آموزش سلول خورشیدی آلی (OPV) بخش B: دستگاه‌های OPV و نور

در این بخش بررسی می‌کنیم که دستگاه‌های OPV چگونه با نور خورشید برهم‌کنش می‌کنند. با بررسی مستقیم طیف‌های خورشیدی در OghmaNano شروع کنید:

1. بررسی پایگاه‌های داده نوری OghmaNano

1. همان‌طور که در ?? نشان داده شده است، به ریبون Databases بروید
2. سپس روی آیکون "Optical database" کلیک کنید، این کار پنجره نشان‌داده‌شده در ?? را باز می‌کند.
3. برای دیدن طیف خورشیدی استاندارد، روی AM1.5G دوبار کلیک کنید. تقریباً بررسی کنید که تابش در کجا بیشترین مقدار را دارد و به “افت”های کوچک توجه کنید. باید چیزی شبیه ?? ببینید

2. بررسی طیف خورشید

شدت خورشید در طول روز تغییر می‌کند و همچنین به موقعیت شما در جهان بستگی دارد. بنابراین برای مقایسه منصفانه سلول‌های خورشیدی، از یک طیف استاندارد با نام AM1.5G استفاده می‌کنیم. نمودارهای این طیف در ?? و ?? (رنگ کاذب) نشان داده شده‌اند. طیف AM1.5G نور خورشید را پس از عبور از حدود 1.5 برابر ضخامت جو نسبت به زمانی که خورشید مستقیماً بالای سر است، نشان می‌دهد، که متناظر با شرایط معمول عرض‌های میانی در بعدازظهر است. “افت”های کوچک قابل مشاهده در طیف ناشی از جذب جوی هستند — برای مثال، اوزون در UV و بخار آب یا CO₂ در فروسرخ. استفاده از طیف AM1.5G در شبیه‌سازی‌ها به نتایج شما اجازه می‌دهد که به‌طور مستقیم و سازگار با مقادیر گزارش‌شده در مقالات مقایسه شوند.

3. مواد چگونه نور را جذب می‌کنند

سلول‌های خورشیدی از چندین لایه ساخته می‌شوند. برخی لایه‌ها برای جذب نور طراحی شده‌اند، برخی دیگر برای هدایت حامل‌های بار. برای بررسی جذب نوری یک ماده مشخص، Materials database را باز کنید که با کلیک روی آیکون "Materials Database" در ?? قابل دسترسی است. سپس به polymers بروید و P3HT را باز کنید، سپس زبانه Absorption را انتخاب کنید (??). این نمودار نشان می‌دهد که پلیمر به‌عنوان تابعی از طول موج با چه شدتی جذب می‌کند، مهم است توجه داشته باشید که همه مواد نور را در طول موج‌های مختلف به شکل متفاوتی جذب می‌کنند.

طیف خورشیدی یک طیف پیوسته از طول موج‌ها است؛ طول موج‌های مختلف نور به روش‌های متفاوتی با دستگاه برهم‌کنش می‌کنند، این موارد در زیر توضیح داده شده‌اند:

• UV (≈200–400 nm): بیشتر UV-C/UV-B هرگز به دستگاه نمی‌رسد زیرا در جو/شیشه جذب می‌شود.
• مرئی (≈400–700 nm): ناحیه کاری اصلی برای OPVها. پس از تلفات متوسط در شیشه/ITO، این نور مطابق طیف جذب خود در لایه فعال جذب می‌شود.
• نزدیک-IR (≈700–2500 nm): بخش زیادی از توان خورشید را شامل می‌شود، اما لایه‌های آلی نازک آن را ضعیف جذب می‌کنند، بخش زیادی از آن بازتاب می‌شود
• میانی/دور-IR (>≈2500 nm):این انرژی گرمایی است، و به‌طور کلی برای دستگاه‌های OPV مفید نیست.

3. شبیه‌سازی جذب نور

اکنون که به طیف خورشیدی AM1.5G و اینکه مواد چگونه نور را به‌عنوان تابعی از طول موج جذب می‌کنند نگاه کردیم، می‌توانیم این ایده‌ها را ترکیب کنیم و جذب فوتون درون پشته دستگاه را شبیه‌سازی کنیم.

ریبون Optical را باز کنید (شکل ??) و Transfer Matrix Simulation را انتخاب کنید. در پنجره‌ای که باز می‌شود، روی Run optical simulation (دکمه پخش) کلیک کنید. OghmaNano جذب تفکیک‌شده برحسب طول موج را با استفاده از روش transfer-matrix محاسبه خواهد کرد.

نتایج در چندین زبانه نمایش داده می‌شوند. نمای Photon distribution میدان نوری را در سراسر پشته نشان می‌دهد، در حالی که Photon distribution (absorbed) نمایش می‌دهد که فوتون‌ها چگونه به‌عنوان تابعی از هر دو موقعیت در دستگاه و طول موج جذب می‌شوند (شکل ??).

تفسیر نقشه: در سمت چپ دستگاه اساساً هیچ جذبی در ITO شفاف وجود ندارد، و پس از آن جذب در ناحیه فعال و لایه‌های مجاور رخ می‌دهد. هر نوری که بدون جذب شدن عبور کند در نهایت در کنتاکت فلزی پشتی بازتاب می‌شود یا از دست می‌رود. مقیاس رنگ را می‌توان در مقیاس لگاریتمی مشاهده کرد تا ویژگی‌های جذب ضعیف برجسته شوند.

در نهایت، چگالی فوتون جذب‌شده روی طول موج انتگرال‌گیری می‌شود تا یک پروفایل تولید یک‌بعدی بر حسب موقعیت ایجاد شود (شکل ??). این نمودار نشان می‌دهد که دستگاه واقعاً در کجا زوج‌های الکترون–حفره تولید می‌کند و به شما کمک می‌کند ارزیابی کنید که طراحی نوری تا چه اندازه نور خورشید را به‌طور مؤثر به لایه فعال هدایت می‌کند.