Suns–Jsc-Tutorial: Ermittlung des Skalierungsfaktors für den Kurzschlussstrom aus der Intensität der Beleuchtung

Einleitung

Suns–Jsc ist das Gegenstück zu Suns–Voc, wobei anstelle der Leerlaufspannung die Kurzschlussstromdichte Jsc als Funktion der Beleuchtungsintensität (Suns) gemessen wird. Da Jsc im Idealfall direkt proportional zur Photogenerierung ist, wird diese Methode häufig verwendet, um die Sammlungseffizienz zu überprüfen, die Stromsättigung zu bestimmen und die Auswirkungen von Rekombination oder Transportengpässen bei starker Beleuchtung zu untersuchen.

In einem idealen Bauelement mit effizienter Ladungsextraktion sollte der Kurzschlussstrom (Jsc) linear mit der einfallenden Lichtintensität (Suns) ansteigen. Abweichungen von dieser Linearität – wie beispielsweise ein sublinearer Anstieg bei hoher Intensität – deuten auf Rekombinationsverluste, eine geringe Ladungsträgermobilität oder Einschränkungen durch den Reihenwiderstand hin. Ein überlinearer Verlauf bei sehr niedriger Intensität kann auf die Füllung von Fallenstellen oder eine photokonduktive Verstärkung hindeuten.

In der Praxis wird die Suns–Jsc-Messung durchgeführt, indem die Lichtintensität über einen gewählten Bereich (z. B. 0,01–10 Suns) variiert wird, während das Gerät in einem Kurzschlusszustand gehalten wird. OghmaNano speichert die Ergebnisse in suns_jsc.csv, aus denen sich durch grafische Darstellung erkennen lässt, wie gut das Gerät die Effizienz der Ladungsträgererzeugung über verschiedene Größenordnungen der Beleuchtung aufrechterhält. Durch Anpassung der Steigung auf einer logarithmischen Skala lässt sich bestimmen, ob die Skalierung linear ist (α ≈ 1) oder durch Rekombinations-/Transporteffekte begrenzt wird.

Die Analyse der Kennlinie „Suns–Jsc“ ist daher eine sinnvolle Ergänzung zu den Messungen von „JV“ und „Suns–Voc“, da sie die Prozesse der Stromerzeugung isoliert und aufzeigt, wann die Extraktion oder der Transport von Ladungsträgern zum limitierenden Faktor wird.

Schritt 1: Erstellen einer neuen Simulation

Doppelklicken Sie in dem neuen Simulationsfenster (??) auf die Kategorie „Perowskit-Zellen“, wählen Sie dann „Perowskit-Solarzelle (MAPI)“ (??) aus und speichern Sie das Projekt auf der Festplatte. Obwohl dieses Tutorial das MAPI-Beispiel verwendet, gilt das Verfahren „Suns–Jsc“ für jede Solarzellenstruktur, da es lediglich die Lichtintensität variiert und die resultierende Jsc misst.

Schritt 2: Auswahl des Simulationsmodus

Nach dem Speichern öffnet sich das Hauptfenster der Simulation. Schalten Sie den Simulator in den Modus „Suns–Jsc“, indem Sie zu „Simulationstyp“ gehen und auf die Schaltfläche „Suns–Jsc“ klicken, sodass sie gedrückt erscheint (??). Wenn Sie die Simulation in diesem Modus ausführen, wird eine „Suns–Jsc“-Kurve generiert.

Um das Suns–Jsc-Experiment zu konfigurieren, öffnen Sie die Registerkartenleiste „Editoren“ und wählen Sie „Suns–Jsc“ aus (hier nicht dargestellt). Dadurch wird das Konfigurationsfenster (??) geöffnet, in dem Sie die Anfangsintensität, die Endintensität (in „Suns“) und den Schrittmultiplikator einstellen können. Der Schrittmultiplikator (z. B. 1,2) skaliert die Intensität logarithmisch, was die Analyse der Jsc-Skalierung in logarithmischen Diagrammen erleichtert. Beispielsweise beträgt die Endintensität hier 1,1 „Suns“, in der Praxis könnte man sie jedoch auf etwa 10 „Suns“ erhöhen, um die Sättigung zu testen. Die Standardeinstellungen sind in der Regel für einen ersten Test ausreichend.

Schritt 3: Die Ergebnisse überprüfen

Nachdem Sie die Einstellungen vorgenommen haben, kehren Sie zum Hauptfenster zurück und klicken Sie auf Abspielen (oder drücken Sie) F9). Wenn die Ausführung abgeschlossen ist, öffnen Sie die Ausgabe Tabulator??) und suchen suns_jsc.csvWenn Sie diese Datei öffnen, wird Folgendes angezeigt: Suns gegen Jsc Handlung??).

Sie haben nun eine Simulation mit dem Suns-Jsc-Modell durchgeführt und die charakteristische Kurve erstellt. Diese Kurve zeigt, wie sich der Photostrom in Abhängigkeit von der Lichtintensität verhält, und ermöglicht so eine direkte Überprüfung der Sammlungseffizienz und möglicher Sättigungseffekte. Um Ihr Verständnis zu vertiefen, experimentieren Sie mit den elektrischen Parametern: Änderungen bei den Fallen, Rekombinationsraten oder der Beweglichkeit werden das Skalierungsverhalten deutlich beeinflussen.