OPV-Parasitenwiderstand: Reihen-, Nebenschluss- und Dunkelstrom-JV-Simulation

In diesem Abschnitt wird erläutert, wie sich der parasitäre Widerstand auf die Simulationen von organischen Solarzellen auswirkt. Der Reihenwiderstand, der Nebenschlusswiderstand und die Kennlinien im Dunkeln sind nützliche Diagnoseinstrumente, da sie die Kontaktverluste, die Leckagepfade und die durch Rekombination dominierten Bereiche der Gerätecharakteristik voneinander trennen.

1. Reihenwiderstand, Nebenschlusswiderstand und die Strom-Spannungs-Kennlinie der organischen Photovoltaikzelle (OPV)

Drift-Diffusions-Simulationen beschreiben die photoaktive Schicht im Detail, wobei sowohl Elektronen als auch Löcher vorhanden sind und miteinander interagieren. Reale Bauelemente weisen jedoch auch nicht-ideale Effekte auf, die durch die Kontaktschichten und Fertigungsfehler entstehen. Ein wichtiger Effekt ist der Reihenwiderstand (Rs), ein zusammengefasster Widerstand in Reihe mit der Diode, der aus den Kontakten, den Transportschichten (HTL/ETL) und der Verdrahtung oder dem Flächenwiderstand resultiert. Er verursacht das charakteristische „Abfallen“ bei hoher Vorspannung, wodurch der Strom bei hohen Durchlassspannungen begrenzt und der Füllfaktor reduziert wird.

Ein zweiter Effekt ist der Nebenschlusswiderstand (Rshunt), ein Leckstrompfad, der parallel zur aktiven Schicht verläuft. Dieser wird durch Unvollkommenheiten wie Mikroporen, Verunreinigungen, Randleckströme oder Mikro-Kurzschlüsse verursacht, die ungewollte leitfähige Pfade durch das Bauelement erzeugen. Er beeinträchtigt hauptsächlich den Bereich mit niedriger Vorspannung in der Strom-Spannungs-Kennlinie, wodurch die Steigung in der Nähe des Ursprungs reduziert und die Kurzschlussstromstärke (JSC) und der Füllfaktor verringert werden.

Diese Beiträge werden üblicherweise als parasitäre Komponenten bezeichnet und können in einem kompakten Schaltungsmodell dargestellt werden, wie in ?? gezeigt. In diesem Modell erscheint die ideale Diode (die durch die Drift-Diffusions-Gleichungen beschrieben wird) parallel zu Rshunt und in Reihe zu Rs. Eine parasitäre Kapazität ist ebenfalls enthalten, um die geometrische Kapazität der Kontakte darzustellen; dieser Term ist nur bei transienten Simulationen relevant.

In OghmaNano können Sie parasitäre Bauelemente bearbeiten, indem Sie im Hauptfenster zum Menüband „Elektrisch“ gehen und „Parasitäre Bauelemente“ auswählen. Dadurch wird der Editor für parasitäre Bauelemente geöffnet, in dem Sie sowohl den Nebenschluss- als auch den Reihenwiderstand einstellen können. Dies ist in ?? dargestellt: Der Nebenschlusswiderstand (Rshunt) wird als flächennormalisierter Wert (Ω·m2) eingegeben. Dadurch wird sichergestellt, dass sich der effektive Nebenschlusswiderstand proportional zur Fläche des Bauelements ändert. Der Reihenwiderstand (Rs) wird in Ohm (&Omega) als konzentrierter Widerstand angegeben, der unabhängig von der Fläche des Bauelements ist. Zusammen ermöglichen Rshunt und Rs die Erfassung realer Leck- und Leitungsverluste zusätzlich zu den Drift-Diffusions-Effekten der aktiven Schicht.

2. Simulation von Halbleiterübergängen im Dunkelmodus und Bestimmung des Übergangswiderstands

Bisher wurden alle Simulationen unter AM1.5G-Beleuchtung im Licht durchgeführt. Das ist verständlich, da wir in der Regel daran interessiert sind, wie viel Leistung eine Solarzelle erzeugen kann. Die Messung eines Geräts im Dunkeln kann jedoch oft noch mehr über seine inneren physikalischen Eigenschaften verraten – und warum es möglicherweise nicht wie erwartet funktioniert. Ein häufiger Fehler besteht darin, ein neues Gerät nur unter Beleuchtung zu charakterisieren; tatsächlich kann die Strom-Spannungs-Kennlinie im Dunkeln umfassendere diagnostische Informationen liefern als die Kennlinie im Licht.

In diesem Abschnitt werden wir die dunkle JV-Einstellung verwenden, um zu untersuchen, wie Rshunt und Rs ermittelt werden können. Beginnen Sie, indem Sie den Simulator in den Dunkelmodus schalten: Gehen Sie zu „Optisches Band“ → „Lichtintensität (in Sonnenangaben)“ und setzen Sie den Wert auf 0,0. Die grünen Photonen in der 3D-Ansicht des Geräts verschwinden, was bestätigt, dass die Simulation ohne Beleuchtung ausgeführt wird. Dies ist in ?? zu sehen.

Als Nächstes werden wir untersuchen, wie parasitäre Widerstände die Kennlinie der Solarzelle im Dunkel beeinflussen. Beginnen Sie damit, indem Sie Folgendes einstellen: R_{Umleitung, Nebenschluss, abzweigen} auf einen hohen Wert (z. B. 1 MΩ·m²) einstellen und eine JV-Messung durchführen, dann auf einen viel niedrigeren Wert (z. B. 1 Ω·m²) reduzieren und die Kurven vergleichen. Beobachten Sie, wie sich die Steigung bei niedrigen Spannungen durch den Ableitstrom beeinflussen lässt. Wiederholen Sie dann den Vorgang für den Reihenwiderstand: Stellen Sie ihn ein. R_s zuerst auf 0 Ω, dann auf einen höheren Wert (z. B. 20 Ω). Vergleichen Sie den Hochspannungsbereich der J-V-Kurve und notieren Sie, wie sich der Abfall verändert. Stellen Sie jeden Fall auf einem Diagramm mit linearer x- und logarithmischer y-Achse dar (drücken Sie ...). l) sodass die Unterschiede deutlich erkennbar sind. ?? Die Diagramme zeigen, wie sich die Widerstände auf die verschiedenen Bereiche der Kennlinie auswirken sollten. Beachten Sie, dass eine Änderung nur der parasitären Widerstände den durch Rekombination dominierten Bereich nicht direkt verändert; dieser wird durch die [unvollständiger Satz] gesteuert. elektrische Materialparameter, die in Teil E behandelt werden.