Навчальний посібник з перовськитних сонячних елементів (ПСЕ), частина А: Швидкий старт – створіть модель свого першого перовськитного пристрою.
Перовськитні сонячні елементи є однією з найбільш швидкозростаючих тем досліджень у галузі фотоелектрики, і з моменту їхньої появи близько 2012 року було опубліковано понад 30 000 наукових праць. Їх стрімкий розвиток зумовлений рекордними показниками ефективності перетворення енергії, що перевищують 25%, завдяки чому вони конкурують із кристалічним кремнієм як провідні сонячні технології. Водночас, перовськити мають унікальні проблеми: такі явища, як іонна міграція, гістерезис і динамічні структурні зміни, ускладнюють їхнє повне вивчення порівняно зі звичайними напівпровідниками.
У цьому навчальному посібнику використовується стандартна та широко вивчена структура – FTO / TiO₂ / MAPbI₃ (??) / Spiro-OMeTAD / Au – для ознайомлення з основними принципами моделювання перовськитних сонячних елементів у OghmaNano. Лише за кілька кроків ви запустите програмне забезпечення, створите структуру пристрою, виконаєте сканування за параметрами струму та напруги та проаналізуєте ключові результати, такі як Jsc, Voc, коефіцієнт заповнення та ефективність. Коли ви освоїте цю базову структуру пристрою, у бібліотеці прикладів буде представлено більш складні перовськитні системи та комбінації для подальшого вивчення.
Крок 1: Запустіть OghmaNano.
Запустіть OghmaNano з меню «Пуск» у Windows. Відкриється головне вікно OghmaNano, як показано на ??.
Крок 2: Створіть нову модель.
Натисніть «Нова симуляція». Відкриється бібліотека доступних типів пристроїв, як показано на ??. Двічі клацніть на «Перовськитні елементи» (виділено червоним кольором), щоб відкрити папку з прикладами перовськитних елементів. Ви побачите список попередньо встановлених симуляцій, таких як пристрій MAPbI₃ і перовськитна сонячна батарея, як показано на ??. Для цього навчального посібника виберіть шаблон «Перовськитна сонячна батарея». Коли з’явиться відповідне повідомлення, збережіть симуляцію в папку, до якої у вас є права на запис.
💡 Порада: для досягнення найкращих результатів зберігайте дані на локальному диску, наприклад, на диску C:\. Моделювання, збережене в мережевих папках, на USB-накопичувачах або в хмарних сховищах (наприклад, OneDrive), може працювати повільно через велику кількість операцій читання/запису.
Крок 3: Запустіть симуляцію.
Після вибору шаблону відкривається основне вікно моделювання (див. ??). Щоб розпочати, натисніть кнопку «Запустити моделювання» (синій значок відтворення) або натисніть клавішу F9. Залежно від вашого комп’ютера, обчислення може тривати кілька секунд. Ви також можете використовувати кнопки xy/yz/xz (у лівому нижньому куті), щоб змінити орієнтацію пристрою у тривимірному режимі.
jv.csv (дані кривої залежності струму від напруги), optical_output (результати оптичного поля), snapshots (поля, що змінюються в часі), і файли CSV, що містять дані, пов’язані з часом (time_j.csv, time_v.csv тощо). Двічі клацніть будь-який файл, щоб відкрити його у відповідному переглядачі або редакторі.Крок 4: Перегляньте результати.
Відкрийте. Результат / Вивід табуляція (??) щоб переглянути файли, збережені на диску. Подвійне клацання. jv.csv щоб побудувати графік залежності струму від напруги (див.
??).
Ви можете натиснути г у вікні графіка можна ввімкнути або вимкнути відображення сітки. Під час аналізу кривої залежності струму від напруги зверніть увагу на такі характеристики (вони позначені на графіку):
- JSC – густина струму короткого замикання, значення відчитується в точці перетину кривої з віссю струму (V = 0). Це показує, який струм генерує елемент без зовнішнього зміщення.
- VOC – напруга розімкненого кола, точка, де крива перетинає вісь напруги (J = 0). Це максимальна напруга, яку пристрій може забезпечити під час освітлення.
- Pmax – робоча точка (напруга × струм), в якій пристрій забезпечує максимальну потужність.
У сукупності ці параметри визначають основні показники ефективності сонячних елементів.
Чудово! Ви щойно провели своє перше моделювання перовскітного матеріалу та побудували його вольт-амперну характеристику 🎉
💡 Показати відповідь
Ця крива залежності струму від напруги (J-V) чітко демонструє явище гістерезису — вона фактично містить дві криві J-V, що перекриваються, залежно від того, в якому напрямку проводиться сканування: у прямому чи зворотному. У перовськитних сонячних елементах це відбувається через те, що рухливі іони (наприклад, вакансії йодиду) зміщуються під дією прикладеного електричного поля. Ці іони перерозподіляються під час зміни напруги, що змінює локальні електричні поля та шляхи вилучення заряду. В результаті пристрій демонструє залежну від часу реакцію, яка проявляється у вигляді гістерезису на кривій J-V.
💡 Показати відповідь
У перовськитних сонячних елементах явище гістерезису може значно ускладнити визначення стандартних параметрів, таких як точка максимальної потужності, напруга розімкнутого кола, струм короткого замикання та навіть коефіцієнт заповнення. Графік залежності струму від напруги може мати різний вигляд залежно від напрямку сканування, швидкості сканування та історії роботи пристрою, що ускладнює порівняння результатів і робить відтворюваність ключовою проблемою в дослідженнях перовськитів.
Крок 5: Зміна режиму моделювання на стаціонарний.
У наведеному вище моделюванні ми запустили його в режимі гістерезису, який є часовою моделлю. Цей режим враховує, як прикладений потенціал перерозподіляє рухливі іони в перовськітах з плином часу. Ми змінювали напругу від низької до високої, а потім знову назад, і, як ви бачили на графіку залежності струму від напруги, пряме та зворотне сканування не збігалися через цей іонний рух (гістерезис). Як зазначено вище в розділі з питаннями, такий гістерезис ускладнює визначення стабільних значень для PCE, JSC, VOC і Pmax, оскільки вони можуть залежати від попереднього стану пристрою. У решті цього посібника ми вимкнемо гістерезис і запустимо моделювання в стаціонарному режимі. Для цього перейдіть на вкладку «Тип моделювання» в головному вікні OghmaNano та натисніть «Графік залежності струму від напруги» (див. ??).
✅ Чого очікувати
У стаціонарному режимі графік залежності струму від напруги має відображатися як єдина, плавна крива (без перекриття прямої та зворотної гілок). Зверніть увагу на значення Jsc, Voc, FF і PCE та порівняйте їх зі значеннями, отриманими під час попереднього вимірювання петлі гістерезису, щоб побачити, як іонні ефекти вплинули на ці показники.
Крок 6: Результати вашого моделювання.
| Назва файлу | Опис |
|---|---|
| jv.csv | Залежність щільності струму від напруги (крива залежності струму від напруги) |
| файл charge.csv | Залежність щільності заряду від напруги. |
| device.dat | Тривимірна модель пристрою |
| fit_data*.inp | Експериментальні дані для наведеного прикладу пристрою (за наявності). |
| k.csv | Залежність параметра рекомбінації від напруги |
| reflect.csv / transmit.csv | Оптичне відбиття / пропускання |
| знімки/ | Електричні характеристики в різні моменти часу (залежно від зміщення/часу); див. ??. |
| оптичні знімки/ | Знімки оптичного поля/інтенсивності; див. ??. |
| sim_info.dat | Підсумок (VOC, акціонерне товариство, FF, η); див. ??. |
| кеш/ | Проміжний кешований об’єкт даних; див. ??. |
Кожна симуляція генерує набір даних, які відображають різні аспекти поведінки пристрою – від необроблених кривих залежності струму від напруги та щільності заряду до оптичних спектрів, констант рекомбінації та знімків електричних або оптичних полів. Зазвичай ці файли мають формат звичайних CSV-файлів, які можна відкривати безпосередньо у вбудованих переглядачах OghmaNano або обробляти їх окремо (наприклад, для створення графіків даних у програмах Excel або Python). Найважливіші дані для базового дослідження перовськитів наведено в таблиці 1 нижче.
👉 Наступні кроки:
- Перейдіть до розділу Частина B, щоб отримати більш детальну інформацію про перовськити, зокрема про результати, шари пристрою та методи розширеного аналізу.
- Поверніться до розділу « загальний огляд моделювання перовськитної сонячної батареї», щоб отримати більш детальну інформацію про цю тему.