Навчальний матеріал про перовськитні сонячні елементи (ПСЕ), частина B: перовськитні пристрої та світло.

Щоб зрозуміти, як перовськитні пристрої поглинають світло, спочатку необхідно вивчити наявні в OghmaNano оптичні дані. Програмне забезпечення містить вбудовану бібліотеку виміряних і стандартних спектрів, які можна використовувати як джерела освітлення для ваших симуляцій.

1. Перегляд оптичних баз даних OghmaNano.

1. Перейдіть на вкладку «Бази даних», як показано на ??.
2. Натисніть на піктограму оптичної бази даних (веселка). Відкриється вікно, зображене на ??.
3. Двічі клацніть на AM1.5G, щоб завантажити стандартний спектр сонячного випромінювання для наземних умов. Зверніть увагу на область максимальної інтенсивності випромінювання та на «провали» поглинання, спричинені молекулами в атмосфері Землі. Графік має виглядати приблизно так, як на ??.

2. Розуміння сонячного спектру

Ефективність роботи будь-якої сонячної батареї значною мірою залежить від розподілу сонячного світла, яке вона отримує. Оскільки інтенсивність сонячного випромінювання змінюється залежно від часу доби та географічного розташування, дослідники використовують еталонний спектр, який називається AM1.5G, щоб зробити результати порівняльними. На рисунках ?? і ?? зображено цей спектр: графік спектральної інтенсивності в залежності від довжини хвилі та псевдокольорове зображення у видимому діапазоні. AM1.5G відповідає сонячному світлу, яке пройшло через атмосферу Землі в 1,5 раза більше, ніж при прямому сонячному промінні, що приблизно відповідає умовам середини дня в помірних широтах. Зниження інтенсивності є ознакою атмосферного поглинання: озон поглинає частину ультрафіолетового випромінювання, а водяна пара та вуглекислий газ поглинають інфрачервоне випромінювання. Використовуючи AM1.5G у моделюванні, можна порівняти розраховані показники ефективності вашого пристрою з опублікованими значеннями, зокрема з рекордними показниками, які часто наводяться для перовськитних сонячних батарей.

3. Як матеріали на основі перовсциту поглинають світло.

Сонячна батарея складається з кількох шарів, кожен з яких виконує свою функцію. Деякі шари відповідають за перенесення зарядів, а інші – за поглинання фотонів. Щоб вивчити спектр поглинання перовсцитного матеріалу в OghmaNano, відкрийте базу даних матеріалів у панелі інструментів ??. Перейдіть до каталогу perovskite і виберіть std_perovskite. На вкладці «Поглинання» (??) ви побачите, наскільки інтенсивно цей матеріал поглинає світло в різних ділянках спектру. Саме від залежності поглинання від довжини хвилі залежить те, наскільки ефективно перовсцитний активний шар може поглинати сонячне світло.

Сонце випромінює безперервний спектр електромагнітних хвиль, але кожна ділянка цього спектра по-різному взаємодіє з перовськитною сонячною батареєю:

• УФ-випромінювання (приблизно 200–400 нм): значну частину цього випромінювання поглинають атмосфера та скляні шари, перш ніж воно досягне пристрою.
• Видимий спектр (приблизно 400–700 нм): основний діапазон поглинання для перовськитів, у якому відбувається поглинання більшої частини енергії.
• Близька інфрачервона область (≈700–2500 нм): хоча в цьому діапазоні міститься значна кількість сонячної енергії, тонкі шари перовськіту поглинають її недостатньо, тому значна частина енергії проходить крізь них або відбивається.
• Середній/далекий інфрачервоний діапазон (>≈2500 нм): це, по суті, теплове випромінювання, яке не придатне для фотоелектричного перетворення.

3. Моделювання поглинання світла

Після того як ми розглянули спектр AM1.5G і властивості поглинання матеріалів на основі перовськиту, ми можемо об’єднати ці ідеї, щоб змоделювати, як фотони розподіляються та поглинаються всередині всієї структури пристрою. Цей крок пов’язує оптичне випромінювання від Сонця з просторовим профілем генерації заряду всередині елемента.

Відкрийте вкладку «Оптика» (рис. ??) і виберіть «Моделювання за допомогою матриці передачі». У вікні, що з’явиться, натисніть кнопку «Запустити оптичне моделювання» (синя кнопка відтворення). OghmaNano обчислить оптичні поля з урахуванням довжини хвилі та положення, використовуючи метод матриці передачі.

Моделювання генерує декілька візуалізацій. Перша з них – карта щільності фотонів, яка показує, як оптичне поле розподіляється по всьому пристрою залежно від довжини хвилі та положення (рисунок ??). Яскраві ділянки відповідають областям, де утворюються стаціонарні хвилі, і високій щільності фотонів всередині шару перовскіту та на межі між шарами.

Другий – це карта поглинання фотонів, яка безпосередньо показує, де поглинаються фотони для створення електронно-діркових пар (рисунок ??). Цей графік підкреслює, які шари відповідають за поглинання сонячного світла та показує, наскільки ефективно шар перовськиту поглинає вхідне випромінювання в межах сонячного спектру.