейсів, видимих з кожної поверхні, тому два спектри відбиття відрізняються, а два спектри пропускання — ні.

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.
Спектри відбитого світла від верхньої поверхні (reflect0.csv, синій колір) і нижньої поверхні (reflect1.csv, червоний колір). На обох зображено осцилюючі інтерференційні смуги тонкої плівки, що виникають через численні межі поділу в багатошаровій структурі. Спектри відрізняються за формою, оскільки послідовність шарів, на які падає світло, різна з обох боків.
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.
Спектри пропущеного світла, отримані за допомогою пристрою зверху (файл transmit0.csv, синя лінія) та знизу (файл transmit1.csv, червона лінія). Зверніть увагу, що обидві криві практично ідентичні вище межі поглинання перовскіту (~550 нм), що є наслідком теореми про оптичну взаємність: коефіцієнт пропускання пасивного лінійного оптичного шару залишається незмінним незалежно від напрямку, в якому поширюється світло.
💡 Показати відповідь

Коефіцієнт пропускання визначається оптичною теоремою взаємності: для будь-якої пасивної лінійної оптичної системи (без підсилення, без нелінійних ефектів) коефіцієнт пропускання від порту A до порту B дорівнює коефіцієнту пропускання від порту B до порту A. Отже, загальна кількість світла, яке повністю проходить крізь структуру, залишається незмінною незалежно від напрямку освітлення. На відміну від цього, коефіцієнт відбиття залежить від конкретної послідовності інтерфейсів, з якими стикається вхідний промінь, – яка відрізняється для верхньої та нижньої поверхонь, тому файли reflect0.csv і reflect1.csv можуть і, як правило, відрізняються.

7. Порівняння одностороннього освітлення шляхом вимкнення нижнього джерела світла.

Щоб побачити, як змінюється оптичне розподілення, коли активне лише одне джерело світла, поверніться до вкладки «Оптика» та натисніть «Джерела світла», щоб знову відкрити редактор джерел світла. У лівій панелі виберіть джерело світла «Btm». На панелі інструментів у верхній частині редактора кнопка зараз має напис «Увімкнено» (значок зеленої позначки). Натисніть її, щоб перемкнути нижнє джерело світла у стан «Вимкнено». Потім у редакторі оптичного моделювання натисніть «Запустити оптичне моделювання», щоб оновити оптичний вихід, залишивши активним лише верхнє джерело світла.

Оновлений розподіл фотонів, щільність поглинених фотонів і профіль швидкості генерації в одній розмірності за умови одностороннього (лише зверху) освітлення показано нижче на ??, ?? і ??.

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.
Розподіл фотонів – лише верхнє освітлення. Коли нижнє джерело світла вимкнено, щільність фотонів концентрується у верхній частині пристрою (у зоні з низьким значенням координати y). Вплив задньої поверхні відсутній.
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.
Щільність поглинених фотонів – освітлення лише зверху. Поглинання тепер є асиметричним, досягає максимуму поблизу межі TiO₂/MAPI та зменшується в міру проходження через поглинач. Порівняйте з двостороннім варіантом, де поглинання з обох боків створює більш рівномірний профіль по всій товщині шару MAPI.
OghmaNano 1D generation rate profile under top-only illumination. Only a single peak is visible near the TiO2/MAPI interface. The second peak near the MAPI/Spiro interface that was present under bifacial illumination is absent.
Профіль швидкості генерації – лише при освітленні зверху. Спостерігається лише один пік, поблизу переходу TiO₂/MAPI. Другий пік, який утворювався при освітленні знизу, зник, що підтверджує, що двопікова характеристика була повністю зумовлена ​​конфігурацією подвійного освітлення.

Контраст між оптичними результатами, отриманими для двосторонніх і односторонніх елементів, наочно демонструє фізичну природу збільшення струму у двосторонніх елементах. Коли активним є лише верхнє джерело світла, швидкість генерації досягає піку поблизу освітленої поверхні та експоненційно зменшується в абсорбері. Коли активні обидва джерела, з’являється другий, симетричний пік зі зворотного боку, і загальна інтегрована швидкість генерації – а отже, і значення струму короткого замикання – приблизно подвоюється.

Підсумок і основні висновки

У цьому навчальному посібнику представлено моделювання біфаціальної перовскітної сонячної батареї в OghmaNano з використанням пристрою MAPbI₃ зі структурою «повітря / FTO / TiO₂ / MAPI / Spiro / ITO / скло / повітря». Ви побачили, що заміна непрозорого заднього контакту на прозорий шар ITO дозволяє світлу проникати з обох поверхонь одночасно, що приблизно вдвічі збільшує струм короткого замикання (JSC), тоді як напруга холостого ходу (VOC) збільшується лише незначно через її логарифмічну залежність від фотоструму. Профіль швидкості генерації, що досягає піку на обох краях поглинаючого шару MAPI, є безпосередньою оптичною характеристикою цього подвійного освітлення. Аналіз спектрів відбиття та пропускання підтвердив, що, хоча два спектри відбиття відрізняються (послідовність інтерфейсів, видима з кожної поверхні, різна), спектри пропускання ідентичні в обох напрямках, як того вимагає теорема оптичної взаємності. Нарешті, вимкнення нижнього джерела світла показало, як профіль генерації зводиться до єдиного піку, і поглинання стає асиметричним, відновлюючи звичну монофаціальну поведінку.

👉 Наступні кроки:

  • Спробуйте змінити інтенсивність нижнього джерела світла (у відповідному розділі «Джерело світла») до значень 0,1 і 0,3 сонячних одиниць, що відповідає більш реалістичним рівням освітленості задньої поверхні у випадку встановлення двосторонньої сонячної панелі. Зверніть увагу на те, як змінюються значення JSC, VOC і PCE.
  • Поверніться до розділу Навчальний матеріал про перовськит, частина B, щоб дізнатися, як оптична структура та товщина поглинального шару впливають на оптичні характеристики монофаціального пристрою.
  • Ознайомтеся з загальним оглядом моделювання перовськитної сонячної батареї, щоб отримати більш детальне уявлення про фізичні принципи, які реалізовано в OghmaNano.