WikiDer > Формализм OPTOS

OPTOS formalism

OPTOS (оптические свойства текстурированных оптических листов) - это формализм моделирования для определения оптических свойств листов с плоскопараллельными структурированными интерфейсами. Метод универсален в качестве интерфейсных структур различных оптических режимов, например геометрическая и волновая оптика, могут быть включены. Это очень эффективно из-за возможности многократного использования вычисленных свойств перераспределения света отдельных интерфейсов.[1] До сих пор он в основном использовался для моделирования оптических свойств солнечных элементов и солнечных модулей, но он также применим, например, для светодиодов или OLED со структурами вывода света.

История

Разработка формализма OPTOS началась в 2015 г. Институт систем солнечной энергии Фраунгофера ISE во Фрайбурге, Германия. Математическая формулировка подробно описана в нескольких публикациях в открытом доступе.[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 по OPTOS можно найти на ResearchGate.[6].

Процедура моделирования OPTOS

Одним из ключевых аспектов моделирования OPTOS является разделение моделируемой системы на границы раздела и области распространения. Свойства перераспределения света рассчитываются наиболее подходящим методом для каждого интерфейса индивидуально и в зависимости от соответствующего измерения структуры. Например, крупномасштабные конструкции можно моделировать с помощью трассировка лучей в то время как для интерфейсов с размерами структуры в диапазоне длин волн оптические подходы типа RCWA, FDTD или же МКЭ может быть использован.

Процедура моделирования формализма OPTOS

Описание системы

Дискретизация всего углового пространства на фиксированное количество угловых каналов, как второй ключевой аспект формализма OPTOS, позволяет представить угловое распределение мощности внутри системы вектором v, который состоит из одной записи для каждого углового канала. Значение входа представляет собой долю мощности соответствующего углового канала по отношению к полной падающей мощности.

Интерфейсное взаимодействие

Свойства перераспределения света на границе 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 определенную границу раздела с определенной длиной волны. Всего существует четыре различные матрицы перераспределения для каждого интерфейса, характеризующиеся направлением падения, а также перераспределением отражения или пропускания.

Распространение через лист

Некогерентное распространение света через лист также можно представить в виде матрицы. Если на трассе не происходит перераспределение 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 отражательная способность, коэффициент пропускания или абсорбция внутри листа, могут быть рассчитаны с помощью матричного умножения [2–4] и могут быть выполнены в течение секунд или минут с использованием стандартного персонального компьютера. Также можно рассчитать зависящий от глубины профиль поглощения. Это особенно важно для последующего электрического моделирования структурированных кремниевых солнечных элементов.

Характеристики моделирования OPTOS

Сильные стороны

  • Универсальность - можно точно моделировать оптические системы с интерфейсными структурами, работающими в различных оптических режимах. Свойства перераспределения каждого интерфейса моделируются индивидуально с помощью наиболее подходящего метода.
  • Эффективность - возможность многократного использования перераспределения позволяет очень быстро моделировать различные комбинации структур, вариации толщины листа и оптический анализ в отношении различных углов падения.
  • Линейную поляризацию можно учесть, заменив каждую запись вектора распределения мощности двумя записями, по одной для каждого направления поляризации. Каждый элемент матрицы должен быть заменен матрицей два на два, учитывая также перераспределение между различными направлениями поляризации.

Ограничения

OPTOS объединяет свойства перераспределения различных интерфейсов. Если нет точной техники моделирования для расчета матриц перераспределения, такие интерфейсы не могут быть включены в OPTOS. OPTOS бессвязно моделирует распространение по листу. Если толщина листа становится очень низкой и интерференционные эффекты играют значительную роль, с этим нужно обращаться последовательно, а не как с «толстым» листом. Однако, как согласованно смоделированную подсистему, она может быть включена в OPTOS в качестве эффективного интерфейса. Эффекты круговой или эллиптической поляризации не учитываются, поскольку во время распространения не учитывается вся фазовая информация.

Примеры применения

Основным применением OPTOS до сих пор было моделирование:

  • Солнечные батареи с различными структурами передней и задней стороны, такими как случайные пирамиды, изотекстура, сотовая структура или дифракционный решетки.[3][7]
  • Стек слоев солнечные панели, включая влияние инкапсуляции на оптические свойства солнечного элемента, а также исследование различных углов падения.[4][7]
  • Сложные оптические взаимодействия в фотоэлектрических системах с солнечными элементами на основе нанопроволоки.[8]

Альтернативными областями применения могут быть:

  • Светодиоды или же Светодиоды со световыводящими конструкциями
  • Технология отображения, например пленки для повышения яркости

Рекомендации

  1. ^ Tucher, N .; Eisenlohr, J .; Goldschmidt, J.C .; Bläsi, B. "Универсальный формализм для оптического моделирования текстурированных листов", Отдел новостей SPIE, Дои:10.1117/2.1201509.006104
  2. ^ Eisenlohr, J .; Tucher, N .; Höhn, O .; Hauser, H .; Peters, M .; Kiefel, P .; Goldschmidt, J.C .; Bläsi, B. "Матричный формализм для распространения и поглощения света в толстых текстурированных оптических листах" Optics Express Дои:10.1364 / oe.23.00a502
  3. ^ а б Tucher, N .; Eisenlohr, J .; Kiefel, P .; Höhn, O .; Hauser, H .; Peters, M .; Müller, C .; Goldschmidt, J.C .; Бляси, Б. "Формализм трехмерного оптического моделирования OPTOS для текстурированных кремниевых солнечных элементов" Optics Express, Дои:10.1364 / oe.23.0a1720
  4. ^ а б Tucher, N .; Eisenlohr, J .; Gebrewold, H .; Kiefel, P .; Höhn, O .; Hauser, H .; Goldschmidt, J.C .; Бляси, 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" OPTOS "- ИСЭ Фраунгофера". Институт систем солнечной энергии им. Фраунгофера ISE. Получено 2017-06-01.
  6. ^ «ОПТОС - оптические свойства текстурированных оптических листов». ResearchGate. Получено 2017-06-01.
  7. ^ а б Тучер, Нико; Мюллер, Бьёрн; Якоб, Питер; Эйзенлор, Йоханнес; Хён, Оливер; Хаузер, Хуберт; Гольдшмидт, Ян Кристоф; Hermle, Мартин; Бляси, 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 (2017-08-07). "Оптический анализ солнечного элемента с двойным переходом типа III-V-нанопроволоки на Si". Оптика Экспресс. 25 (16): A665 – A679. Дои:10.1364 / oe.25.00a665. ISSN 1094-4087. PMID 29041038.

внешняя ссылка

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

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