Anleitung zur Perowskit-Solarzelle – Simulation der EQE (Quanteneffizienz)

1. Einleitung

2. Vorbereitung einer Simulation für die EQE

Beginnen Sie, indem Sie OghmaNano starten. Klicken Sie im Hauptfenster auf „Neue Simulation“. Die Bibliothek der verfügbaren Gerätetypen wird wie in ?? dargestellt angezeigt. Doppelklicken Sie auf die Kategorie „Perowskit-Zellen“, um auf Beispielgeräte zuzugreifen. Im Perowskit-Ordner sehen Sie eine Reihe von vorab erstellten Beispielsimulationen, wie z. B. MAPbI₃-Geräte und Varianten mit ionischen Effekten (eingefrorene Ionen, CELIV usw.). Wählen Sie das Beispiel „Perowskit-Solarzelle – eingefrorene Ionen (MAPI)“ aus, wie in ?? dargestellt.

💡 Tipp: Achten Sie darauf, dass Sie die Perowskit-Solarzelle – gefrorene Ionen (MAPI) – auswählen. Der Aspekt der „gefrorenen Ionen“ ist wichtig und wird später erläutert.

Bevor Sie die Simulation starten, gehen Sie zum Reiter „Simulationstyp“ und ändern Sie den Standardmodus von „Perowskit-Hysterese“ auf „EQE-Modus“. Dadurch wird die Simulation so eingestellt, dass sie bereit ist, EQE-Berechnungen durchzuführen.

3. Durchführung der Simulation

Sobald Sie den Simulationsmodus auf geändert haben: EQEGehen Sie zum Reiter „Datei“. Drücken Sie die Taste Simulation starten Button (blaues Abspiel-Symbol) oder drücken F9 um die Berechnung durchzuführen. Wenn die Berechnung abgeschlossen ist, gehen Sie zu Ausgabe In diesem Tab werden die Dateien angezeigt, die durch die EQE-Simulation erstellt wurden.

Sobald die Simulation abgeschlossen ist, gehen Sie zum Reiter „Ausgabe“. Doppelklicken Sie auf eqe.csv, um eine Grafik der Wellenlänge in Abhängigkeit von der EQE (siehe ??) anzuzeigen. Wenn Sie auf E_eqe.csv doppelklicken, wird eine Grafik der Photonenergie in Abhängigkeit von der EQE angezeigt (siehe ??).

Im Grunde genommen benötigen Sie nur dies, um EQE-Simulationen durchzuführen. Die gleiche Methode funktioniert für jede Art von Bauelement (z. B. Silizium- oder organische Solarzellen): Klicken Sie einfach auf die EQE-Schaltfläche, führen Sie die Simulation aus, und das EQE-Spektrum wird generiert. Da dieses Tutorial eine Perowskit-Solarzelle mit mobilen Ionen verwendet, gibt es ein paar zusätzliche Details, die zu beachten sind. Lesen Sie weiter, wenn Sie die Details verstehen möchten.

4. Einige weitere Details.

Wenn Sie die Wiedergabetaste drücken und den EQE-Solver starten, werden drei Schritte ausgeführt. Schritt 1: Das Gerät wird auf die gewünschte Sperrspannung hochgefahren, bei der die EQE gemessen wird (diese Spannung können Sie im EQE-Editor einstellen: Hauptfenster → Editoren → EQE → EQE-Spannung). Schritt 2: Der optische Solver wird über den interessierenden Wellenlängenbereich ausgeführt, um die Photonverteilung im Gerät zu berechnen (siehe ??). Schritt 3: Die EQE-Berechnung selbst wird unter Verwendung dieser optischen Ergebnisse bei der Zielspannung durchgeführt (siehe ??). Sie können diese verschiedenen Phasen der Berechnung beobachten, wenn Sie den Solver ausführen.

Die Spannung, bei der die EQE-Simulation durchgeführt wird, kann im EQE-Editor eingestellt werden (siehe ??). Hier definiert der EQE-Spannungsparameter die für die Berechnung verwendete Vorspannung, und der Editor wird über die Registerkartenleiste „Editoren“ im Hauptfenster aufgerufen. Der Vorteil der Durchführung der EQE-Simulation bei einer negativeren Spannung besteht darin, dass die Auswirkungen der Trägerrekombination minimiert werden. Je näher man an Null Volt herankommt und insbesondere bei einer Durchlassvorspannung, desto mehr Rekombination wird in die Simulation einbezogen. In diesem Bereich ist das Ergebnis nicht mehr ein präzises Maß für die intrinsische EQE.

5. Externe Quanteneffizienz in Perowskit-Solarzellen

Perowskit-Solarzellen enthalten bewegliche Ionen, daher verändert jede Messung die Ionenverteilung und macht Parameter wie EQE, JSC oder VOC von der bisherigen Vorgeschichte abhängig. In der Praxis ist die übliche Vorgehensweise, das Gerät auf eine bestimmte Spannung hochzufahren, die Ionen sich stabilisieren zu lassen und dann die Messung durchzuführen. In dieser Simulation reproduzieren wir dieses Verfahren: Die Ionen können sich während des Anfahrens frei bewegen, werden dann eingefroren, sobald die Zielspannung erreicht ist, und die EQE wird schnell berechnet, sodass die Ionenverteilung nicht weiter gestört wird. Dies entspricht der bewährten Praxis in diesem Bereich, bei der die EQE nach der Stabilisierung und unter einer definierten Spannungsgeschichte gemessen wird, wie in den Richtlinien der Fachgemeinschaft ( Khenkin et al., Nat. Energy 2020) und in internationalen PV-Normen wie IEC 60904 empfohlen.

Bei Perowskiten mit mobilen Ionen können Parameter wie EQE (Quanteneffizienz) und Wirkungsgrad von der Spannungsverlaufshistorie des Bauelements abhängen. Es gibt zwei praktikable Möglichkeiten, um eine konstante EQE zu erzielen: (i) die Berechnung der mobilen Ionen vorübergehend vollständig deaktivieren (siehe den Reiter „Elektrisch“) oder (ii) die Ionen während der Anstiegsphase der Vorspannung mobil halten, damit sie sich entspannen, und sie erst während der EQE-Berechnung „einfrieren“. Letzteres wird über den Editor für die Drift-Diffusions-Mikrocode gesteuert (siehe ??).

In der Praxis gibt es in OghmaNano zwei Möglichkeiten, mit mobilen Ionen umzugehen, wenn eine EQE-Berechnung durchgeführt wird. Die erste besteht darin, den Solver für mobile Ionen vollständig zu deaktivieren. Dies kann im Hauptfenster über die Registerkarte „Electrical“ erfolgen, indem man die Schaltfläche „Perowskit-Ionensolver“ deaktiviert, die sich direkt unter dem in ?? gezeigten Menü befindet. Der Nachteil dieses Ansatzes ist, dass er die Bewegung der Ionen vollständig ignoriert.

Die zweite, und subtilere Methode besteht darin, die Ionen während der langsamen Spannungsänderung weiterhin beweglich zu lassen, sodass sie sich in einer quasi-gleichgewichtigen Verteilung stabilisieren, und sie erst dann „einzufrieren“, wenn die EQE-Messung selbst beginnt. Dies entspricht dem experimentellen Anlegen einer langsamen negativen Spannungsänderung, damit sich die Ionen setzen können, und anschließend der sehr schnellen Messung der EQE, bevor die Ionen Zeit haben, sich zu bewegen. In der bereitgestellten Simulation wird dies standardmäßig über ein kleines Lua-Skript durchgeführt.

Um dieses Verhalten anzuzeigen oder zu bearbeiten, gehen Sie zum Reiter „Elektrisch“, öffnen Sie das Menü rechts neben der Schaltfläche „Drift-Diffusion“ und klicken Sie auf „Mikrocode bearbeiten“ (siehe ??). Dadurch wird das Skripteditorfenster (??) geöffnet, in dem der Lua-Code angezeigt wird, der den Solver steuert. Die wichtigsten Zeilen schalten den Ionensolver jedes Mal ab, wenn die EQE-Berechnung ausgeführt wird, aktivieren ihn aber während der Spannungsrampe. Dadurch wird sichergestellt, dass die Ionen das Gleichgewicht erreichen, bevor die EQE berechnet wird, was zu konsistenten und physikalisch realistischen Ergebnissen führt. Derselbe Trick kann auch auf JV-Kurven oder andere Experimente angewendet werden.