Simulation einer organischen Tandem-Solarzelle: PCDTBT:PC70BM / PM6:Y6 und grenzflächenübergreifende RekombinationSimulation einer organischen Tandem-Solarzelle: PCDTBT:PC70BM / PM6:Y6 und grenzflächenübergreifende Rekombination
1. Einleitung: Warum sollte man zwei organische Solarzellen kombinieren?1. Einleitung: Warum sollte man zwei organische Solarzellen kombinieren?
Organische photovoltaische Absorber bieten chemisch abstimmbare optische Spektren und können als dünne Schichten aufgebracht werden. Eine Tandem-Solarzelle platziert zwei Absorber so im Lichtweg, dass der erste einen Teil des einfallenden Spektrums absorbiert und der zweite die durch ihn hindurchtretenden Photonen nutzt. Hierbei besteht der vordere Absorber aus PCDTBT:PC70BM, während der hintere Absorber aus PM6:Y6 besteht. Diese Mischungen weisen unterschiedliche optische Absorptionseigenschaften und effektive elektrische Bandlücken auf.Organische photovoltaische Absorber bieten chemisch abstimmbare optische Spektren und können als dünne Schichten aufgebracht werden. Eine Tandem-Solarzelle platziert zwei Absorber so im Lichtweg, dass der erste einen Teil des einfallenden Spektrums absorbiert und der zweite die durch ihn hindurchtretenden Photonen nutzt. Hierbei besteht der vordere Absorber aus PCDTBT:PC70BM, während der hintere Absorber aus PM6:Y6 besteht. Diese Mischungen weisen unterschiedliche optische Absorptionseigenschaften und effektive elektrische Bandlücken auf.
Das Beispiel zeigt eine monolithische, zweipolige (2T) Tandemzelle. Die einzelnen Unterzellen teilen sich einen gemeinsamen externen Strom, und ihre Spannungen tragen zur Gesamtspannung der Zelle bei. Eine interne Grenzschicht muss es ermöglichen, dass Elektronen, die von einer Unterzelle kommen, mit Löchern rekombinieren, die von der anderen Unterzelle kommen. Anstatt einen dünnen, künstlichen Rekombinationshalbleiter einzufügen, verwendet dieses Beispiel eine direkte, grenzflächenübergreifende Rekombinationsbedingung zwischen den beiden Absorberbereichen.Das Beispiel zeigt eine monolithische, zweipolige (2T) Tandemzelle. Die einzelnen Unterzellen teilen sich einen gemeinsamen externen Strom, und ihre Spannungen tragen zur Gesamtspannung der Zelle bei. Eine interne Grenzschicht muss es ermöglichen, dass Elektronen, die von einer Unterzelle kommen, mit Löchern rekombinieren, die von der anderen Unterzelle kommen. Anstatt einen dünnen, künstlichen Rekombinationshalbleiter einzufügen, verwendet dieses Beispiel eine direkte, grenzflächenübergreifende Rekombinationsbedingung zwischen den beiden Absorberbereichen.
Die elektrischen Parameter sind bewusst als effektive Mittelwerte gewählt, um das gekoppelte Modell zu veranschaulichen, anstatt eine kalibrierte Beschreibung eines bestimmten, tatsächlich hergestellten Bauelements zu liefern. Die optischen Datensätze und die Bandparameter werden separat behandelt.Die elektrischen Parameter sind bewusst als effektive Mittelwerte gewählt, um das gekoppelte Modell zu veranschaulichen, anstatt eine kalibrierte Beschreibung eines bestimmten, tatsächlich hergestellten Bauelements zu liefern. Die optischen Datensätze und die Bandparameter werden separat behandelt.
💡 Tipp: Modellierung von Tandem-Solarzellen. Tandem-Solarzellen sind schwieriger zu simulieren als herkömmliche Solarzellen mit einer einzelnen Halbleiterschicht, da die obere und untere Teilzelle elektrisch über eine Rekombinationsschicht miteinander verbunden werden müssen. Ziel ist es, Elektronen aus der einen Teilzelle mit Löchern aus der anderen zu rekombinieren und so die beiden Zellen in Reihe zu schalten, damit sich ihre Spannungen addieren. In OghmaNano gibt es zwei Hauptmethoden, um dies zu modellieren:💡 Tipp: Modellierung von Tandem-Solarzellen. Tandem-Solarzellen sind schwieriger zu simulieren als herkömmliche Solarzellen mit einer einzelnen Halbleiterschicht, da die obere und untere Teilzelle elektrisch über eine Rekombinationsschicht miteinander verbunden werden müssen. Ziel ist es, Elektronen aus der einen Teilzelle mit Löchern aus der anderen zu rekombinieren und so die beiden Zellen in Reihe zu schalten, damit sich ihre Spannungen addieren. In OghmaNano gibt es zwei Hauptmethoden, um dies zu modellieren:
1. Volumenrekombinationsschicht: Führen Sie eine physikalische Schicht mit endlicher Dicke zwischen den beiden Teilzellen ein, die einen hohen bimolekularen Rekombinationskoeffizienten aufweist. Dadurch kann die Rekombinationszone explizit modelliert werden, aber sehr hohe Rekombinationsraten können zu großen Werten in der Newton-Jacobi-Matrix führen, was manchmal zu numerischer Instabilität führt. Dieser Ansatz wird in der Perowskit/Silizium-Tandemzelle mit einer Volumenrekombinationsschicht demonstriert.1. Volumenrekombinationsschicht: Führen Sie eine physikalische Schicht mit endlicher Dicke zwischen den beiden Teilzellen ein, die einen hohen bimolekularen Rekombinationskoeffizienten aufweist. Dadurch kann die Rekombinationszone explizit modelliert werden, aber sehr hohe Rekombinationsraten können zu großen Werten in der Newton-Jacobi-Matrix führen, was manchmal zu numerischer Instabilität führt. Dieser Ansatz wird in der Perowskit/Silizium-Tandemzelle mit einer Volumenrekombinationsschicht demonstriert.
2. Rekombination an der Grenzfläche: Anstatt eine separate Schicht hinzuzufügen, wird eine Rekombinationsfläche mit vernachlässigbarer Dicke zwischen den beiden Teilzellen eingeführt. Der konventionelle Drift-Diffusions-Transport über die Grenzfläche wird deaktiviert, sodass Elektronen und Löcher nicht direkt zwischen den Teilzellen wandern können. Stattdessen werden die Zellen elektrisch durch eine grenzüberschreitende Elektronen-Loch-Rekombination verbunden. Dadurch entfällt die Notwendigkeit einer künstlichen Rekombinationsschicht, obwohl eine starke Kopplung an der Grenzfläche weiterhin zu numerischen Konvergenzproblemen führen kann. Dieser Ansatz wird in der Perowskit/Silizium-Tandemzelle – Tutorial zur Rekombination an der Grenzfläche und der Organischen Tandem-Solarzelle – Tutorial demonstriert.2. Rekombination an der Grenzfläche: Anstatt eine separate Schicht hinzuzufügen, wird eine Rekombinationsfläche mit vernachlässigbarer Dicke zwischen den beiden Teilzellen eingeführt. Der konventionelle Drift-Diffusions-Transport über die Grenzfläche wird deaktiviert, sodass Elektronen und Löcher nicht direkt zwischen den Teilzellen wandern können. Stattdessen werden die Zellen elektrisch durch eine grenzüberschreitende Elektronen-Loch-Rekombination verbunden. Dadurch entfällt die Notwendigkeit einer künstlichen Rekombinationsschicht, obwohl eine starke Kopplung an der Grenzfläche weiterhin zu numerischen Konvergenzproblemen führen kann. Dieser Ansatz wird in der Perowskit/Silizium-Tandemzelle – Tutorial zur Rekombination an der Grenzfläche und der Organischen Tandem-Solarzelle – Tutorial demonstriert.
Beide Ansätze zielen darauf ab, das elektrische Verhalten einer in Reihe geschalteten Tandem-Solarzelle nachzubilden. Tandem-Simulationen sind jedoch im Allgemeinen rechenintensiver als Simulationen von Einzelzellen, da die Ladungsträgerdichten, Rekombinationsraten und elektrostatischen Potentiale in den beiden Teilzellen stark miteinander gekoppelt sind. Es ist daher wichtig, die Konvergenz zu überwachen und zu überprüfen, ob der Gesamtstrom an beiden elektrischen Kontakten gleich ist.Beide Ansätze zielen darauf ab, das elektrische Verhalten einer in Reihe geschalteten Tandem-Solarzelle nachzubilden. Tandem-Simulationen sind jedoch im Allgemeinen rechenintensiver als Simulationen von Einzelzellen, da die Ladungsträgerdichten, Rekombinationsraten und elektrostatischen Potentiale in den beiden Teilzellen stark miteinander gekoppelt sind. Es ist daher wichtig, die Konvergenz zu überwachen und zu überprüfen, ob der Gesamtstrom an beiden elektrischen Kontakten gleich ist.
2. Das Beispiel für eine organische Tandemstruktur öffnen2. Das Beispiel für eine organische Tandemstruktur öffnen
Starten Sie OghmaNano und wählen Sie „Neue Simulation“ (??). Suchen Sie im Simulationsbrowser (??) das Beispiel für eine organische Tandemstruktur und öffnen Sie es. Die Ansicht der Bauteilstruktur (??) zeigt den vollständigen optischen Schichtaufbau.Starten Sie OghmaNano und wählen Sie „Neue Simulation“ (??). Suchen Sie im Simulationsbrowser (??) das Beispiel für eine organische Tandemstruktur und öffnen Sie es. Die Ansicht der Bauteilstruktur (??) zeigt den vollständigen optischen Schichtaufbau.
Speichern Sie eine Kopie, bevor Sie Parameter ändern. Das Menüband „Elektrisch“ enthält die Editoren für die Parameter „Schicht“, „Kontakt“, „Schnittstelle“ und „Elektrisch“ (??).Speichern Sie eine Kopie, bevor Sie Parameter ändern. Das Menüband „Elektrisch“ enthält die Editoren für die Parameter „Schicht“, „Kontakt“, „Schnittstelle“ und „Elektrisch“ (??).
💡 Tipp: Für eine optimale Leistung empfiehlt es sich, die Daten auf einem lokalen Laufwerk, z. B. C:\, zu speichern. Simulationen, die auf Netzwerk-, USB- oder Cloud-Ordnern (z. B. OneDrive) gespeichert sind, können langsamer ausgeführt werden, da viele Daten gelesen und geschrieben werden müssen.💡 Tipp: Für eine optimale Leistung empfiehlt es sich, die Daten auf einem lokalen Laufwerk, z. B. C:\, zu speichern. Simulationen, die auf Netzwerk-, USB- oder Cloud-Ordnern (z. B. OneDrive) gespeichert sind, können langsamer ausgeführt werden, da viele Daten gelesen und geschrieben werden müssen.
3. Durchführung der Simulation für die organische Tandem-Solarzelle3. Durchführung der Simulation für die organische Tandem-Solarzelle
Die dreidimensionale Darstellung der organischen Tandem-Solarzelle ist in ?? dargestellt. Das Bauelement besteht aus sechs Schichten, darunter zwei elektrisch aktive organische Absorberschichten, PCDTBT:PC70BM und PM6:Y6, die zwischen den vorderen und hinteren Elektroden angeordnet sind. Klicken Sie in der Symbolleiste „Elektrisch“ auf die Schaltfläche „Schichten“, um den Schichteneditor zu öffnen, der in ?? dargestellt ist. In diesem Fenster werden die Materialien, Dicken und die elektrische Konfiguration jeder Schicht aufgelistet. Schichten, die als „Aktiv“ gekennzeichnet sind, werden in die elektrische Simulation einbezogen, was bedeutet, dass die Drift-Diffusions-Gleichungen in diesen Bereichen gelöst werden. Schichten, die als „Sonstige“ gekennzeichnet sind, werden in den optischen Stapel einbezogen, aber nicht explizit in die elektrische Drift-Diffusions-Simulation. In diesem Beispiel werden die ZnO- und MoOx-Schichten als „Sonstige“ bezeichnet. Schichten, die als „Kontakt“ gekennzeichnet sind, werden in den optischen Stapel einbezogen und definieren die elektrischen Randbedingungen für die aktiven Halbleiterbereiche. Ihre genaue Position innerhalb des Schichtstapels ist nicht entscheidend, solange sie auf der entsprechenden Seite der elektrisch aktiven Schichten platziert werden. Die resultierende Schichtkonfiguration sollte mit der unten gezeigten Tabelle übereinstimmen.Die dreidimensionale Darstellung der organischen Tandem-Solarzelle ist in ?? dargestellt. Das Bauelement besteht aus sechs Schichten, darunter zwei elektrisch aktive organische Absorberschichten, PCDTBT:PC70BM und PM6:Y6, die zwischen den vorderen und hinteren Elektroden angeordnet sind. Klicken Sie in der Symbolleiste „Elektrisch“ auf die Schaltfläche „Schichten“, um den Schichteneditor zu öffnen, der in ?? dargestellt ist. In diesem Fenster werden die Materialien, Dicken und die elektrische Konfiguration jeder Schicht aufgelistet. Schichten, die als „Aktiv“ gekennzeichnet sind, werden in die elektrische Simulation einbezogen, was bedeutet, dass die Drift-Diffusions-Gleichungen in diesen Bereichen gelöst werden. Schichten, die als „Sonstige“ gekennzeichnet sind, werden in den optischen Stapel einbezogen, aber nicht explizit in die elektrische Drift-Diffusions-Simulation. In diesem Beispiel werden die ZnO- und MoOx-Schichten als „Sonstige“ bezeichnet. Schichten, die als „Kontakt“ gekennzeichnet sind, werden in den optischen Stapel einbezogen und definieren die elektrischen Randbedingungen für die aktiven Halbleiterbereiche. Ihre genaue Position innerhalb des Schichtstapels ist nicht entscheidend, solange sie auf der entsprechenden Seite der elektrisch aktiven Schichten platziert werden. Die resultierende Schichtkonfiguration sollte mit der unten gezeigten Tabelle übereinstimmen.
Beachten Sie, dass die Leerlaufspannung (\(V_{OC}\)), die in ?? angegeben ist, etwa 1,37 V beträgt, was deutlich höher ist, als man üblicherweise von einer einzelnen organischen Solarzelle erwarten würde. Dies veranschaulicht einen der Hauptvorteile einer Tandemstruktur: Die von den beiden Teilzellen erzeugten Photospannungen addieren sich und erzeugen so eine höhere Gesamt-Leerlaufspannung.Beachten Sie, dass die Leerlaufspannung (\(V_{OC}\)), die in ?? angegeben ist, etwa 1,37 V beträgt, was deutlich höher ist, als man üblicherweise von einer einzelnen organischen Solarzelle erwarten würde. Dies veranschaulicht einen der Hauptvorteile einer Tandemstruktur: Die von den beiden Teilzellen erzeugten Photospannungen addieren sich und erzeugen so eine höhere Gesamt-Leerlaufspannung.
| Schicht (von vorne nach hinten)Schicht (von vorne nach hinten) | DickeDicke | RolleRolle |
|---|---|---|
| ITOITO | 100 Nanometer100 Nanometer | Transparente Frontkontaktelektrode.Transparente Frontkontaktelektrode. |
| ZnOZnO | 30 Seemeilen30 Seemeilen | Material für die vordere optische/Transportschicht.Material für die vordere optische/Transportschicht. |
| PCDTBT:PC70BMPCDTBT:PC70BM | 100 Nanometer100 Nanometer | Frontseitiger organischer Absorber mit einer großflächigen Heterostruktur und einer größeren effektiven Bandlücke.Frontseitiger organischer Absorber mit einer großflächigen Heterostruktur und einer größeren effektiven Bandlücke. |
| PM6:Y6PM6:Y6 | 100 Nanometer100 Nanometer | Hintere organische Bulk-Heteroübergangs-Absorberschicht mit einer geringeren effektiven Bandlücke.Hintere organische Bulk-Heteroübergangs-Absorberschicht mit einer geringeren effektiven Bandlücke. |
| MoOxMoOx | 10 Seemeilen10 Seemeilen | Material für die hintere optische/transportierende Schicht.Material für die hintere optische/transportierende Schicht. |
| AgAg | 100 Nanometer100 Nanometer | Hinteres Metallelektrode.Hinteres Metallelektrode. |
Um die Simulation auszuführen, klicken Sie auf die blaue Schaltfläche „Simulation starten“ oder drücken Sie F9. Der numerische Solver berechnet die Strom-Spannungs-Kennlinie (J-V-Kennlinie) des gesamten Tandembauelements. Die Ergebnisse des Solvers werden in ?? angezeigt. Beachten Sie, dass der Strom bei etwa 1,38 V die Nulllinie kreuzt, was der Leerlaufspannung \(V_{OC}\) der Tandem-Solarzelle entspricht.Um die Simulation auszuführen, klicken Sie auf die blaue Schaltfläche „Simulation starten“ oder drücken Sie F9. Der numerische Solver berechnet die Strom-Spannungs-Kennlinie (J-V-Kennlinie) des gesamten Tandembauelements. Die Ergebnisse des Solvers werden in ?? angezeigt. Beachten Sie, dass der Strom bei etwa 1,38 V die Nulllinie kreuzt, was der Leerlaufspannung \(V_{OC}\) der Tandem-Solarzelle entspricht.
💡 Tipp: Auch wenn die Terminalausgabe kompliziert aussehen mag, ist sie tatsächlich recht einfach zu verstehen. „Links“ und „Rechts“ beziehen sich auf die linken bzw. rechten elektrischen Kontakte. Die Spannungswerte zeigen die an jeden Kontakt angelegte Spannung, während die Stromwerte den durch jeden Kontakt fließenden Strom anzeigen. Der Wert in den Fehlerklammern gibt an, wie gut die Simulation konvergiert ist. Ein Fehlerwert zwischen etwa -6 und -11 deutet auf eine gute Konvergenz hin, während Werte zwischen -2 und 1 auf eine schlechte Konvergenz hindeuten. Abschließend gibt die Zeit in Millisekunden (ms) an, wie lange die jeweilige Newton-Iteration gedauert hat.💡 Tipp: Auch wenn die Terminalausgabe kompliziert aussehen mag, ist sie tatsächlich recht einfach zu verstehen. „Links“ und „Rechts“ beziehen sich auf die linken bzw. rechten elektrischen Kontakte. Die Spannungswerte zeigen die an jeden Kontakt angelegte Spannung, während die Stromwerte den durch jeden Kontakt fließenden Strom anzeigen. Der Wert in den Fehlerklammern gibt an, wie gut die Simulation konvergiert ist. Ein Fehlerwert zwischen etwa -6 und -11 deutet auf eine gute Konvergenz hin, während Werte zwischen -2 und 1 auf eine schlechte Konvergenz hindeuten. Abschließend gibt die Zeit in Millisekunden (ms) an, wie lange die jeweilige Newton-Iteration gedauert hat.
Sobald die Berechnung abgeschlossen ist, öffnen Sie die Registerkarte „Ausgabe“, die in ?? dargestellt ist. Diese enthält die durch die Simulation erzeugten Dateien, einschließlich der berechneten J-V-Kennlinie, der internen Ladungsträgerverteilungen und der Simulationsinformationen.Sobald die Berechnung abgeschlossen ist, öffnen Sie die Registerkarte „Ausgabe“, die in ?? dargestellt ist. Diese enthält die durch die Simulation erzeugten Dateien, einschließlich der berechneten J-V-Kennlinie, der internen Ladungsträgerverteilungen und der Simulationsinformationen.
Doppelklicken Sie auf jv.csv, um die berechnete Strom-Spannungs-Kennlinie (??) zu öffnen. Die beiden Teilzellen sind elektrisch in Reihe geschaltet, sodass sie den gleichen Strom führen, während ihre Photospannungen zum Gesamtwert der Ausgangsspannung beitragen.Doppelklicken Sie auf jv.csv, um die berechnete Strom-Spannungs-Kennlinie (??) zu öffnen. Die beiden Teilzellen sind elektrisch in Reihe geschaltet, sodass sie den gleichen Strom führen, während ihre Photospannungen zum Gesamtwert der Ausgangsspannung beitragen.
Doppelklicken Sie auf sim_info.dat, um die Simulationsinformationen (??) zu öffnen. Diese Datei enthält Informationen über die berechnete Leistung des Geräts und die Simulationseinstellungen.Doppelklicken Sie auf sim_info.dat, um die Simulationsinformationen (??) zu öffnen. Diese Datei enthält Informationen über die berechnete Leistung des Geräts und die Simulationseinstellungen.
jv.csv abgerufen wird.Berechnete J-V-Kennlinie, die durch Doppelklicken auf jv.csv abgerufen wird.
sim_info.dat.Simulationsdaten und Leistungsparameter, entnommen aus sim_info.dat.4. Elektrische Parameter und Volumenrekombination4. Elektrische Parameter und Volumenrekombination
Die elektrischen Eigenschaften der beiden organischen Absorber können durch Klicken auf die Schaltfläche „Elektrische Parameter“ im Hauptfenster von OghmaNano überprüft werden. Dadurch wird der Editor für elektrische Parameter geöffnet, in dem die Bandlücken des Materials, die Elektronenaffinität, die Trägermobilität, die Zustandsdichten und die Rekombinationsmechanismen konfiguriert werden können. Die Parameterfenster für PCDTBT:PC70BM bzw. PM6:Y6 sind in ?? bzw. ?? dargestellt.Die elektrischen Eigenschaften der beiden organischen Absorber können durch Klicken auf die Schaltfläche „Elektrische Parameter“ im Hauptfenster von OghmaNano überprüft werden. Dadurch wird der Editor für elektrische Parameter geöffnet, in dem die Bandlücken des Materials, die Elektronenaffinität, die Trägermobilität, die Zustandsdichten und die Rekombinationsmechanismen konfiguriert werden können. Die Parameterfenster für PCDTBT:PC70BM bzw. PM6:Y6 sind in ?? bzw. ?? dargestellt.
Das Beispiel verwendet repräsentative, effektive elektrische Parameter für die beiden organischen Bulk-Heteroübergangs-Absorber. Die Beweglichkeiten und Zustandsdichten werden so gewählt, dass ein physikalisch sinnvolles Ladungstransportverhalten erzielt wird, während die Bandlücken und Elektronenaffinitäten eine anschauliche energetische Ausrichtung zwischen den Teilzellen ermöglichen. Diese Parameter beschreiben ein effektives Drift-Diffusions-Modell und nicht die vollständige mikroskopische elektronische Struktur der einzelnen Donor- und Akzeptormaterialien.Das Beispiel verwendet repräsentative, effektive elektrische Parameter für die beiden organischen Bulk-Heteroübergangs-Absorber. Die Beweglichkeiten und Zustandsdichten werden so gewählt, dass ein physikalisch sinnvolles Ladungstransportverhalten erzielt wird, während die Bandlücken und Elektronenaffinitäten eine anschauliche energetische Ausrichtung zwischen den Teilzellen ermöglichen. Diese Parameter beschreiben ein effektives Drift-Diffusions-Modell und nicht die vollständige mikroskopische elektronische Struktur der einzelnen Donor- und Akzeptormaterialien.
| ParameterParameter | PCDTBT:PC70BMPCDTBT:PC70BM | PM6:Y6PM6:Y6 |
|---|---|---|
| Effektive elektrische Spaltweite, EgEffektive elektrische Spaltweite, Eg | 1,60 eV1,60 eV | 1,35 eV1,35 eV |
| Elektronenaffinität, χElektronenaffinität, χ | 1,60 eV1,60 eV | 1,65 eV1,65 eV |
| Elektronenbeweglichkeit, μnElektronenbeweglichkeit, μn | 1 × 10⁻⁷ m⁻² V⁻¹ s⁻¹1 × 10⁻⁷ m⁻² V⁻¹ s⁻¹ | 2 × 10⁻⁸ m⁻² V⁻¹ s⁻¹2 × 10⁻⁸ m⁻² V⁻¹ s⁻¹ |
| Lochmobilität, μpLochmobilität, μp | 3 × 10⁻⁹ m² V⁻¹ s⁻¹3 × 10⁻⁹ m² V⁻¹ s⁻¹ | 1 × 10⁻⁸ m⁻² V⁻¹ s⁻¹1 × 10⁻⁸ m⁻² V⁻¹ s⁻¹ |
| Effektive Zustandsdichten, Nc und NvEffektive Zustandsdichten, Nc und Nv | 5 × 1025 m−35 × 1025 m−3 | 5 × 1025 m−35 × 1025 m−3 |
| MassenrekombinationMassenrekombination | Equilibrium SRHEquilibrium SRH | Equilibrium SRHEquilibrium SRH |
Ladungseinkapselung und durch Fallen unterstützte Rekombination sind besonders wichtig in ungeordneten organischen Halbleitern, bei denen strukturelle Unordnung, energetische Defekte und lokalisierte elektronische Zustände den Ladungsträgertransport und die Rekombination stark beeinflussen können. Aus diesem Grund wird in diesem Beispiel das Shockley-Read-Hall-(SRH-)Rekombinationsmodell anstelle eines einfachen bimolekularen Rekombinationsmodells verwendet, bei dem freie Ladungsträger rekombinieren. Die SRH-Rekombination bietet eine praktische und effektive Beschreibung der durch lokalisierte Fallen vermittelten Rekombination, obwohl auch andere Rekombinationsmechanismen in realen organischen photovoltaischen Geräten eine wichtige Rolle spielen können.Ladungseinkapselung und durch Fallen unterstützte Rekombination sind besonders wichtig in ungeordneten organischen Halbleitern, bei denen strukturelle Unordnung, energetische Defekte und lokalisierte elektronische Zustände den Ladungsträgertransport und die Rekombination stark beeinflussen können. Aus diesem Grund wird in diesem Beispiel das Shockley-Read-Hall-(SRH-)Rekombinationsmodell anstelle eines einfachen bimolekularen Rekombinationsmodells verwendet, bei dem freie Ladungsträger rekombinieren. Die SRH-Rekombination bietet eine praktische und effektive Beschreibung der durch lokalisierte Fallen vermittelten Rekombination, obwohl auch andere Rekombinationsmechanismen in realen organischen photovoltaischen Geräten eine wichtige Rolle spielen können.
Beide Absorber verwenden das SRH-Gleichgewichtsmodell mit einer effektiven Fallenstellendichte von 5 × 1022 m−3 und Querschnitten für die Einfangung von Elektronen und Löchern von 10−19 m². In der herkömmlichen Einzel-Niveau-Approximation wird die Rekombinationsrate wie folgt geschrieben:Beide Absorber verwenden das SRH-Gleichgewichtsmodell mit einer effektiven Fallenstellendichte von 5 × 1022 m−3 und Querschnitten für die Einfangung von Elektronen und Löchern von 10−19 m². In der herkömmlichen Einzel-Niveau-Approximation wird die Rekombinationsrate wie folgt geschrieben:
\[ R_{\mathrm{SRH}} = \frac{np-n^{eq}p^{eq}} {\tau_p(n+n_1)+\tau_n(p+p_1)}. \]Hierbei sind \(n\) und \(p\) die Konzentrationen an freien Elektronen bzw. Löchern, \(n^{eq}\) und \(p^{eq}\) ihre Gleichgewichtswerte, \(\tau_n\) und \(\tau_p\) die Lebensdauern für die Rekombination von Elektronen bzw. Löchern, und \(n_1\) und \(p_1\) beschreiben die Trägerkonzentrationen, die mit der Energie der Falle verbunden sind. Die Rekombinationsrate hängt von den verfügbaren Trägerpopulationen ab und geht im thermischen Gleichgewicht gegen Null. Dieser Rekombinationsprozess im Volumen unterscheidet sich vom grenzflächenübergreifenden Rekombinationsmechanismus, der zur Verbindung der beiden photovoltaischen Teilzellen verwendet wird.Hierbei sind \(n\) und \(p\) die Konzentrationen an freien Elektronen bzw. Löchern, \(n^{eq}\) und \(p^{eq}\) ihre Gleichgewichtswerte, \(\tau_n\) und \(\tau_p\) die Lebensdauern für die Rekombination von Elektronen bzw. Löchern, und \(n_1\) und \(p_1\) beschreiben die Trägerkonzentrationen, die mit der Energie der Falle verbunden sind. Die Rekombinationsrate hängt von den verfügbaren Trägerpopulationen ab und geht im thermischen Gleichgewicht gegen Null. Dieser Rekombinationsprozess im Volumen unterscheidet sich vom grenzflächenübergreifenden Rekombinationsmechanismus, der zur Verbindung der beiden photovoltaischen Teilzellen verwendet wird.
5. Die Rekombinationsschicht5. Die Rekombinationsschicht
In einer echten Tandem-Solarzelle sind die beiden photovoltaischen Übergänge durch eine Verbindungs- oder Rekombinationsschicht miteinander verbunden. Dieser Bereich ermöglicht es, dass Elektronen, die von einer Teilzelle kommen, mit Löchern rekombinieren, die von der anderen Teilzelle kommen, wodurch eine elektrische Verbindung zwischen den beiden Übergängen hergestellt wird. In der Praxis kann die Verbindung aus mehreren dünnen, elektron- und lochselektiven Transportschichten zusammen mit einem rekombinationsaktiven Material bestehen, beispielsweise einer dünnen Metall- oder leitfähigen Oxidschicht.In einer echten Tandem-Solarzelle sind die beiden photovoltaischen Übergänge durch eine Verbindungs- oder Rekombinationsschicht miteinander verbunden. Dieser Bereich ermöglicht es, dass Elektronen, die von einer Teilzelle kommen, mit Löchern rekombinieren, die von der anderen Teilzelle kommen, wodurch eine elektrische Verbindung zwischen den beiden Übergängen hergestellt wird. In der Praxis kann die Verbindung aus mehreren dünnen, elektron- und lochselektiven Transportschichten zusammen mit einem rekombinationsaktiven Material bestehen, beispielsweise einer dünnen Metall- oder leitfähigen Oxidschicht.
Eine Möglichkeit, diese Region zu modellieren, besteht darin, eine explizite, sehr dünne Halbleiterschicht mit einem sehr hohen bimolekularen Rekombinationskoeffizienten einzufügen. Obwohl dies das gewünschte Rekombinationsverhalten nachbilden kann, kann die Kombination von extrem dünnen Schichten mit sehr hohen Rekombinationsraten die numerischen Gleichungen instabil machen und die Konvergenz erschweren. Ein effizienterer Ansatz, insbesondere wenn die interne Struktur der Verbindung nicht von Interesse ist, besteht darin, sie durch eine unendlich dünne Rekombinationsfläche zu ersetzen. Dies ist der Ansatz, der in der vorliegenden Tandem-Simulation verwendet wird.Eine Möglichkeit, diese Region zu modellieren, besteht darin, eine explizite, sehr dünne Halbleiterschicht mit einem sehr hohen bimolekularen Rekombinationskoeffizienten einzufügen. Obwohl dies das gewünschte Rekombinationsverhalten nachbilden kann, kann die Kombination von extrem dünnen Schichten mit sehr hohen Rekombinationsraten die numerischen Gleichungen instabil machen und die Konvergenz erschweren. Ein effizienterer Ansatz, insbesondere wenn die interne Struktur der Verbindung nicht von Interesse ist, besteht darin, sie durch eine unendlich dünne Rekombinationsfläche zu ersetzen. Dies ist der Ansatz, der in der vorliegenden Tandem-Simulation verwendet wird.
Die Schnittstelle wird mithilfe des Schnittstellen-Editors konfiguriert, wie in ?? dargestellt. Weitere Informationen zu den zugrunde liegenden Transportgleichungen finden Sie in der Theorie der Halbleiterschnittstelle. Wählen Sie die PCDTBT:PC70BM/PM6:Y6-Schnittstelle aus, um die Rekombinations- und Transportparameter zu überprüfen.Die Schnittstelle wird mithilfe des Schnittstellen-Editors konfiguriert, wie in ?? dargestellt. Weitere Informationen zu den zugrunde liegenden Transportgleichungen finden Sie in der Theorie der Halbleiterschnittstelle. Wählen Sie die PCDTBT:PC70BM/PM6:Y6-Schnittstelle aus, um die Rekombinations- und Transportparameter zu überprüfen.
In diesem Modell werden sowohl die Beweglichkeit der Elektronen als auch die der Löcher an der Grenzfläche auf Null gesetzt. Dadurch wird der konventionelle Drift-Diffusions-Transport von Elektronen und Löchern über die Grenzfläche deaktiviert, was effektiv die üblichen Transportterme, die die benachbarten Gitterpunkte verbinden, eliminiert. Stattdessen sind die beiden Teilzellen elektrisch durch einen grenzüberschreitenden Rekombinationsmechanismus gekoppelt, der es einem Elektron auf der einen Seite der Grenzfläche ermöglicht, direkt mit einem Loch auf der anderen Seite zu rekombinieren.In diesem Modell werden sowohl die Beweglichkeit der Elektronen als auch die der Löcher an der Grenzfläche auf Null gesetzt. Dadurch wird der konventionelle Drift-Diffusions-Transport von Elektronen und Löchern über die Grenzfläche deaktiviert, was effektiv die üblichen Transportterme, die die benachbarten Gitterpunkte verbinden, eliminiert. Stattdessen sind die beiden Teilzellen elektrisch durch einen grenzüberschreitenden Rekombinationsmechanismus gekoppelt, der es einem Elektron auf der einen Seite der Grenzfläche ermöglicht, direkt mit einem Loch auf der anderen Seite zu rekombinieren.
Der Rekombinationsmechanismus entfernt ein Elektron auf der einen Seite der Grenzfläche und ein Loch auf der anderen Seite. Die beiden möglichen Trägerpaarungen werden durch Folgendes beschrieben:Der Rekombinationsmechanismus entfernt ein Elektron auf der einen Seite der Grenzfläche und ein Loch auf der anderen Seite. Die beiden möglichen Trägerpaarungen werden durch Folgendes beschrieben:
\[ R_{l2r}=K_{l2r}\left(n_Lp_R-n_L^{eq}p_R^{eq}\right), \] \[ R_{r2l}=K_{r2l}\left(n_Rp_L-n_R^{eq}p_L^{eq}\right). \]Hier bezeichnen \(L\) und \(R\) die Gitterpunkte, die sich unmittelbar links bzw. rechts der Grenzfläche befinden, während das hochgestellte \(eq\) die Gleichgewichtskonzentration der Ladungsträger angibt. Die Koeffizienten \(K_{l2r}\) und \(K_{r2l}\) haben die Einheiten m4 s−1 und geben somit die Rekombinationsraten pro Flächeneinheit in m−2 s−1 an. Die entsprechende Rekombinationsstromdichte ist \(J_{\mathrm{rec}}=qR\). Durch die Subtraktion des Gleichgewichtsprodukts der Ladungsträger wird sichergestellt, dass die Netto-Rekombinationsrate im thermischen Gleichgewicht Null ist.Hier bezeichnen \(L\) und \(R\) die Gitterpunkte, die sich unmittelbar links bzw. rechts der Grenzfläche befinden, während das hochgestellte \(eq\) die Gleichgewichtskonzentration der Ladungsträger angibt. Die Koeffizienten \(K_{l2r}\) und \(K_{r2l}\) haben die Einheiten m4 s−1 und geben somit die Rekombinationsraten pro Flächeneinheit in m−2 s−1 an. Die entsprechende Rekombinationsstromdichte ist \(J_{\mathrm{rec}}=qR\). Durch die Subtraktion des Gleichgewichtsprodukts der Ladungsträger wird sichergestellt, dass die Netto-Rekombinationsrate im thermischen Gleichgewicht Null ist.
In diesem Beispiel findet die vorherrschende Rekombinationsreaktion zwischen den Elektronen in PM6:Y6 auf der rechten Seite und den Löchern in PCDTBT:PC70BM auf der linken Seite statt. Die Koeffizienten sind \(K_{r2l}=10^{-7}\,\mathrm{m^4\,s^{-1}}\) und \(K_{l2r}=10^{-29}\,\mathrm{m^4\,s^{-1}}\). Der große Unterschied zwischen diesen Werten führt zu einer stark gerichteten Rekombination, was durch die Anordnung der beiden photovoltaischen Übergänge erforderlich ist.In diesem Beispiel findet die vorherrschende Rekombinationsreaktion zwischen den Elektronen in PM6:Y6 auf der rechten Seite und den Löchern in PCDTBT:PC70BM auf der linken Seite statt. Die Koeffizienten sind \(K_{r2l}=10^{-7}\,\mathrm{m^4\,s^{-1}}\) und \(K_{l2r}=10^{-29}\,\mathrm{m^4\,s^{-1}}\). Der große Unterschied zwischen diesen Werten führt zu einer stark gerichteten Rekombination, was durch die Anordnung der beiden photovoltaischen Übergänge erforderlich ist.
Der Zweck der Rekombinationsschnittstelle besteht darin, eine elektrische Verbindung zwischen den Teilzellen herzustellen, während gleichzeitig die Möglichkeit besteht, dass sich ihre individuellen Photospannungen addieren. Eine effiziente Verbindung führt dazu, dass sich die relevanten Quasi-Fermi-Niveaus für Elektronen und Löcher im Zentrum des Bauelements nahe beieinander befinden, wodurch der Spannungsverlust über der Rekombinationsverbindung minimiert wird.Der Zweck der Rekombinationsschnittstelle besteht darin, eine elektrische Verbindung zwischen den Teilzellen herzustellen, während gleichzeitig die Möglichkeit besteht, dass sich ihre individuellen Photospannungen addieren. Eine effiziente Verbindung führt dazu, dass sich die relevanten Quasi-Fermi-Niveaus für Elektronen und Löcher im Zentrum des Bauelements nahe beieinander befinden, wodurch der Spannungsverlust über der Rekombinationsverbindung minimiert wird.
Im Rahmen der Boltzmann-Statistik stehen die Elektronendichte auf der rechten Seite und die Lochdichte auf der linken Seite in einer Beziehung zu ihrer jeweiligen quasi-Fermi-Spannung, die durch folgende Formel beschrieben wird:Im Rahmen der Boltzmann-Statistik stehen die Elektronendichte auf der rechten Seite und die Lochdichte auf der linken Seite in einer Beziehung zu ihrer jeweiligen quasi-Fermi-Spannung, die durch folgende Formel beschrieben wird:
\[ n_Rp_L=n_R^{eq}p_L^{eq} \exp\left(\frac{E_{Fn,R}-E_{Fp,L}}{k_BT}\right). \]Der Rekombinationsstrom lässt sich daher wie folgt darstellen:Der Rekombinationsstrom lässt sich daher wie folgt darstellen:
\[ J_{\mathrm{rec}}= qK_{r2l}n_R^{eq}p_L^{eq} \left[ \exp\left(\frac{E_{Fn,R}-E_{Fp,L}}{k_BT}\right)-1 \right]. \]Wenn der Rekombinationskoeffizient zunimmt, ist ein geringerer Abstand zwischen \(E_{Fn,R}\) und \(E_{Fp,L}\) erforderlich, um den gleichen Strom aufrechtzuerhalten. Im Bereich hoher Rekombination nähern sich diese beiden quasi-Fermi-Niveaus einander an, wodurch eine effektive Rekombinationsverbindung zwischen den Teilzellen entsteht. Dadurch kann die durch jede Absorberschicht erzeugte Photospannung zur Gesamtspannung der Tandemzelle beitragen, während gleichzeitig die Spannungsverluste, die mit der Verbindung einhergehen, reduziert werden.Wenn der Rekombinationskoeffizient zunimmt, ist ein geringerer Abstand zwischen \(E_{Fn,R}\) und \(E_{Fp,L}\) erforderlich, um den gleichen Strom aufrechtzuerhalten. Im Bereich hoher Rekombination nähern sich diese beiden quasi-Fermi-Niveaus einander an, wodurch eine effektive Rekombinationsverbindung zwischen den Teilzellen entsteht. Dadurch kann die durch jede Absorberschicht erzeugte Photospannung zur Gesamtspannung der Tandemzelle beitragen, während gleichzeitig die Spannungsverluste, die mit der Verbindung einhergehen, reduziert werden.
Bei zwei elektrisch in Reihe geschalteten Teilzellen ist die Stromdichte für beide Teilzellen gleich; sie ist nicht die Summe ihrer jeweiligen Photoströme. Eine photovoltaische J-V-Kennlinie wird üblicherweise durch ihren Kurzschlussstrom, ihre Leerlaufspannung und ihren Punkt maximaler Leistung charakterisiert, vorausgesetzt, der simulierte Spannungsbereich umfasst diese Betriebspunkte.Bei zwei elektrisch in Reihe geschalteten Teilzellen ist die Stromdichte für beide Teilzellen gleich; sie ist nicht die Summe ihrer jeweiligen Photoströme. Eine photovoltaische J-V-Kennlinie wird üblicherweise durch ihren Kurzschlussstrom, ihre Leerlaufspannung und ihren Punkt maximaler Leistung charakterisiert, vorausgesetzt, der simulierte Spannungsbereich umfasst diese Betriebspunkte.
\[FF=\frac{|J_{mpp}V_{mpp}|}{|J_{SC}|V_{OC}},\qquad \eta=\frac{|J_{mpp}V_{mpp}|}{P_{in}}.\]Interpretieren Sie die Form und das Vorzeichen der angezeigten J-V-Kurve unter Verwendung der aktuellen Konvention der Simulation. Das dargestellte Beispiel veranschaulicht die gekoppelte elektrische Reaktion; es sollte nicht als experimentell kalibrierter Effizienzwert betrachtet werden. Überprüfen Sie die zugrunde liegende CSV-Datei, bevor Sie numerische Leistungswerte angeben.Interpretieren Sie die Form und das Vorzeichen der angezeigten J-V-Kurve unter Verwendung der aktuellen Konvention der Simulation. Das dargestellte Beispiel veranschaulicht die gekoppelte elektrische Reaktion; es sollte nicht als experimentell kalibrierter Effizienzwert betrachtet werden. Überprüfen Sie die zugrunde liegende CSV-Datei, bevor Sie numerische Leistungswerte angeben.
💡 Tipp: In diesem Beispiel werden die Beweglichkeit der Elektronen und Löcher an der Grenzfläche auf Null gesetzt. Dadurch wird der konventionelle Drift-Diffusions-Transport über die Grenzfläche deaktiviert und durch einen grenzüberschreitenden Rekombinationsmechanismus ersetzt, der die beiden Teilzellen elektrisch miteinander verbindet. Beide Mechanismen können auch gleichzeitig verwendet werden, indem man der Grenzfläche eine von Null verschiedene Beweglichkeit zuweist, obwohl dies die numerische Stabilität je nach Gerätekonfiguration verbessern oder verschlechtern kann.💡 Tipp: In diesem Beispiel werden die Beweglichkeit der Elektronen und Löcher an der Grenzfläche auf Null gesetzt. Dadurch wird der konventionelle Drift-Diffusions-Transport über die Grenzfläche deaktiviert und durch einen grenzüberschreitenden Rekombinationsmechanismus ersetzt, der die beiden Teilzellen elektrisch miteinander verbindet. Beide Mechanismen können auch gleichzeitig verwendet werden, indem man der Grenzfläche eine von Null verschiedene Beweglichkeit zuweist, obwohl dies die numerische Stabilität je nach Gerätekonfiguration verbessern oder verschlechtern kann.
Der Rekombinationskoeffizient für die Vereinigung von Elektronen auf der rechten Seite mit Löchern auf der linken Seite steuert die primäre elektrische Kopplung zwischen den beiden Teilzellen und ermöglicht es Elektronen aus der rechten Teilzelle, sich mit Löchern aus der linken Teilzelle zu rekombinieren. Eine Erhöhung dieses Koeffizienten verstärkt in der Regel die Kopplung. Die Rekombinationsrate hängt jedoch vom Produkt der Elektronen- und Lochkonzentrationen ab, multipliziert mit dem Rekombinationskoeffizienten. Folglich können übermäßig große Werte, wie z. B. 1e-3 in diesem Beispiel, sehr große Terme in die Newton-Jacobi-Matrix einfügen und numerische Instabilität verursachen.Der Rekombinationskoeffizient für die Vereinigung von Elektronen auf der rechten Seite mit Löchern auf der linken Seite steuert die primäre elektrische Kopplung zwischen den beiden Teilzellen und ermöglicht es Elektronen aus der rechten Teilzelle, sich mit Löchern aus der linken Teilzelle zu rekombinieren. Eine Erhöhung dieses Koeffizienten verstärkt in der Regel die Kopplung. Die Rekombinationsrate hängt jedoch vom Produkt der Elektronen- und Lochkonzentrationen ab, multipliziert mit dem Rekombinationskoeffizienten. Folglich können übermäßig große Werte, wie z. B. 1e-3 in diesem Beispiel, sehr große Terme in die Newton-Jacobi-Matrix einfügen und numerische Instabilität verursachen.
Beim Anpassen der Schnittstellenparameter sollte überprüft werden, ob die linken und rechten Abschlussströme in der Simulationsausgabe übereinstimmen. In einer konvergierten, stationären Simulation muss der Gesamtstrom an beiden Kontakten gleich sein. Eine signifikante Abweichung deutet auf ein Konvergenz- oder Stromerhaltungsproblem hin.Beim Anpassen der Schnittstellenparameter sollte überprüft werden, ob die linken und rechten Abschlussströme in der Simulationsausgabe übereinstimmen. In einer konvergierten, stationären Simulation muss der Gesamtstrom an beiden Kontakten gleich sein. Eine signifikante Abweichung deutet auf ein Konvergenz- oder Stromerhaltungsproblem hin.
Der Rekombinationskoeffizient für die Elektronen auf der linken Seite und die Löcher auf der rechten Seite steuert den entgegengesetzten Rekombinationsweg und ermöglicht es den Elektronen der linken Teilzelle, mit den Löchern der rechten Teilzelle zu rekombinieren. In diesem Bauelement wirkt er hauptsächlich als zusätzlicher Mechanismus für Rekombinationsverluste. Eine Erhöhung dieses Koeffizienten kann die Leerlaufspannung (VOC) erheblich verringern und den Spannungsnachteil der Tandemstruktur verstärken. Umgekehrt unterdrückt eine Verringerung dieses Koeffizienten unerwünschte Rekombination und kann die VOC erhöhen.Der Rekombinationskoeffizient für die Elektronen auf der linken Seite und die Löcher auf der rechten Seite steuert den entgegengesetzten Rekombinationsweg und ermöglicht es den Elektronen der linken Teilzelle, mit den Löchern der rechten Teilzelle zu rekombinieren. In diesem Bauelement wirkt er hauptsächlich als zusätzlicher Mechanismus für Rekombinationsverluste. Eine Erhöhung dieses Koeffizienten kann die Leerlaufspannung (VOC) erheblich verringern und den Spannungsnachteil der Tandemstruktur verstärken. Umgekehrt unterdrückt eine Verringerung dieses Koeffizienten unerwünschte Rekombination und kann die VOC erhöhen.
6. Bandstruktur und Quasi-Fermi-Niveaus6. Bandstruktur und Quasi-Fermi-Niveaus
Um zu untersuchen, wie die beiden Teilzellen elektrisch funktionieren, öffnen Sie den Ordner „Snapshots“ im Reiter „Ausgabe“. Dadurch wird der Snapshot-Viewer geöffnet, mit dem die internen elektrischen Eigenschaften des Geräts bei verschiedenen angelegten Spannungen untersucht werden können. Klicken Sie auf die Schaltfläche „+“ und fügen Sie die Dateien Ec.csv, Ev.csv, Fn.csv und Fp.csv hinzu, um jeweils den Rand des Leitungsbandes, den Rand des Valenzbandes, das Quasi-Fermi-Niveau der Elektronen und das Quasi-Fermi-Niveau der Löcher anzuzeigen. Weitere Anweisungen finden Sie in der Dokumentation zum Snapshot-Viewer.Um zu untersuchen, wie die beiden Teilzellen elektrisch funktionieren, öffnen Sie den Ordner „Snapshots“ im Reiter „Ausgabe“. Dadurch wird der Snapshot-Viewer geöffnet, mit dem die internen elektrischen Eigenschaften des Geräts bei verschiedenen angelegten Spannungen untersucht werden können. Klicken Sie auf die Schaltfläche „+“ und fügen Sie die Dateien Ec.csv, Ev.csv, Fn.csv und Fp.csv hinzu, um jeweils den Rand des Leitungsbandes, den Rand des Valenzbandes, das Quasi-Fermi-Niveau der Elektronen und das Quasi-Fermi-Niveau der Löcher anzuzeigen. Weitere Anweisungen finden Sie in der Dokumentation zum Snapshot-Viewer.
Der Schieberegler am unteren Rand des Fensters ermöglicht es uns, die Spannungsänderung zu durchlaufen. Die vier Beispiele in ??–?? zeigen die Entwicklung der Bandstruktur, während die angelegte Spannung von 0 V auf 2 V erhöht wird. Die Zwischenzustände entsprechen ungefähr 0,67 V bzw. 1,33 V, wobei letzterer Wert nahe an der Leerlaufspannung der Tandemzelle liegt.Der Schieberegler am unteren Rand des Fensters ermöglicht es uns, die Spannungsänderung zu durchlaufen. Die vier Beispiele in ??–?? zeigen die Entwicklung der Bandstruktur, während die angelegte Spannung von 0 V auf 2 V erhöht wird. Die Zwischenzustände entsprechen ungefähr 0,67 V bzw. 1,33 V, wobei letzterer Wert nahe an der Leerlaufspannung der Tandemzelle liegt.
Die blauen und roten Kurven stellen die Leitungs- bzw. Valenzbandkanten dar, während die grünen und türkisfarbenen Kurven die quasi-Fermi-Niveaus für Elektronen und Löcher darstellen. Unter Lichteinwirkung spiegelt die Trennung zwischen den quasi-Fermi-Niveaus für Elektronen und Löcher die lokalen, nicht im Gleichgewicht befindlichen Ladungsträgerkonzentrationen wider und steht in engem Zusammenhang mit der durch jede Teilzelle erzeugten Photospannung.Die blauen und roten Kurven stellen die Leitungs- bzw. Valenzbandkanten dar, während die grünen und türkisfarbenen Kurven die quasi-Fermi-Niveaus für Elektronen und Löcher darstellen. Unter Lichteinwirkung spiegelt die Trennung zwischen den quasi-Fermi-Niveaus für Elektronen und Löcher die lokalen, nicht im Gleichgewicht befindlichen Ladungsträgerkonzentrationen wider und steht in engem Zusammenhang mit der durch jede Teilzelle erzeugten Photospannung.
In einer Tandem-Solarzelle sind die beiden photovoltaischen pn-Übergänge in Reihe geschaltet. Dadurch addieren sich die Spannungsbeiträge der beiden Teilzellen. Dies lässt sich besonders deutlich in ?? erkennen, die sich in der Nähe des Leerlaufzustands befindet. Die Aufspaltung des quasi-Fermi-Niveaus in jeder Absorberschicht trägt zur Gesamtspannung an den Anschlüssen bei, wodurch die Tandemzelle eine Leerlaufspannung von etwa 1,37 V erzeugen kann, was deutlich höher ist, als man üblicherweise von einer einzelnen organischen Zelle erwarten würde.In einer Tandem-Solarzelle sind die beiden photovoltaischen pn-Übergänge in Reihe geschaltet. Dadurch addieren sich die Spannungsbeiträge der beiden Teilzellen. Dies lässt sich besonders deutlich in ?? erkennen, die sich in der Nähe des Leerlaufzustands befindet. Die Aufspaltung des quasi-Fermi-Niveaus in jeder Absorberschicht trägt zur Gesamtspannung an den Anschlüssen bei, wodurch die Tandemzelle eine Leerlaufspannung von etwa 1,37 V erzeugen kann, was deutlich höher ist, als man üblicherweise von einer einzelnen organischen Zelle erwarten würde.
Ein weiteres wichtiges Merkmal ist die deutliche Veränderung der quasi-Fermi-Niveaus bei etwa 100 nm, was der Grenze zwischen PCDTBT:PC70BM und PM6:Y6 entspricht. An dieser Stelle verbindet das Modell der grenzflächenübergreifenden Rekombination die beiden Teilzellen. Der hohe Rekombinationskoeffizient ermöglicht es den Elektronen auf der rechten Seite, effizient mit den Löchern auf der linken Seite zu rekombinieren, wodurch die jeweiligen quasi-Fermi-Niveaus dazu tendieren, sich dem gleichen Energieniveau anzunähern.Ein weiteres wichtiges Merkmal ist die deutliche Veränderung der quasi-Fermi-Niveaus bei etwa 100 nm, was der Grenze zwischen PCDTBT:PC70BM und PM6:Y6 entspricht. An dieser Stelle verbindet das Modell der grenzflächenübergreifenden Rekombination die beiden Teilzellen. Der hohe Rekombinationskoeffizient ermöglicht es den Elektronen auf der rechten Seite, effizient mit den Löchern auf der linken Seite zu rekombinieren, wodurch die jeweiligen quasi-Fermi-Niveaus dazu tendieren, sich dem gleichen Energieniveau anzunähern.
Dieses Verhalten ist besonders wichtig für den Tandembetrieb. Ein starker Rekombinationsweg ermöglicht es der Grenzfläche, Strom bei nur geringem Abstand zwischen den relevanten Quasi-Fermi-Niveaus zu leiten, wodurch der Spannungsverlust an der Verbindung minimiert wird. Die Profile der Quasi-Fermi-Niveaus werden auch durch die lokalen Trägerströme und die Transporteigenschaften in jeder Absorberschicht beeinflusst. Infolgedessen bleiben die beiden Teilzellen elektrisch miteinander verbunden, wobei sie ihre individuellen Quasi-Fermi-Niveau-Aufteilungen und ihren Beitrag zur Gesamt-Tandemspannung beibehalten.Dieses Verhalten ist besonders wichtig für den Tandembetrieb. Ein starker Rekombinationsweg ermöglicht es der Grenzfläche, Strom bei nur geringem Abstand zwischen den relevanten Quasi-Fermi-Niveaus zu leiten, wodurch der Spannungsverlust an der Verbindung minimiert wird. Die Profile der Quasi-Fermi-Niveaus werden auch durch die lokalen Trägerströme und die Transporteigenschaften in jeder Absorberschicht beeinflusst. Infolgedessen bleiben die beiden Teilzellen elektrisch miteinander verbunden, wobei sie ihre individuellen Quasi-Fermi-Niveau-Aufteilungen und ihren Beitrag zur Gesamt-Tandemspannung beibehalten.
7. Stromdichteverläufe von Elektronen und Löchern7. Stromdichteverläufe von Elektronen und Löchern
Die Stromdichten von Elektronen und Löchern bieten eine weitere nützliche Möglichkeit, um zu verstehen, wie die beiden organischen Teilzellen miteinander verbunden sind. Öffnen Sie den Ordner „Schnappschüsse“ im Reiter „Ausgabe“ und verwenden Sie die Schaltfläche „+“, um Jn.csv und Jp.csv zum Schnappschuss-Viewer hinzuzufügen. Diese Dateien enthalten die jeweiligen Stromdichten von Elektronen und Löchern. Mit dem Schieberegler können Sie dann untersuchen, wie sich die Ströme verändern, wenn die angelegte Spannung erhöht wird. Weitere Informationen zur Verwendung dieses Tools finden Sie in der Dokumentation zum Schnappschuss-Viewer.Die Stromdichten von Elektronen und Löchern bieten eine weitere nützliche Möglichkeit, um zu verstehen, wie die beiden organischen Teilzellen miteinander verbunden sind. Öffnen Sie den Ordner „Schnappschüsse“ im Reiter „Ausgabe“ und verwenden Sie die Schaltfläche „+“, um Jn.csv und Jp.csv zum Schnappschuss-Viewer hinzuzufügen. Diese Dateien enthalten die jeweiligen Stromdichten von Elektronen und Löchern. Mit dem Schieberegler können Sie dann untersuchen, wie sich die Ströme verändern, wenn die angelegte Spannung erhöht wird. Weitere Informationen zur Verwendung dieses Tools finden Sie in der Dokumentation zum Schnappschuss-Viewer.
Die vier Momentaufnahmen in ??–?? zeigen die aktuellen Verteilungen bei ungefähr 0 V, 0,67 V, 1,33 V und 1,99 V. Die blaue Kurve stellt die Elektronstromdichte dar, während die rote Kurve die Lochstromdichte darstellt.Die vier Momentaufnahmen in ??–?? zeigen die aktuellen Verteilungen bei ungefähr 0 V, 0,67 V, 1,33 V und 1,99 V. Die blaue Kurve stellt die Elektronstromdichte dar, während die rote Kurve die Lochstromdichte darstellt.
Bei niedrigen angelegten Spannungen wird der Strom hauptsächlich durch Elektronen in PCDTBT:PC70BM auf der linken Seite und durch Löcher in PM6:Y6 auf der rechten Seite transportiert. Bei etwa 80 nm nimmt der Strom der Elektronen an der Grenze zwischen den beiden Absorbern scharf ab, während der Strom der Löcher zunimmt. Dies ist das charakteristische Verhalten der Rekombinationsschicht, die im vorherigen Abschnitt eingeführt wurde.Bei niedrigen angelegten Spannungen wird der Strom hauptsächlich durch Elektronen in PCDTBT:PC70BM auf der linken Seite und durch Löcher in PM6:Y6 auf der rechten Seite transportiert. Bei etwa 80 nm nimmt der Strom der Elektronen an der Grenze zwischen den beiden Absorbern scharf ab, während der Strom der Löcher zunimmt. Dies ist das charakteristische Verhalten der Rekombinationsschicht, die im vorherigen Abschnitt eingeführt wurde.
Der Rekombinationsmechanismus an der Grenzfläche entfernt ein Elektron von einer Seite der Grenzfläche und ein Loch von der anderen Seite. Obwohl sich die einzelnen Elektronen- und Lochströme an dieser Grenze plötzlich ändern können, bleibt ihre Summe ungefähr konstant:Der Rekombinationsmechanismus an der Grenzfläche entfernt ein Elektron von einer Seite der Grenzfläche und ein Loch von der anderen Seite. Obwohl sich die einzelnen Elektronen- und Lochströme an dieser Grenze plötzlich ändern können, bleibt ihre Summe ungefähr konstant:
\[ J_{\mathrm{total}}=J_n+J_p. \]Dies ist ein wichtiges Ergebnis. Im stationären Zustand muss der gesamte elektrische Strom durch das gesamte Tandem-Bauelement erhalten bleiben, auch wenn sich die relativen Anteile von Elektronen und Löchern zwischen den beiden Teilzellen ändern. Die Rekombinationsschicht sorgt für die elektrische Verbindung, ohne dass Ladungsträger direkt über die Grenzfläche wandern oder diffundieren müssen.Dies ist ein wichtiges Ergebnis. Im stationären Zustand muss der gesamte elektrische Strom durch das gesamte Tandem-Bauelement erhalten bleiben, auch wenn sich die relativen Anteile von Elektronen und Löchern zwischen den beiden Teilzellen ändern. Die Rekombinationsschicht sorgt für die elektrische Verbindung, ohne dass Ladungsträger direkt über die Grenzfläche wandern oder diffundieren müssen.
In der Nähe der Leerlaufspannung von etwa 1,37 V nähert sich der externe Strom dem Wert Null. Allerdings setzen die Photogenerierung und Rekombination im Inneren des Bauelements fort, sodass die lokalen Elektronen- und Lochströme nicht unbedingt einzeln verschwinden müssen. Dies erklärt, warum das dritte Bild deutliche Variationen in den einzelnen Stromkomponenten in der Nähe der Rekombinationsfläche zeigt, obwohl der gesamte Strom an den Anschlüssen gering ist.In der Nähe der Leerlaufspannung von etwa 1,37 V nähert sich der externe Strom dem Wert Null. Allerdings setzen die Photogenerierung und Rekombination im Inneren des Bauelements fort, sodass die lokalen Elektronen- und Lochströme nicht unbedingt einzeln verschwinden müssen. Dies erklärt, warum das dritte Bild deutliche Variationen in den einzelnen Stromkomponenten in der Nähe der Rekombinationsfläche zeigt, obwohl der gesamte Strom an den Anschlüssen gering ist.
Bei 1,99 V ist die Tandemzelle stark in Durchlassrichtung gepolt, und die Stromrichtung hat sich umgekehrt. Die Stromstärke ist jetzt deutlich größer und erreicht etwa 28 A m−2. Dennoch wirkt weiterhin der gleiche Grenzflächenmechanismus: Der vorherrschende Stromfluss wechselt im Zentrum der Zelle zwischen Elektronentransport und Lochtransport, während der Gesamtstrom über die gesamte Tandemzelle hinweg kontinuierlich bleibt.Bei 1,99 V ist die Tandemzelle stark in Durchlassrichtung gepolt, und die Stromrichtung hat sich umgekehrt. Die Stromstärke ist jetzt deutlich größer und erreicht etwa 28 A m−2. Dennoch wirkt weiterhin der gleiche Grenzflächenmechanismus: Der vorherrschende Stromfluss wechselt im Zentrum der Zelle zwischen Elektronentransport und Lochtransport, während der Gesamtstrom über die gesamte Tandemzelle hinweg kontinuierlich bleibt.
Die schmalen Spitzen in den einzelnen Stromkomponenten in der Nähe von 80 nm entstehen in dem Bereich, in dem die stark lokalisierte Randbedingung für die Rekombination angewendet wird. Ihre genaue Form kann von der räumlichen Diskretisierung und der numerischen Darstellung der Grenzfläche abhängen. Die wichtigere physikalische Beobachtung ist, dass die beiden Teilzellen weiterhin elektrisch miteinander verbunden bleiben, wobei der Gesamtstrom trotz der abrupten Umverteilung zwischen Elektronen- und Lochströmen erhalten bleibt.Die schmalen Spitzen in den einzelnen Stromkomponenten in der Nähe von 80 nm entstehen in dem Bereich, in dem die stark lokalisierte Randbedingung für die Rekombination angewendet wird. Ihre genaue Form kann von der räumlichen Diskretisierung und der numerischen Darstellung der Grenzfläche abhängen. Die wichtigere physikalische Beobachtung ist, dass die beiden Teilzellen weiterhin elektrisch miteinander verbunden bleiben, wobei der Gesamtstrom trotz der abrupten Umverteilung zwischen Elektronen- und Lochströmen erhalten bleibt.
8. Optische Erzeugung und Analyse mit Hilfe der Transfermatrixmethode8. Optische Erzeugung und Analyse mit Hilfe der Transfermatrixmethode
Die optischen Eigenschaften der beiden organischen Absorbermaterialien sind wichtig, da jede Teilzelle so konzipiert ist, dass sie einen anderen Teil des einfallenden Sonnenspektrums absorbiert. In diesem Beispiel weisen PCDTBT:PC70BM und PM6:Y6 unterschiedliche Absorptionsspektren auf, wodurch die Tandemstruktur einen größeren Wellenlängenbereich nutzen kann, als es jedes Material einzeln könnte.Die optischen Eigenschaften der beiden organischen Absorbermaterialien sind wichtig, da jede Teilzelle so konzipiert ist, dass sie einen anderen Teil des einfallenden Sonnenspektrums absorbiert. In diesem Beispiel weisen PCDTBT:PC70BM und PM6:Y6 unterschiedliche Absorptionsspektren auf, wodurch die Tandemstruktur einen größeren Wellenlängenbereich nutzen kann, als es jedes Material einzeln könnte.
Um das optische Verhalten zu untersuchen, wählen Sie im Hauptfenster von OghmaNano die Option „Optisches Modell“ aus, die in ?? dargestellt ist, und klicken Sie auf „Transfermatrix“. Dadurch wird der Editor für die optische Simulation geöffnet. Klicken Sie auf die blaue Wiedergabetaste, um die optische Berechnung durchzuführen. Die Ergebnisse können mithilfe der Registerkarten oben im Fenster der optischen Simulation untersucht werden, wie in ??–?? dargestellt.Um das optische Verhalten zu untersuchen, wählen Sie im Hauptfenster von OghmaNano die Option „Optisches Modell“ aus, die in ?? dargestellt ist, und klicken Sie auf „Transfermatrix“. Dadurch wird der Editor für die optische Simulation geöffnet. Klicken Sie auf die blaue Wiedergabetaste, um die optische Berechnung durchzuführen. Die Ergebnisse können mithilfe der Registerkarten oben im Fenster der optischen Simulation untersucht werden, wie in ??–?? dargestellt.
Die Transfermatrix-Methode berechnet, wie sich Licht durch die mehrschichtige Struktur ausbreitet, wobei Reflexionen und Interferenz an den Grenzflächen der Materialien berücksichtigt werden. Jede Schicht wird durch ihren wellenlängenabhängigen komplexen Brechungsindex \(\tilde{n}=n+ik\) beschrieben, wobei \(n\) die optische Phasengeschwindigkeit und \(k\) die Absorption bestimmt. Folglich hängt die optische Intensität sowohl von der Wellenlänge als auch von der Position innerhalb der Struktur ab.Die Transfermatrix-Methode berechnet, wie sich Licht durch die mehrschichtige Struktur ausbreitet, wobei Reflexionen und Interferenz an den Grenzflächen der Materialien berücksichtigt werden. Jede Schicht wird durch ihren wellenlängenabhängigen komplexen Brechungsindex \(\tilde{n}=n+ik\) beschrieben, wobei \(n\) die optische Phasengeschwindigkeit und \(k\) die Absorption bestimmt. Folglich hängt die optische Intensität sowohl von der Wellenlänge als auch von der Position innerhalb der Struktur ab.
?? zeigt die Photonenkonzentration innerhalb der gesamten Multilayer-Struktur. Die horizontale Achse stellt die Position innerhalb der Anordnung dar, während die vertikale Achse die Wellenlänge angibt. Die hellen Bereiche entsprechen hohen Photonenkonzentrationen, während dunkle Bereiche niedrige Photonenkonzentrationen anzeigen. Die Variationen entstehen durch eine Kombination aus wellenlängenabhängiger Absorption und optischer Interferenz, die stehende Wellenmuster innerhalb der dünnen Schichtstruktur erzeugen können.?? zeigt die Photonenkonzentration innerhalb der gesamten Multilayer-Struktur. Die horizontale Achse stellt die Position innerhalb der Anordnung dar, während die vertikale Achse die Wellenlänge angibt. Die hellen Bereiche entsprechen hohen Photonenkonzentrationen, während dunkle Bereiche niedrige Photonenkonzentrationen anzeigen. Die Variationen entstehen durch eine Kombination aus wellenlängenabhängiger Absorption und optischer Interferenz, die stehende Wellenmuster innerhalb der dünnen Schichtstruktur erzeugen können.
Die Verteilung der absorbierten Photonen ist in ?? dargestellt. Im Gegensatz zur Photonenanzahldichte beschreibt diese Größe, wo die Photonen tatsächlich absorbiert werden. Die beiden organischen Absorber zeigen deutlich unterschiedliche spektrale Eigenschaften. Die PCDTBT:PC70BM-Schicht absorbiert stark in einem Teil des sichtbaren Spektrums, während die PM6:Y6-Schicht eine deutliche Absorption bei längeren Wellenlängen aufweist, die sich bis in den nahen Infrarotbereich erstreckt. Dieses komplementäre Absorptionsverhalten ist eine der Hauptgründe für die Kombination dieser Materialien in einer Tandem-Solarzelle.Die Verteilung der absorbierten Photonen ist in ?? dargestellt. Im Gegensatz zur Photonenanzahldichte beschreibt diese Größe, wo die Photonen tatsächlich absorbiert werden. Die beiden organischen Absorber zeigen deutlich unterschiedliche spektrale Eigenschaften. Die PCDTBT:PC70BM-Schicht absorbiert stark in einem Teil des sichtbaren Spektrums, während die PM6:Y6-Schicht eine deutliche Absorption bei längeren Wellenlängen aufweist, die sich bis in den nahen Infrarotbereich erstreckt. Dieses komplementäre Absorptionsverhalten ist eine der Hauptgründe für die Kombination dieser Materialien in einer Tandem-Solarzelle.
Das räumliche Ladungsträgergenerierungsprofil ist in ?? dargestellt. Die blaue Kurve stellt die berechnete Generierungsrate dar, während die horizontalen Energieniveaus die Positionen der verschiedenen Materialien in der Vorrichtung angeben. Die beiden Hauptgenerierungsbereiche entsprechen den Absorbern PCDTBT:PC70BM und PM6:Y6. Es ist zu beachten, dass sich die Generierungsrate an der Grenze zwischen ihnen schlagartig ändert, was ihre unterschiedlichen optischen Absorptionseigenschaften widerspiegelt.Das räumliche Ladungsträgergenerierungsprofil ist in ?? dargestellt. Die blaue Kurve stellt die berechnete Generierungsrate dar, während die horizontalen Energieniveaus die Positionen der verschiedenen Materialien in der Vorrichtung angeben. Die beiden Hauptgenerierungsbereiche entsprechen den Absorbern PCDTBT:PC70BM und PM6:Y6. Es ist zu beachten, dass sich die Generierungsrate an der Grenze zwischen ihnen schlagartig ändert, was ihre unterschiedlichen optischen Absorptionseigenschaften widerspiegelt.
Die elektrische Erzeugungsrate wird durch Integration der wellenlängenabhängigen Photonabsorption über das einfallende Spektrum ermittelt:Die elektrische Erzeugungsrate wird durch Integration der wellenlängenabhängigen Photonabsorption über das einfallende Spektrum ermittelt:
\[ G(y)=\int \alpha(\lambda,y)\Phi(\lambda,y)\,d\lambda, \]wobei \(\alpha(\lambda,y)\) der Absorptionskoeffizient und \(\Phi(\lambda,y)\) der lokale spektrale Photonenfluss ist, definiert pro Wellenlängeneinheit. Die resultierende Erzeugungsrate hat die Einheit m−3 s−1 und stellt den Quellterm für durch Licht erzeugte Elektronen und Löcher in den Drift-Diffusions-Gleichungen dar. Die Umwandlung von absorbierten Photonen in freie Ladungsträger hängt auch von der im Modell verwendeten Photonen-zu-Ladungsträger-Erzeugungseffizienz ab.wobei \(\alpha(\lambda,y)\) der Absorptionskoeffizient und \(\Phi(\lambda,y)\) der lokale spektrale Photonenfluss ist, definiert pro Wellenlängeneinheit. Die resultierende Erzeugungsrate hat die Einheit m−3 s−1 und stellt den Quellterm für durch Licht erzeugte Elektronen und Löcher in den Drift-Diffusions-Gleichungen dar. Die Umwandlung von absorbierten Photonen in freie Ladungsträger hängt auch von der im Modell verwendeten Photonen-zu-Ladungsträger-Erzeugungseffizienz ab.
Ein wichtiger Aspekt beim Design von Tandem-Solarzellen ist die Abstimmung der Stromstärke. Da die beiden Teilzellen elektrisch in Reihe geschaltet sind, müssen sie den gleichen Strom liefern. Eine Erhöhung der Absorption in der vorderen Teilzelle kann die Anzahl der Photonen reduzieren, die die hintere Teilzelle erreichen, was potenziell den Strom der gesamten Zelle begrenzt. Die optimalen Absorberdicken hängen daher von den kombinierten optischen Erzeugungseigenschaften und den elektrischen Sammelleistungen beider Teilzellen ab, und nicht einfach nur von der Maximierung der Absorption in einem der Materialien.Ein wichtiger Aspekt beim Design von Tandem-Solarzellen ist die Abstimmung der Stromstärke. Da die beiden Teilzellen elektrisch in Reihe geschaltet sind, müssen sie den gleichen Strom liefern. Eine Erhöhung der Absorption in der vorderen Teilzelle kann die Anzahl der Photonen reduzieren, die die hintere Teilzelle erreichen, was potenziell den Strom der gesamten Zelle begrenzt. Die optimalen Absorberdicken hängen daher von den kombinierten optischen Erzeugungseigenschaften und den elektrischen Sammelleistungen beider Teilzellen ab, und nicht einfach nur von der Maximierung der Absorption in einem der Materialien.
Eine ausführlichere Erklärung der optischen Methode finden Sie im Tutorial zum Transfermatrixmodell und in der Theorie der Transfermatrix.Eine ausführlichere Erklärung der optischen Methode finden Sie im Tutorial zum Transfermatrixmodell und in der Theorie der Transfermatrix.
Die Datei siminfo.dat enthält Informationen über die optische Simulation, einschließlich des Photostroms und der Photostromdichte, wie in ?? dargestellt. Diese Werte stellen den maximalen theoretischen Strom dar, der erzeugt werden könnte, wenn 100 % der durch Licht erzeugten Ladungsträger an den Kontakten gesammelt würden, ohne dass es zu Rekombination oder Ladungstransportverlusten kommt. Sie bieten daher eine nützliche Obergrenze, anhand derer der elektrisch simulierte Kurzschlussstrom (JSC) verglichen werden kann.Die Datei siminfo.dat enthält Informationen über die optische Simulation, einschließlich des Photostroms und der Photostromdichte, wie in ?? dargestellt. Diese Werte stellen den maximalen theoretischen Strom dar, der erzeugt werden könnte, wenn 100 % der durch Licht erzeugten Ladungsträger an den Kontakten gesammelt würden, ohne dass es zu Rekombination oder Ladungstransportverlusten kommt. Sie bieten daher eine nützliche Obergrenze, anhand derer der elektrisch simulierte Kurzschlussstrom (JSC) verglichen werden kann.
9. Suns-Voc- und Suns-Jsc-Simulationen9. Suns-Voc- und Suns-Jsc-Simulationen
OghmaNano bietet verschiedene Simulationsmodi an, um zu untersuchen, wie ein Gerät auf unterschiedliche elektrische und optische Bedingungen reagiert. Diese können über das Menüband „Simulationstyp“ im Hauptfenster ausgewählt werden, wie in ?? dargestellt. Klicken Sie einfach auf den gewünschten Simulationsmodus und drücken Sie den blauen Button „Simulation starten“ oder F9, um die Berechnung durchzuführen.OghmaNano bietet verschiedene Simulationsmodi an, um zu untersuchen, wie ein Gerät auf unterschiedliche elektrische und optische Bedingungen reagiert. Diese können über das Menüband „Simulationstyp“ im Hauptfenster ausgewählt werden, wie in ?? dargestellt. Klicken Sie einfach auf den gewünschten Simulationsmodus und drücken Sie den blauen Button „Simulation starten“ oder F9, um die Berechnung durchzuführen.
Zwei besonders nützliche Simulationen für Solarzellen sind Suns-Voc und Suns-Jsc. Diese untersuchen, wie sich die Leerlaufspannung und die Kurzschlussstromdichte in Abhängigkeit von der Intensität der Beleuchtung verändern. Sie liefern ergänzende Informationen über die Erzeugung, Rekombination und Sammlung von Ladungsträgern innerhalb des Bauelements.Zwei besonders nützliche Simulationen für Solarzellen sind Suns-Voc und Suns-Jsc. Diese untersuchen, wie sich die Leerlaufspannung und die Kurzschlussstromdichte in Abhängigkeit von der Intensität der Beleuchtung verändern. Sie liefern ergänzende Informationen über die Erzeugung, Rekombination und Sammlung von Ladungsträgern innerhalb des Bauelements.
Die Suns-Voc-Simulation berechnet die Leerlaufspannung bei unterschiedlichen Beleuchtungsstärken. Im Leerlaufzustand ist der externe Strom null, daher muss die durch Licht erzeugte Ladung innerhalb des Bauelements durch Rekombination ausgeglichen werden. Mit zunehmender Beleuchtung steigt in der Regel die Konzentration der Ladungsträger, was zu einer größeren Trennung zwischen den quasi-Fermi-Niveaus von Elektronen und Löchern und somit zu einer höheren Leerlaufspannung führt.Die Suns-Voc-Simulation berechnet die Leerlaufspannung bei unterschiedlichen Beleuchtungsstärken. Im Leerlaufzustand ist der externe Strom null, daher muss die durch Licht erzeugte Ladung innerhalb des Bauelements durch Rekombination ausgeglichen werden. Mit zunehmender Beleuchtung steigt in der Regel die Konzentration der Ladungsträger, was zu einer größeren Trennung zwischen den quasi-Fermi-Niveaus von Elektronen und Löchern und somit zu einer höheren Leerlaufspannung führt.
Für eine einfache Leuchtdiode lässt sich die Beziehung zwischen Leerlaufspannung und Lichtintensität näherungsweise durch folgende Formel darstellen:Für eine einfache Leuchtdiode lässt sich die Beziehung zwischen Leerlaufspannung und Lichtintensität näherungsweise durch folgende Formel darstellen:
\[ V_{OC} = \frac{n_{\mathrm{id}}k_BT}{q} \ln\left( \frac{J_{\mathrm{ph}}}{J_0}+1 \right), \]wobei \(n_{\mathrm{id}}\) der Idealitätsfaktor der Diode, \(k_B\) die Boltzmann-Konstante, \(T\) die Temperatur, \(q\) die Elementarladung, \(J_{\mathrm{ph}}\) die durch Licht erzeugte Stromdichte und \(J_0\) die Dunkelsättigungsstromdichte ist. Da der durch Licht erzeugte Strom ungefähr proportional zur Lichtintensität ist, steigt die Leerlaufspannung im Allgemeinen logarithmisch mit der Anzahl der „Sonnen“ an.wobei \(n_{\mathrm{id}}\) der Idealitätsfaktor der Diode, \(k_B\) die Boltzmann-Konstante, \(T\) die Temperatur, \(q\) die Elementarladung, \(J_{\mathrm{ph}}\) die durch Licht erzeugte Stromdichte und \(J_0\) die Dunkelsättigungsstromdichte ist. Da der durch Licht erzeugte Strom ungefähr proportional zur Lichtintensität ist, steigt die Leerlaufspannung im Allgemeinen logarithmisch mit der Anzahl der „Sonnen“ an.
Bei einer Tandem-Solarzelle enthält die gemessene Spannung Beiträge von beiden photovoltaischen Teilzellen. Als erste Näherung lässt sich sagen,Bei einer Tandem-Solarzelle enthält die gemessene Spannung Beiträge von beiden photovoltaischen Teilzellen. Als erste Näherung lässt sich sagen,
\[ V_{OC,\mathrm{tandem}} \simeq V_{OC,1}+V_{OC,2}-V_{\mathrm{loss}}, \]wobei \(V_{\mathrm{loss}}\) jeden zusätzlichen Spannungsverlust darstellt, der mit der Verbindung einhergeht. Bei einer effizienten Rekombinationsverbindung ist dieser Verlust gering, sodass sich die Photospannungen der beiden Teilzellen addieren können.wobei \(V_{\mathrm{loss}}\) jeden zusätzlichen Spannungsverlust darstellt, der mit der Verbindung einhergeht. Bei einer effizienten Rekombinationsverbindung ist dieser Verlust gering, sodass sich die Photospannungen der beiden Teilzellen addieren können.
Die berechnete Kennlinie von Suns-Voc ist in ?? dargestellt. Die Spannung steigt von etwa 1,22 V bei geringer Beleuchtung auf etwa 1,39 V bei einer Sonnenbestrahlung. Die allmähliche Zunahme entspricht der erwarteten logarithmischen Abhängigkeit der Leerlaufspannung von der Photogenerierung. Es ist zu beachten, dass die Spannung auch bei reduzierter Beleuchtung relativ hoch bleibt, was die Beiträge beider Teilzellen widerspiegelt.Die berechnete Kennlinie von Suns-Voc ist in ?? dargestellt. Die Spannung steigt von etwa 1,22 V bei geringer Beleuchtung auf etwa 1,39 V bei einer Sonnenbestrahlung. Die allmähliche Zunahme entspricht der erwarteten logarithmischen Abhängigkeit der Leerlaufspannung von der Photogenerierung. Es ist zu beachten, dass die Spannung auch bei reduzierter Beleuchtung relativ hoch bleibt, was die Beiträge beider Teilzellen widerspiegelt.
Die Suns-Jsc-Simulation berechnet stattdessen die Stromdichte im Kurzschluss als Funktion der Beleuchtungsstärke. Im Kurzschlussfall beträgt die angelegte Spannung an den Anschlüssen null, und der gemessene Strom hängt von der Anzahl der durch Licht erzeugten Ladungsträger ab, die gesammelt werden können.Die Suns-Jsc-Simulation berechnet stattdessen die Stromdichte im Kurzschluss als Funktion der Beleuchtungsstärke. Im Kurzschlussfall beträgt die angelegte Spannung an den Anschlüssen null, und der gemessene Strom hängt von der Anzahl der durch Licht erzeugten Ladungsträger ab, die gesammelt werden können.
Wenn der Sammlungswirkungsgrad ungefähr konstant bleibt, ist die Kurzschlussstromdichte proportional zum einfallenden Photonenfluss. FolglichWenn der Sammlungswirkungsgrad ungefähr konstant bleibt, ist die Kurzschlussstromdichte proportional zum einfallenden Photonenfluss. Folglich
\[ |J_{SC}|\propto P_{\mathrm{sun}}, \]wobei \(P_{\mathrm{sun}}\) die relative Leuchtstärke ist, ausgedrückt in Sonnenlichteinheiten. Allgemeiner gesagt hängt der gemessene Photostrom von dem räumlichen Erzeugungsprofil und der Wahrscheinlichkeit ab, mit der durch Licht erzeugte Ladungsträger die Kontakte erreichen:wobei \(P_{\mathrm{sun}}\) die relative Leuchtstärke ist, ausgedrückt in Sonnenlichteinheiten. Allgemeiner gesagt hängt der gemessene Photostrom von dem räumlichen Erzeugungsprofil und der Wahrscheinlichkeit ab, mit der durch Licht erzeugte Ladungsträger die Kontakte erreichen:
\[ |J_{SC}| \simeq q\int G(y)\eta_{\mathrm{col}}(y)\,dy, \]wobei \(G(y)\) die lokale Photogenerierungsrate und \(\eta_{\mathrm{col}}(y)\) eine effektive, von der Position abhängige Sammlungseffizienz darstellt.wobei \(G(y)\) die lokale Photogenerierungsrate und \(\eta_{\mathrm{col}}(y)\) eine effektive, von der Position abhängige Sammlungseffizienz darstellt.
Die Leistung der Suns-Jsc-Zelle ist in ?? dargestellt, und die entsprechende Kennlinie ist in ?? zu sehen. Die berechnete Stromdichte nimmt mit zunehmender Beleuchtungsstärke nahezu linear zu und erreicht bei einer neunfachen Sonnenbestrahlung etwa 8 A m−2. Das negative Vorzeichen in der grafischen Darstellung des Stroms spiegelt die vom Solver verwendete Konvention für den photovoltaischen Strom wider.Die Leistung der Suns-Jsc-Zelle ist in ?? dargestellt, und die entsprechende Kennlinie ist in ?? zu sehen. Die berechnete Stromdichte nimmt mit zunehmender Beleuchtungsstärke nahezu linear zu und erreicht bei einer neunfachen Sonnenbestrahlung etwa 8 A m−2. Das negative Vorzeichen in der grafischen Darstellung des Stroms spiegelt die vom Solver verwendete Konvention für den photovoltaischen Strom wider.
suns_jsc.csv, um den berechneten Kurzschlussstrom zu überprüfen.Registerkarten-Ansicht nach der Ausführung der Suns-Jsc-Simulation. Doppelklicken Sie auf suns_jsc.csv, um den berechneten Kurzschlussstrom zu überprüfen.
Die beiden Simulationen verdeutlichen unterschiedliche Aspekte des Tandembetriebs. Suns-Voc reagiert besonders empfindlich auf die Rekombinationsprozesse, die die erreichbare Photospannung bestimmen, während Suns-Jsc Informationen über die Photogenerierung und die Ladungssammlung liefert. Da die beiden Teilzellen in Reihe geschaltet sind, müssen sie den gleichen Strom führen, wodurch der von der gesamten Tandemzelle erzeugte Strom durch die elektrischen und optischen Eigenschaften beider Absorber begrenzt wird. Zusammen bieten diese Berechnungen eine nützliche Methode, um das Verhalten der Tandemzelle unter verschiedenen Beleuchtungsbedingungen zu untersuchen.Die beiden Simulationen verdeutlichen unterschiedliche Aspekte des Tandembetriebs. Suns-Voc reagiert besonders empfindlich auf die Rekombinationsprozesse, die die erreichbare Photospannung bestimmen, während Suns-Jsc Informationen über die Photogenerierung und die Ladungssammlung liefert. Da die beiden Teilzellen in Reihe geschaltet sind, müssen sie den gleichen Strom führen, wodurch der von der gesamten Tandemzelle erzeugte Strom durch die elektrischen und optischen Eigenschaften beider Absorber begrenzt wird. Zusammen bieten diese Berechnungen eine nützliche Methode, um das Verhalten der Tandemzelle unter verschiedenen Beleuchtungsbedingungen zu untersuchen.
12. Empfohlene Untersuchungen12. Empfohlene Untersuchungen
Die wichtigste Erkenntnis ist, dass die optische Stapelung und die elektrische Verbindung zusammen gelöst werden müssen. Die vordere Schicht formt das Spektrum, das die hintere Schicht erreicht, während die Rekombinationsgrenze mit vernachlässigbarer Dicke die Elektronentransport- und Lochtransportprozesse beider Schichten koppelt, ohne dass eine zusätzliche elektrische Zwischenschicht erforderlich ist.Die wichtigste Erkenntnis ist, dass die optische Stapelung und die elektrische Verbindung zusammen gelöst werden müssen. Die vordere Schicht formt das Spektrum, das die hintere Schicht erreicht, während die Rekombinationsgrenze mit vernachlässigbarer Dicke die Elektronentransport- und Lochtransportprozesse beider Schichten koppelt, ohne dass eine zusätzliche elektrische Zwischenschicht erforderlich ist.