Навчальний посібник зі створення моделі двосторонньої перовскітної сонячної батареї: двостороннє освітлення та оптичний аналіз у OghmaNano.
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:
- Перовськитний поглинальний шар (наприклад, MAPbI₃) має дуже високий коефіцієнт поглинання, що означає, що він може ефективно поглинати фотони, навіть якщо вони надходять знизу.
- Обидва шари, що забезпечують транспорт зарядів (TiO₂ як шар для транспортування електронів і Spiro-OMeTAD як шар для транспортування дірок), можна зробити достатньо тонкими та прозорими, щоб вони не значно перешкоджали освітленню з задньої сторони.
- В реальних умовах експлуатації, особливо у випадку встановлення двосторонніх фотоелектричних модулів на білій або світловідбиваючій поверхні, освітленість задньої сторони може збільшити додаткову вихідну потужність на 5–30% порівняно з односторонньою експлуатацією.
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.
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.
??.
jv.csv, щоб побудувати графік залежності струму від напруги.
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.
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) (??).
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 (??).
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.
💡 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 ??.
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.