Perovskitni materiali se pojavljajo kot eni izmed najobetavnejših materialov za številne fotovoltaične in optoelektronske aplikacije. Opraviti je treba veliko raziskav, vključno z različnimi simulacijami in optimizacijami, da bi bili perovskitni materiali bolj komercialno sprejeti. Eden izmed najpomembnejših parametrov perovskitnih materialov so njihovi kompleksni lomni količniki.
V sklopu diplomske naloge so z meritvami odbojnosti in prepustnosti posameznih vzorcev ter z uporabo različnih računalniških orodij določeni kompleksni lomni količniki različnih perovskitnih materialov. Proti koncu smo izvedli primer optične simulacije za dva različna tipa perovskitnih sončnih celic.
Splošna kemijska formula, ki se uporablja za karakterizacijo perovskitnih materialov, je ABX3, kjer A in B predstavljata katione, pri čemer je A večji od B, X pa je anion, običajno oksid ali halogen. Ti materiali so vzbudili veliko zanimanje za optoelektronske in fotonapetostne aplikacije zaradi številnih edinstvenih fizikalnih lastnosti perovskitnih materialov, kot so visok absorpcijski koeficient, učinkovit ambipolarni transport naboja preko velikih razdalj, nizka energija vezave ekscitona, visoka dielektrična konstanta in ugodne feroelektrične lastnosti. Perovskitni materiali se lahko uporabljajo v LED, fotodetektorjih, nanolaserjih in valovodih. Perovskitne sončne celice (PSC) so najbolj obetavno raziskovalno področje sredi nove generacije fotovoltaičnih tehnologij zaradi odlične učinkovitosti pretvorbe energije (PCE). Glavne ovire pri pridobivanju še višjega PCE sta majhna nizka površina fotoanode in izgube zaradi rekombinacij nosilcev naboja, za komercijalizacijo perovskitnih sončnih celic pa predvsem nestabilnost in z njo povezana kratka življenjska
doba.
Optično modeliranje in simulacija sta temeljni orodji za učinkovito načrtovanje in optimizacijo inovativnih struktur sončnih celic in njihovih optičnih lastnosti. Optični modeli, ki se uporabljajo za analizo sončnih celic, morajo postati bolj kompleksni zaradi povečane zapletenosti struktur sončnih celic. Izbrane numerične metode, opis simulacijske domene (debelina plasti, teksturni profili, robni pogoji) in natančnost vhodnih parametrov (optične lastnosti materiala, svetlobni pogoji) so dejavniki, ki določajo zanesljivost optičnega modeliranja.
Kompleksni lomni količnik se pogosto uporablja za opis ne le hitrosti širjenja svetlobe v materialu, temveč tudi izgube pri širjenju, ki jih povzroča absorpcija. Ta pojav je kvantificiran z imaginarnim delom kompleksnega lomnega količnika. Imaginarni del k imenujemo optični ekstinkcijski koeficient. Realni del n je lomni količnik in določa fazno hitrost. n(λ) vpliva na valovno dolžino svetlobe, k(λ) pa določa absorpcijo svetlobe. Iz ekstinkcijskega koeficienta izhaja absorpcijski koeficient α(λ), ki ga je mogoče neposredno povezati z slabljenjem optične moči med širjenjem svetlobe skozi absorbivni material.
Metoda, ki smo jo uporabili pri našem delu za določanje kompleksnih lomnih količnikov, tako imenovana metoda odbojnosti in prepustnosti (RT metoda), izhaja s področja spektrofotometričnih metod. V tem primeru sta izmerjeni količini valovno-odvisni optična odbojnost in prepustnost vpadne TE- in/ali TM-polarizirane svetlobe, nato pa se Fresnelove enačbe uporabijo za izračun lomnega količnika. Naša študija je temeljila na meritvah R pri kotu 8 stopinj in meritvah T pri pravokotnem vpadu. Za merjenje odbojnosti in prepustnosti smo uporabili spektrofotometer PerkinElmer Lambda 950. Različne numerične rešitve, ki so odvisne od valovne dolžine, so izluščene iz meritev z uporabo numeričnega modela z metodo Simplex. Na koncu je samo ena od teh rešitev fizikalno pravilna. Prvi korak je najti pravo debelino, da ločimo fizikalno rešitev od ostalih matematičnih rešitev. Glavna prednost te metode je, da za pridobitev rešitev niso potrebni vnaprej znani modeli za n in k materiala. Ena od pomanjkljivosti pa je potreba po popolnoma ravnih slojih z minimalnimi površinskimi nepravilnostmi.
Nika je program za določanje optičnih konstant, in sicer od valovne dolžine odvisnega kompleksnega lomnega količnika in debeline tankoplastne (koherentne) plasti ali komplesknega lomnega količnika (nekoherentne) substratne plasti v različnih strukturnih konfiguracijah. Strukture ali plasti, uporabljene za določanje optičnih konstant, morajo biti ravne, vključno z vsemi plastmi, in izotropne. V skladu s tem je cilj programa Nika izračunati optične konstante iz meritev odbojnosti (R) in prepustnosti (T) z metodo RT ali kombinacijo RR in TT pod več vpadnimi koti. Ena od prednosti Nike je, da v primerjavi z drugimi orodji ne zahteva podatka o disperzijski funkciji. Iz dveh enačb za R in/ali T Nika določi pare n&k pri vsaki valovni dolžini, neodvisno od modela. Za naše raziskave smo najprej določili lomni količnik substratne plasti. V našem primeru je bil substrat steklo debeline 1,1 mm. Ko določimo lomni količnik substrata, lahko nadaljujemo z določanjem lomnega količnika neznanega tankega sloja, v našem primeru plasti perovskitnega materiala. Zaradi nepoznavanja natančne debeline tankega sloja moramo v padajočem meniju Nike izbrati metodo Thin-film thickness sweep. Na ta način je mogoče natančno določiti tudi debelino tankega filma. Valovne dolžine smo nastavili v točno tistem območju, v katerem so bile izvedene meritve R in T, kar je bilo v našem primeru od 300 nm do 1200 nm s korakom 5 nm. Ko je izračun končan, so rezultati vidni na desni plošči. S premikanjem drsnika v obe smeri lahko zaznamo debelino, ki rezultira v najbolj natančni zvezni krivulji. Tako določimo natančno debelino perovskitnega tankega filma.
Ker Nika izračuna vse možne matematične rešitve, je na koncu potrebno fizikalno rešitev za kompleksni lomni količnik izluščiti ročno z zunanjim programom. Najprej smo uvozili podatke v Microsoft Excel in izrisali 2D linearni graf. Nato smo ta graf shranili kot slikovno datoteko in uvozili sliko v Engauge Digitizer, ki je orodje za ekstrahiranje krivulj iz slikovnih grafov. Posledične podatkovne točke se večinonoma uporabljajo kot vhod v druga programska orodja, v našem primeru Matlab. Da dobimo ustrezne grafe, uporabljamo Matlab za interpolacijo podatkov iz Engauge Digitizerja, saj so vrednosti lomnega količnika definirane samo v točkah, ki jih nastavimo ročno. Po analizi končnih krivulj smo ugotovili, da nekatere med njimi niso ustrezne, ker preveč odstopajo od ostalih ali pa se podvajajo, zato smo jih izločili iz nadaljnje raziskave.
Na koncu smo simulirali dve vrsti sončnih celic: planarno (gladko) enospojno perovskitno celico in teksturirano tandemsko perovskitno-silicijsko celico. Za simulacije smo uporabili nk podatke perovskitnega materiala, ki smo jih predhodno pridobili, da bi primerjali rezultate. Za vse ostale materiale v napravah smo uporabili podatke iz literature.
Z našo metodo določanja kompleksnih lomnih količnikov smo omogočili izvedbo poljubne numerično podprte optimizacije perovskitnih sončnih celic. V diplomskem delu je bil predstavljen le primer možne simulacije, ki uporablja to metodo. Na enak način bi lahko izvajali veliko obsežnejše optimizacije različnih struktur, kjer je nujno poznavanje realnih nk podatkov.
|
