формализм ОПТОС

OPTOS (оптические свойства текстурированных оптических листов) — это формализм моделирования для определения оптических свойств листов с плоскопараллельными структурированными границами раздела. Метод универсален, поскольку могут быть включены интерфейсные структуры различных оптических режимов, например геометрической и волновой оптики. Это очень эффективно благодаря возможности повторного использования рассчитанных свойств перераспределения света отдельных интерфейсов. ^[1] До сих пор он в основном использовался для моделирования оптических свойств солнечных элементов и солнечных модулей, но также применим, например, к светодиодам или OLED со структурами вывода света.

История

Разработка формализма OPTOS началась в 2015 году в Институте солнечных энергетических систем Фраунгофера ISE во Фрайбурге, Германия. Математическая формулировка подробно описана в нескольких публикациях открытого доступа. ^[2] ^[3] ^[4] Базовая версия кода, включая документацию со ссылками на функции, доступна с конца 2015 года на домашней странице Fraunhofer ISE. ^[5] Постоянные обновления и список публикаций, связанных с OPTOS, можно найти на сайте ResearchGate. ^[6]

Процедура моделирования ОПТОС

Одним из ключевых аспектов моделирования OPTOS является разделение моделируемой системы на области интерфейса и распространения. Свойства перераспределения света рассчитываются наиболее подходящим методом для каждого интерфейса индивидуально и в зависимости от соответствующих размеров конструкции. Крупномасштабные структуры можно, например, моделировать с помощью трассировки лучей , а для интерфейсов с размерами структур в диапазоне длин волн оптические подходы, такие как RCWA , FDTD или FEM можно использовать .

Описание системы

Дискретизация всего углового пространства на фиксированное количество угловых каналов, как второй ключевой аспект формализма OPTOS, позволяет представить распределение угловой мощности внутри системы вектором v, который состоит из одной записи для каждого углового канала. Значением ввода является доля мощности соответствующего углового канала по отношению к общей падающей мощности.

Взаимодействие интерфейса

Свойства перераспределения света интерфейса представлены так называемыми матрицами отражения и пропускания R и T. Они хранят для каждого из угловых каналов информацию о перераспределении в другие угловые каналы для света, падающего на определенный интерфейс с определенной длиной волны. Всего существует четыре различные матрицы перераспределения для каждого интерфейса, характеризующиеся направлением падения, а также перераспределением отражения или пропускания.

Распространение по листу

Некогерентное распространение света через лист также можно представить в виде матрицы. Если на пути не происходит перераспределения света, матрица распространения D является диагональной матрицей. Отдельные записи состоят из коэффициента поглощения Ламберта-Бера, включая косинус полярного угла и коэффициент поглощения соответствующего материала.

Расчет оптических свойств

Используя предварительно рассчитанные матрицы, описанные выше, оптические свойства, такие как коэффициент отражения, пропускания или поглощения внутри листа, можно рассчитать путем умножения матриц [2–4] и выполнить за секунды или минуты с использованием стандартного персонального компьютера. Также можно рассчитать профиль поглощения, зависящий от глубины. Это имеет особое значение для последующего электрического моделирования структурированных кремниевых солнечных элементов.

Характеристики моделирования OPTOS

Сильные стороны

Универсальность. Оптические системы с интерфейсными структурами, работающими в различных оптических режимах, можно точно моделировать. Свойства перераспределения каждого интерфейса моделируются индивидуально наиболее подходящим методом.
Эффективность. Возможность повторного использования перераспределения позволяет очень быстро моделировать различные комбинации структур, изменения толщины листа и оптический анализ с учетом различных углов падения.
Линейную поляризацию можно учесть, заменяя каждую запись вектора распределения мощности двумя записями, по одной для каждого направления поляризации. Каждый элемент матрицы должен быть заменен матрицей два на два, принимая во внимание также перераспределение между различными направлениями поляризации.

Ограничения

OPTOS объединяет свойства перераспределения различных интерфейсов. Если нет точной методики моделирования для расчета матриц перераспределения, такие интерфейсы не могут быть включены в OPTOS. OPTOS моделирует распространение через лист некогерентно. Если толщина листа становится очень малой и интерференционные эффекты играют значительную роль, с этим нужно обращаться последовательно, а не как с «толстым» листом. Однако, как связно смоделированная подсистема, она может быть включена в OPTOS в качестве эффективного интерфейса. Эффекты круговой или эллиптической поляризации не учитываются, поскольку вся фазовая информация игнорируется во время распространения.

Примеры применения

До сих пор основным применением OPTOS было моделирование:

Солнечные элементы с различной структурой передней и задней стороны, такой как случайные пирамиды, изотекстура, сотовая текстура или дифракционные решетки. ^[3]^[7]
Слой солнечных панелей , включая влияние инкапсуляции на оптические свойства солнечных элементов, а также исследование различных углов падения. ^[4]^[7]
Сложные оптические взаимодействия в фотоэлектрических системах с солнечными элементами на основе нанопроводов. ^[8]
Формализм OPTOS был включен в программное обеспечение с открытым исходным кодом RayFlare. ^[9] Это программное обеспечение также позволяет пользователю рассчитывать соответствующие матрицы перераспределения, используя различные методы, включая метод матрицы переноса , трассировку лучей и строгий анализ связанных волн .

Альтернативными областями применения могут быть:

Светодиоды или OLED со светоотводящими структурами
Технология отображения, например, пленки для повышения яркости.

Ссылки

^ Тучер, Н.; Эйзенлор, Дж.; Гольдшмидт, Дж. К.; Блази, Б. «Универсальный формализм для оптического моделирования текстурированных листов», Отдел новостей SPIE , дои : 10.1117/2.1201509.006104
^ Эйзенлор, Дж.; Тучер, Н.; Хён, О.; Хаузер, Х.; Питерс, М.; Кифель, П.; Гольдшмидт, Дж. К.; Блази, Б. «Матричный формализм для распространения и поглощения света в толстых текстурированных оптических листах» Optics Express два : 10.1364/oe.23.00a502
^ Jump up to: ^а ^б Тучер, Н.; Эйзенлор, Дж.; Кифель, П.; Хён, О.; Хаузер, Х.; Питерс, М.; Мюллер, К.; Гольдшмидт, Дж.К.; Блази, Б. «Формализм трехмерного оптического моделирования OPTOS для текстурированных кремниевых солнечных элементов» Optics Express, дои : 10.1364/oe.23.0a1720
^ Jump up to: ^а ^б Тучер, Н.; Эйзенлор, Дж.; Гебреволд, Х.; Кифель, П.; Хён, О.; Хаузер, Х.; Гольдшмидт, Дж. К.; Блази, Б. «Оптическое моделирование фотоэлектрических модулей с несколькими текстурированными интерфейсами с использованием матричного формализма OPTOS» Optics Express, дои : 10.1364/oe.24.0a1083
^ «Моделирование оптических свойств текстур: Формализм «ОПТОС» - Fraunhofer ISE» . Институт Фраунгофера систем солнечной энергии ISE . Проверено 1 июня 2017 г.
^ «ОПТОС – оптические свойства текстурированных оптических листов» . Исследовательские ворота . Проверено 1 июня 2017 г.
^ Jump up to: ^а ^б Тучер, Нико; Мюллер, Бьёрн; Якоб, Питер; Эйзенлор, Йоханнес; Хён, Оливер; Хаузер, Хуберт; Гольдшмидт, Ян Кристоф; Гермле, Мартин; Блази, Бенедикт (4 июля 2017 г.). «Оптические характеристики сотовой текстуры - анализ на уровне ячеек и модулей с использованием формализма OPTOS». Материалы для солнечной энергии и солнечные элементы . 173 : 66–71. дои : 10.1016/j.solmat.2017.06.004 .
^ Чен, Ян; Хён, Оливер; Тучер, Нико; Пистолет, Матс-Эрик; Антту, Никлас (07 августа 2017 г.). «Оптический анализ солнечного элемента с двойным переходом нанопроволоки III-V-на-Si» . Оптика Экспресс . 25 (16): А665–А679. дои : 10.1364/oe.25.00a665 . ISSN 1094-4087 . ПМИД 29041038 .
^ Пирс, Фиби (27 сентября 2021 г.). «RayFlare: гибкое оптическое моделирование солнечных элементов» . Журнал программного обеспечения с открытым исходным кодом . 6 (65): 3460. doi : 10.21105/joss.03460 . ISSN 2475-9066 .

Внешние ссылки

Страница OPTOS на веб-сайте Fraunhoer ISE (включает документацию и загрузку базовой версии)

Проект OPTOS на ResearchGate (с постоянными обновлениями и списком публикаций, связанных с OPTOS)

[1] Тучер, Н.; Эйзенлор, Дж.; Гольдшмидт, Дж. К.; Блази, Б. «Универсальный формализм для оптического моделирования текстурированных листов», Отдел новостей SPIE , дои : 10.1117/2.1201509.006104

[2] Эйзенлор, Дж.; Тучер, Н.; Хён, О.; Хаузер, Х.; Питерс, М.; Кифель, П.; Гольдшмидт, Дж. К.; Блази, Б. «Матричный формализм для распространения и поглощения света в толстых текстурированных оптических листах» Optics Express два : 10.1364/oe.23.00a502

[:0-3] Jump up to: ^а ^б Тучер, Н.; Эйзенлор, Дж.; Кифель, П.; Хён, О.; Хаузер, Х.; Питерс, М.; Мюллер, К.; Гольдшмидт, Дж.К.; Блази, Б. «Формализм трехмерного оптического моделирования OPTOS для текстурированных кремниевых солнечных элементов» Optics Express, дои : 10.1364/oe.23.0a1720

[:1-4] Jump up to: ^а ^б Тучер, Н.; Эйзенлор, Дж.; Гебреволд, Х.; Кифель, П.; Хён, О.; Хаузер, Х.; Гольдшмидт, Дж. К.; Блази, Б. «Оптическое моделирование фотоэлектрических модулей с несколькими текстурированными интерфейсами с использованием матричного формализма OPTOS» Optics Express, дои : 10.1364/oe.24.0a1083

[5] «Моделирование оптических свойств текстур: Формализм «ОПТОС» - Fraunhofer ISE» . Институт Фраунгофера систем солнечной энергии ISE . Проверено 1 июня 2017 г.

[6] «ОПТОС – оптические свойства текстурированных оптических листов» . Исследовательские ворота . Проверено 1 июня 2017 г.

[:2-7] Jump up to: ^а ^б Тучер, Нико; Мюллер, Бьёрн; Якоб, Питер; Эйзенлор, Йоханнес; Хён, Оливер; Хаузер, Хуберт; Гольдшмидт, Ян Кристоф; Гермле, Мартин; Блази, Бенедикт (4 июля 2017 г.). «Оптические характеристики сотовой текстуры - анализ на уровне ячеек и модулей с использованием формализма OPTOS». Материалы для солнечной энергии и солнечные элементы . 173 : 66–71. дои : 10.1016/j.solmat.2017.06.004 .

[8] Чен, Ян; Хён, Оливер; Тучер, Нико; Пистолет, Матс-Эрик; Антту, Никлас (07 августа 2017 г.). «Оптический анализ солнечного элемента с двойным переходом нанопроволоки III-V-на-Si» . Оптика Экспресс . 25 (16): А665–А679. дои : 10.1364/oe.25.00a665 . ISSN 1094-4087 . ПМИД 29041038 .

[9] Пирс, Фиби (27 сентября 2021 г.). «RayFlare: гибкое оптическое моделирование солнечных элементов» . Журнал программного обеспечения с открытым исходным кодом . 6 (65): 3460. doi : 10.21105/joss.03460 . ISSN 2475-9066 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]