有机太阳能电池（OPV）教程 B 部分：OPV 器件与光

在本节中，我们将研究 OPV 器件如何与太阳光相互作用。首先在 OghmaNano 中亲自检查太阳光谱：

1. 探索 OghmaNano 的光学数据库

1. 如 ?? 所示导航到数据库功能区
2. 然后点击“光学数据库”图标，这将打开 ?? 所示的窗口。
3. 双击 AM1.5G 查看标准太阳光谱。注意辐照度最高的大致位置，并留意小的“凹陷”。你应该会看到类似 ?? 的图形

2. 探索太阳光谱

太阳的强度在一天中会变化，也取决于你在世界上的位置。为了公平比较太阳能电池，我们因此使用一种称为 AM1.5G 的标准光谱。 该光谱的曲线如 ?? 以及 ??（伪彩色）所示。AM1.5G 光谱表示太阳光在穿过大气后到达地表的情况，其大气厚度约为太阳正上方时的 1.5 倍，对应于中纬度地区下午的典型条件。光谱中可见的小“凹陷”来自大气吸收——例如 UV 区的臭氧，以及红外区的水汽或 CO₂。在仿真中使用 AM1.5G 光谱可以使你的结果与文献中报道的数值直接且一致地进行比较。

3. 材料如何吸收光

太阳能电池由多层结构构成。一些层用于吸收光，另一些层用于传导载流子。要检查某种材料的光学吸收，请打开 材料数据库，可通过点击 ?? 中的 “Materials Database” 图标访问。然后导航到 polymers 并打开 P3HT，再选择 Absorption 选项卡（??）。这将显示该聚合物的吸收强度随波长的变化。需要注意的是，所有材料在不同波长处对光的吸收都不同。

太阳光谱是连续的波长谱；不同波长的光与器件以不同方式相互作用，具体如下：

• UV（≈200–400 nm）： 大多数 UV-C/UV-B 不会到达器件，因为它们在大气/玻璃中被吸收。
• 可见光（≈400–700 nm）： OPV 的主要工作波段。在玻璃/ITO 处出现适度损耗之后， 光会根据有源层的吸收光谱在其中被吸收。
• 近红外（≈700–2500 nm）： 太阳能量的很大一部分位于此处，但薄的有机层对其吸收较弱，其中大量被反射
• 中/远红外（>≈2500 nm）：这是热能，通常对 OPV 器件没有用处。

3. 仿真光吸收

现在我们已经了解了 AM1.5G 太阳光谱以及材料如何随波长吸收光，我们可以将这些概念结合起来，仿真器件堆叠内部的光子吸收。

打开 光学 功能区（图 ??），并选择 Transfer Matrix Simulation。在打开的窗口中，点击 运行光学仿真（播放按钮）。OghmaNano 将使用 transfer-matrix 方法计算按波长分辨的吸收。

结果会显示在多个选项卡中。Photon distribution 视图显示整个堆叠中的光场，而 Photon distribution (absorbed) 则可视化光子吸收随器件中 位置 与 波长 的分布（图 ??）。

解读该图：在器件左侧，透明 ITO 中几乎没有吸收，随后在有源层及其相邻层中出现吸收。任何未被吸收而传播通过的光最终会在背面金属接触处被反射或损失。色标可在对数刻度下查看，以突出弱吸收特征。

最后，吸收的光子密度会对波长积分，得到随位置变化的一维产生剖面（图 ??）。该图显示器件在何处实际产生电子–空穴对，并帮助你评估光学设计在多大程度上将太阳光导入有源层。