Perowskit-Solarzelle (PSC) – Tutorial, Teil D: Parasitäre Komponenten und Kennlinie im Dunkeln

1. Parasitäre Effekte in Perowskit-Bauelementen

Die Drift-Diffusions-Modellierung liefert ein detailliertes Bild des Perowskit-Absorbers, in dem sowohl Elektronen als auch Löcher vorhanden sind und Rekombination, Einfang und photogenerierte Ladungsträger entstehen. Reale Perowskit-Solarzellen weisen jedoch auch nichtideales Verhalten auf, das durch ihre Transportschichten, Kontakte und Fertigungsfehler verursacht wird. Diese Effekte äußern sich als parasitäre Komponenten, die die Strom-Spannungs-Kennlinie verändern.

Eine der häufigsten parasitären Eigenschaften ist der Reihenwiderstand (Rs), der durch die begrenzte Leitfähigkeit der transparenten Elektrode (z. B. FTO), der Ladungstransportschichten wie TiO₂ oder Spiro-OMeTAD sowie durch die Verdrahtung und den Flächenwiderstand entsteht. Er beeinflusst hauptsächlich den Hochspannungsbereich der Strom-Spannungs-Kennlinie (JV-Kurve), wo der Strom zu sinken beginnt, was den Füllfaktor verringert und den maximalen Leistungspunkt reduziert.

Ein weiterer wichtiger Verlustfaktor ist der Nebenschlusswiderstand (Rshunt). Dieser stellt Leckagepfade dar, die das aktive Perowskitmaterial umgehen und oft durch Mikropore, Rauheit, unvollständige Abdeckung oder Verarbeitungsfehler verursacht werden. In einer J-V-Kurve zeigt sich der Nebenschluss als eine abgeflachte Steigung um 0 V, was zu einer Verringerung des Kurzschlussstroms (JSC), des Füllfaktors und der Stabilität des Bauelements führt.

Diese Beiträge werden in einem kompakten äquivalenten Schaltungsmodell zusammengefasst, das in ?? dargestellt ist. Hier ist die Drift-Diffusionsdiode (die das Perowskitmaterial repräsentiert) parallel zu Rshunt und in Reihe zu Rs geschaltet. Optional kann ein Kapazitätsterm hinzugefügt werden, um die geometrische Kapazität zu beschreiben, die bei transienten Studien eine wichtige Rolle spielt.

In OghmaNano werden parasitäre Effekte mithilfe des Editors für parasitäre Komponenten bearbeitet, der unter dem Menüband „Elektrisch“ verfügbar ist (siehe ??). Der Wert für den Nebenschlusswiderstand wird als flächennormalisierter Wert (Ω·m²) eingegeben, sodass sich der effektive Leckstrom mit der Größe des Bauelements ändert. Der Reihenwiderstand wird als Gesamtwert in Ohm (Ω) angegeben, unabhängig von der Fläche. Zusammen ermöglichen Rs und Rshunt die Nachbildung der wichtigsten nichtidealen Eigenschaften, die reale MAPbI₃-Bauelemente in Experimenten aufweisen.

2. Analyse von Perowskit-Bauelementen im Dunkeln

Bisher wurde jede Simulation unter Verwendung des AM1.5G-Spektrums durchgeführt. Das ist sinnvoll, wenn das Ziel darin besteht, die Leistung vorherzusagen, aber Forscher im Bereich der Solarzellen wissen, dass dunkle Strom-Spannungs-Kurven oft tiefere Einblicke liefern. Die Messung oder Simulation eines Bauelements ohne Licht eliminiert den Photostrom und isoliert die elektronischen Verluste des Halbleiterbauelements. In vielen Fällen liefert die dunkle Kurve mehr Aufschluss als die bei Licht gemessene, wenn es darum geht, die Ursache dafür zu ermitteln, warum eine Perowskit-Solarzelle ihre theoretische Leistung nicht erreicht.

In dieser Übung ermitteln Sie Rshunt und Rs direkt aus einer Strom-Spannungs-Kennlinie im Dunkeln. Um die Beleuchtung in OghmaNano auszuschalten, gehen Sie zu „Optisches Band“ → „Lichtintensität (in Sonnenwerten)“ und setzen Sie den Wert auf 0,0. Die grünen Photonenmarker im 3D-Gerätebedienfeld verschwinden, was bestätigt, dass das Modell unter Dunkelbedingungen ausgeführt wird (??).

Betrachten wir nun, wie parasitäre Widerstände die Kurve beeinflussen. Beginnen wir mit R_{Umleitung, Nebenschluss, abzweigen} stellen Sie einen sehr hohen Wert ein (z. B. 1 MΩ·m²) und führen Sie eine Messreihe durch. Reduzieren Sie ihn dann auf einen niedrigen Wert (z. B. 1 Ω·m²). Vergleichen Sie, wie sich die Steigung in der Nähe des Ursprungs verändert: ein niedriger Nebenschlusswiderstand führt zu Leckströmen und reduziert V._OCAls Nächstes anpassen. R_s: Stellen Sie es zunächst auf 0 Ω ein und erhöhen Sie den Wert dann auf 20 Ω. Vergleichen Sie die Änderungen der Spannungsabfallkurve bei Durchlassvorspannung und des Füllfaktors. Tragen Sie die Ergebnisse in einem Diagramm mit linearer x- und logarithmischer y-Achse auf.l) um die Änderungen deutlicher hervorzuheben. Abbildung ?? hervor, welche Bereiche der dunklen JV-Kurve auf Kurzschlussstrom, Rekombination und Reihenwiderstand zurückzuführen sind. Denken Sie daran: Rekombinationsverluste im Bereich mittlerer Spannung werden nicht durch R beeinflusst._{Umleitung, Nebenschluss, abzweigen} oder R_s; dazu müssen die Rekombinationsparameter angepasst werden, was wir später behandeln werden.