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Simulation einer Perowskit/Silizium-Tandem-Solarzelle unter Berücksichtigung der Rekombination an der GrenzflächeSimulation einer Perowskit/Silizium-Tandem-Solarzelle unter Berücksichtigung der Rekombination an der Grenzfläche

1. Einleitung: Warum sollten Perowskit und Silizium kombiniert werden?1. Einleitung: Warum sollten Perowskit und Silizium kombiniert werden?

Illustration of a perovskite-on-silicon tandem solar cell and its optical and electrical responses.
Eine Perowskit-Solarzelle mit breiter Bandlücke als obere Zelle, die auf eine Silizium-Solarzelle als untere Zelle aufgebracht ist.Eine Perowskit-Solarzelle mit breiter Bandlücke als obere Zelle, die auf eine Silizium-Solarzelle als untere Zelle aufgebracht ist.

Eine Perowskit/Silizium-Tandem-Solarzelle kombiniert einen Perowskit-Absorber mit einer großen Bandlücke mit einem kristallinen Silizium-Absorber mit einer kleineren Bandlücke. Das Perowskit absorbiert hochenergetische Photonen, während das durch die obere Zelle hindurchtretende Licht vom Silizium absorbiert werden kann. Dadurch kann das Sonnenspektrum effizienter genutzt werden, als wenn jede der beiden Teilzellen einzeln verwendet würde.Eine Perowskit/Silizium-Tandem-Solarzelle kombiniert einen Perowskit-Absorber mit einer großen Bandlücke mit einem kristallinen Silizium-Absorber mit einer kleineren Bandlücke. Das Perowskit absorbiert hochenergetische Photonen, während das durch die obere Zelle hindurchtretende Licht vom Silizium absorbiert werden kann. Dadurch kann das Sonnenspektrum effizienter genutzt werden, als wenn jede der beiden Teilzellen einzeln verwendet würde.

Dieses Beispiel zeigt eine monolithische, zweipolige (2T-)Tandemzelle. Die beiden Teilzellen führen einen gemeinsamen Strom, während ihre Photospannungen zum Gesamtergebnis beitragen. Anstatt eine dünne, explizit definierte Verbindungshalbleiterschicht zu verwenden, nutzt die Simulation eine Grenzschicht mit vernachlässigbarer Dicke, an der eine Oberflächenrekombination zwischen den Perowskit- und Siliziumbereichen stattfindet.Dieses Beispiel zeigt eine monolithische, zweipolige (2T-)Tandemzelle. Die beiden Teilzellen führen einen gemeinsamen Strom, während ihre Photospannungen zum Gesamtergebnis beitragen. Anstatt eine dünne, explizit definierte Verbindungshalbleiterschicht zu verwenden, nutzt die Simulation eine Grenzschicht mit vernachlässigbarer Dicke, an der eine Oberflächenrekombination zwischen den Perowskit- und Siliziumbereichen stattfindet.

Die vorliegende Struktur ist eher ein vereinfachtes Lehrmodell als ein vollständig optimiertes, industriell gefertigtes Perowskit-/Silizium-Bauelement. Die effektiven Kontakt-, Rekombinations- und Bandparameter sind so gewählt, dass sie veranschaulichen, wie die elektrische Verbindung und die optische Erzeugung zusammenwirken.Die vorliegende Struktur ist eher ein vereinfachtes Lehrmodell als ein vollständig optimiertes, industriell gefertigtes Perowskit-/Silizium-Bauelement. Die effektiven Kontakt-, Rekombinations- und Bandparameter sind so gewählt, dass sie veranschaulichen, wie die elektrische Verbindung und die optische Erzeugung zusammenwirken.

💡 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. Betrachtung eines Beispiels für eine Perowskit/Silizium-Tandemzelle2. Betrachtung eines Beispiels für eine Perowskit/Silizium-Tandemzelle

Starten Sie OghmaNano und wählen Sie „Neue Simulation“ (??). Wählen Sie bei den Perowskit-Beispielen die Option „Tandem-Silizium-Perowskit-Zelle (Grenzflächenrekombinationsschicht)“ aus, die in ?? dargestellt ist. Verwechseln Sie dies nicht mit dem separaten Beispiel für eine Volumenrekombinationsschicht, bei dem eine elektrisch aufgelöste Zwischenschicht verwendet wird.Starten Sie OghmaNano und wählen Sie „Neue Simulation“ (??). Wählen Sie bei den Perowskit-Beispielen die Option „Tandem-Silizium-Perowskit-Zelle (Grenzflächenrekombinationsschicht)“ aus, die in ?? dargestellt ist. Verwechseln Sie dies nicht mit dem separaten Beispiel für eine Volumenrekombinationsschicht, bei dem eine elektrisch aufgelöste Zwischenschicht verwendet wird.

New simulation browser in OghmaNano.
Öffnen Sie das Fenster „Neue Simulation“.Öffnen Sie das Fenster „Neue Simulation“.
Selecting the perovskite/silicon tandem interface recombination example.
Wählen Sie das Beispiel für die Rekombinationsschicht an der Perowskit-/Silizium-Grenzfläche aus.Wählen Sie das Beispiel für die Rekombinationsschicht an der Perowskit-/Silizium-Grenzfläche aus.

Speichern Sie eine Kopie, bevor Sie Parameter ändern. Über das Menüband „Elektrisch“ können Sie auf die Editoren für Ebenen, Kontakte und Schnittstellen zugreifen. Die verfügbaren Simulationsmodi können über das Menüband „Simulationstyp“ (??) ausgewählt werden.Speichern Sie eine Kopie, bevor Sie Parameter ändern. Über das Menüband „Elektrisch“ können Sie auf die Editoren für Ebenen, Kontakte und Schnittstellen zugreifen. Die verfügbaren Simulationsmodi können über das Menüband „Simulationstyp“ (??) ausgewählt werden.

💡 Tipp: Für eine optimale Leistung speichern Sie die Simulation auf einem lokalen Laufwerk, z. B. C:\. Netzwerkordner, USB-Laufwerke und synchronisierte Cloud-Ordner können aufgrund häufiger Lese- und Schreibvorgänge langsamer sein.💡 Tipp: Für eine optimale Leistung speichern Sie die Simulation auf einem lokalen Laufwerk, z. B. C:\. Netzwerkordner, USB-Laufwerke und synchronisierte Cloud-Ordner können aufgrund häufiger Lese- und Schreibvorgänge langsamer sein.

3. Aufbau des Geräts und Durchführung der Tandem-Simulation3. Aufbau des Geräts und Durchführung der Tandem-Simulation

Die dreidimensionale Perowskit/Silizium-Bauelementstruktur ist in ?? dargestellt. Das Beispiel besteht aus fünf Schichten, darunter eine 500 nm dicke Perowskit-Oberschicht als Absorber und eine 10 µm dicke Silizium-Unterschicht als Absorber. Die beiden aktiven Halbleiterbereiche sind durch eine grenzüberschreitende Rekombinationszone miteinander verbunden.Die dreidimensionale Perowskit/Silizium-Bauelementstruktur ist in ?? dargestellt. Das Beispiel besteht aus fünf Schichten, darunter eine 500 nm dicke Perowskit-Oberschicht als Absorber und eine 10 µm dicke Silizium-Unterschicht als Absorber. Die beiden aktiven Halbleiterbereiche sind durch eine grenzüberschreitende Rekombinationszone miteinander verbunden.

Klicken Sie in der Multifunktionsleiste unter „Layers“, um den Layer-Editor zu öffnen, wie in ?? dargestellt. Aktive Layer werden in die Drift-Diffusions-Berechnung einbezogen. Andere Layer bleiben im optischen Stapel erhalten, werden aber nicht als separate elektrische Halbleiterbereiche berechnet. Kontaktschichten dienen zur Festlegung elektrischer Randbedingungen und können auch im optischen Stapel dargestellt werden. Die Kontakte müssen sich auf den entsprechenden Seiten des aktiven Stapels befinden.Klicken Sie in der Multifunktionsleiste unter „Layers“, um den Layer-Editor zu öffnen, wie in ?? dargestellt. Aktive Layer werden in die Drift-Diffusions-Berechnung einbezogen. Andere Layer bleiben im optischen Stapel erhalten, werden aber nicht als separate elektrische Halbleiterbereiche berechnet. Kontaktschichten dienen zur Festlegung elektrischer Randbedingungen und können auch im optischen Stapel dargestellt werden. Die Kontakte müssen sich auf den entsprechenden Seiten des aktiven Stapels befinden.

Schicht (von vorne nach hinten)Schicht (von vorne nach hinten)DickeDickeElektrotechnische Funktion/AufgabeElektrotechnische Funktion/Aufgabe
Vordere Kontaktfläche (optische Schicht)Vordere Kontaktfläche (optische Schicht)110 Nanometer110 NanometerSonstiges: optisch erkennbar, jedoch keine definierte Halbleiterregion.Sonstiges: optisch erkennbar, jedoch keine definierte Halbleiterregion.
Vorderer KontaktpunktVorderer Kontaktpunkt40 Nanometer40 NanometerKontakt: Definiert die vordere elektrische Randbedingung.Kontakt: Definiert die vordere elektrische Randbedingung.
PerowskitPerowskit500 Nanometer500 NanometerAktiv: Breitband-Absorber für den oberen Frequenzbereich.Aktiv: Breitband-Absorber für den oberen Frequenzbereich.
SiliziumSilizium10 Mikrometer10 MikrometerAktiv: Stoßdämpfer mit geringerem Abstand zum Fahrzeugboden.Aktiv: Stoßdämpfer mit geringerem Abstand zum Fahrzeugboden.
Hinterer KontaktpunktHinterer Kontaktpunkt500 Nanometer500 NanometerKontakt: Definiert die elektrische Randbedingung an der Rückseite.Kontakt: Definiert die elektrische Randbedingung an der Rückseite.

Starten Sie die Simulation mit dem blauen Button „Simulation starten“ oder mit der Taste F9. Das Terminal zeigt den Fortschritt des Newton-Solvers an (??). In diesem speziellen Beispiel wird ein Profil zur Generierung einer Transfermatrix für die elektrische J-V-Berechnung verwendet, wobei die angelegte Spannung von -0,1 bis 2,4 V variiert wird.Starten Sie die Simulation mit dem blauen Button „Simulation starten“ oder mit der Taste F9. Das Terminal zeigt den Fortschritt des Newton-Solvers an (??). In diesem speziellen Beispiel wird ein Profil zur Generierung einer Transfermatrix für die elektrische J-V-Berechnung verwendet, wobei die angelegte Spannung von -0,1 bis 2,4 V variiert wird.

Three-dimensional representation of the perovskite/silicon tandem solar cell.
Dreidimensionale Darstellung der Perowskit/Silizium-Tandem-Solarzelle, die die beiden aktiven Absorberschichten zeigt.Dreidimensionale Darstellung der Perowskit/Silizium-Tandem-Solarzelle, die die beiden aktiven Absorberschichten zeigt.
Layer editor showing the five-layer perovskite/silicon tandem structure.
Der Layer-Editor zeigt die Materialien und Schichtdicken des Bauelements an.Der Layer-Editor zeigt die Materialien und Schichtdicken des Bauelements an.
Numerical solver running the perovskite/silicon tandem simulation.
Der Newton-Algorithmus führt die J-V-Messung für die Perowskit/Silizium-Tandemzelle durch.Der Newton-Algorithmus führt die J-V-Messung für die Perowskit/Silizium-Tandemzelle durch.

💡 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. In dem bereitgestellten Beispiel beträgt die angegebene Leerlaufspannung (VOC) etwa 1,71 V, der Kurzschlussstrom (JSC) etwa −72,4 A m−2 (−7,24 mA cm−2), der Füllfaktor etwa 0,402 und der Wirkungsgrad der Energieumwandlung etwa 4,97 %. Dies sind Demonstrationsergebnisse und keine experimentell bestätigten Leistungswerte.Doppelklicken Sie auf sim_info.dat, um die Simulationsinformationen (??) zu öffnen. Diese Datei enthält Informationen über die berechnete Leistung des Geräts und die Simulationseinstellungen. In dem bereitgestellten Beispiel beträgt die angegebene Leerlaufspannung (VOC) etwa 1,71 V, der Kurzschlussstrom (JSC) etwa −72,4 A m−2 (−7,24 mA cm−2), der Füllfaktor etwa 0,402 und der Wirkungsgrad der Energieumwandlung etwa 4,97 %. Dies sind Demonstrationsergebnisse und keine experimentell bestätigten Leistungswerte.

Output tab showing files generated by the completed simulation.
Der Reiter „Ausgabe“ zeigt die Dateien an, die durch die Simulation erstellt wurden.Der Reiter „Ausgabe“ zeigt die Dateien an, die durch die Simulation erstellt wurden.
Calculated current-voltage characteristic of the tandem solar cell.
Berechnete J-V-Kennlinie, die durch Doppelklicken auf jv.csv abgerufen wird.Berechnete J-V-Kennlinie, die durch Doppelklicken auf jv.csv abgerufen wird.
Simulation information and calculated performance parameters.
Simulationsdaten und Leistungsparameter, entnommen aus sim_info.dat.Simulationsdaten und Leistungsparameter, entnommen aus sim_info.dat.

4. Elektrische Parameter und Volumenrekombination4. Elektrische Parameter und Volumenrekombination

Klicken Sie im Hauptfenster von OghmaNano auf „Elektrische Parameter“, um die Trägerbeweglichkeit, die effektive Zustandsdichte, die Bandlücke und die Elektronenaffinität zu überprüfen. Die beiden Registerkarten für die Perowskit- und Siliziumbereiche sind in ?? und ?? dargestellt.Klicken Sie im Hauptfenster von OghmaNano auf „Elektrische Parameter“, um die Trägerbeweglichkeit, die effektive Zustandsdichte, die Bandlücke und die Elektronenaffinität zu überprüfen. Die beiden Registerkarten für die Perowskit- und Siliziumbereiche sind in ?? und ?? dargestellt.

Electrical parameters of the perovskite top absorber.
Elektrische Parameter des Perowskit-basierten oberen Absorbers.Elektrische Parameter des Perowskit-basierten oberen Absorbers.
Electrical parameters of the silicon bottom absorber.
Elektrische Parameter des Silizium-Absorberschicht.Elektrische Parameter des Silizium-Absorberschicht.

Das vereinfachte Modell verwendet die folgenden Parameter. Die Siliziumschicht wird durch effektive Parameter für den Ladungsträgertransport dargestellt; die Simulation berücksichtigt nicht die vollständige Abfolge der Wafer-Bearbeitungsschritte, die Strukturierung der Oberflächen oder jede einzelne selektive Kontaktschicht.Das vereinfachte Modell verwendet die folgenden Parameter. Die Siliziumschicht wird durch effektive Parameter für den Ladungsträgertransport dargestellt; die Simulation berücksichtigt nicht die vollständige Abfolge der Wafer-Bearbeitungsschritte, die Strukturierung der Oberflächen oder jede einzelne selektive Kontaktschicht.

ParameterParameterPerowskitPerowskitSiliziumSilizium
DickeDicke500 Nanometer500 Nanometer10 Mikrometer10 Mikrometer
Bandlücke, EgBandlücke, Eg1,63 eV1,63 eV1,12 eV1,12 eV
Elektronenaffinität, χElektronenaffinität, χ4,12 eV4,12 eV4,05 eV4,05 eV
Elektronenbeweglichkeit, μnElektronenbeweglichkeit, μn3,5 × 10⁻³ m⁻² V⁻¹ s⁻¹3,5 × 10⁻³ m⁻² V⁻¹ s⁻¹0,135 m² V⁻¹ s⁻¹0,135 m² V⁻¹ s⁻¹
Lochmobilität, μpLochmobilität, μp3,5 × 10⁻³ m⁻² V⁻¹ s⁻¹3,5 × 10⁻³ m⁻² V⁻¹ s⁻¹0,045 m² V⁻¹ s⁻¹0,045 m² V⁻¹ s⁻¹
Effektive Zustandsdichte der Elektronen, NcEffektive Zustandsdichte der Elektronen, Nc1 × 1026 m−31 × 1026 m−32,8 × 1025 m−32,8 × 1025 m−3
Effektive Zustandsdichte der Defektzentren, NvEffektive Zustandsdichte der Defektzentren, Nv1 × 10 hoch 25 Kubikmeter1 × 10 hoch 25 Kubikmeter1,7 × 1025 m−31,7 × 1025 m−3
Koeffizient für die freie RekombinationKoeffizient für die freie Rekombination1 × 10⁻¹⁷ m³/s1 × 10⁻¹⁷ m³/s1 × 10⁻¹⁷ m³/s1 × 10⁻¹⁷ m³/s

In diesem Beispiel nutzen beide aktiven Bereiche die freie Rekombination (bimolekulare Volumenrekombination). Der zugehörige Koeffizient ist in jedem Material auf 10⁻¹⁷ m³ s⁻¹ eingestellt. Die Option für die einstufige SRH-Rekombination ist in der bereitgestellten Konfiguration nicht aktiviert, und das elektrische Modell enthält kein aufgelöstes, mehrbandiges SRH-Fallennetz.In diesem Beispiel nutzen beide aktiven Bereiche die freie Rekombination (bimolekulare Volumenrekombination). Der zugehörige Koeffizient ist in jedem Material auf 10⁻¹⁷ m³ s⁻¹ eingestellt. Die Option für die einstufige SRH-Rekombination ist in der bereitgestellten Konfiguration nicht aktiviert, und das elektrische Modell enthält kein aufgelöstes, mehrbandiges SRH-Fallennetz.

\[ R_{\mathrm{bulk}}=B\left(np-n^{eq}p^{eq}\right). \]

Der Begriff „Bulk-Effekt“ beschreibt die Rekombination innerhalb jedes Halbleiters. Er unterscheidet sich von der Rekombination an der Grenzfläche, die die beiden Teilzellen elektrisch miteinander verbindet. In einem detaillierteren oder kalibrierten Gerätemodell sollten die Mechanismen für den Bulk-Verlust, die Dotierung, die Rekombinationskoeffizienten und die Eigenschaften der Grenzfläche anhand experimenteller Daten ausgewählt werden.Der Begriff „Bulk-Effekt“ beschreibt die Rekombination innerhalb jedes Halbleiters. Er unterscheidet sich von der Rekombination an der Grenzfläche, die die beiden Teilzellen elektrisch miteinander verbindet. In einem detaillierteren oder kalibrierten Gerätemodell sollten die Mechanismen für den Bulk-Verlust, die Dotierung, die Rekombinationskoeffizienten und die Eigenschaften der Grenzfläche anhand experimenteller Daten ausgewählt werden.

5. Der Rekombinationsübergang mit vernachlässigbarer Dicke5. Der Rekombinationsübergang mit vernachlässigbarer Dicke

Interface editor showing the perovskite/silicon recombination junction and interface mobility overrides.
Der Editor für die Schnittstelle zeigt die Rekombinationskoeffizienten für die Wechselwirkung zwischen den Schnittstellen sowie die Einstellungen für die Trägermobilität an.Der Editor für die Schnittstelle zeigt die Rekombinationskoeffizienten für die Wechselwirkung zwischen den Schnittstellen sowie die Einstellungen für die Trägermobilität an.

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 Perowskit/Silizium-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 Perowskit/Silizium-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 koppelt der dominierende Kanal Elektronen in Silizium (rechts) mit Löchern in Perowskit (links). In der gegebenen Konfiguration betragen die Koeffizienten \(K_{r2l}=10^{-2}\,\mathrm{m^4\,s^{-1}}\) und \(K_{l2r}=10^{-25}\,\mathrm{m^4\,s^{-1}}\). Der große Unterschied zwischen diesen Werten führt zu einer stark gerichteten Rekombination, wie es die Anordnung der beiden photovoltaischen Übergänge erfordert.In diesem Beispiel koppelt der dominierende Kanal Elektronen in Silizium (rechts) mit Löchern in Perowskit (links). In der gegebenen Konfiguration betragen die Koeffizienten \(K_{r2l}=10^{-2}\,\mathrm{m^4\,s^{-1}}\) und \(K_{l2r}=10^{-25}\,\mathrm{m^4\,s^{-1}}\). Der große Unterschied zwischen diesen Werten führt zu einer stark gerichteten Rekombination, wie es die Anordnung der beiden photovoltaischen Übergänge erfordert.

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 sehr große Werte, wie beispielsweise der in dem bereitgestellten Beispiel verwendete Wert 1e-2, sehr große Terme in die Newton-Jacobi-Matrix einfügen und zu numerischer Instabilität führen.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 sehr große Werte, wie beispielsweise der in dem bereitgestellten Beispiel verwendete Wert 1e-2, sehr große Terme in die Newton-Jacobi-Matrix einfügen und zu numerischer Instabilität führen.

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, wenn die angelegte Spannung über den simulierten Spannungsbereich erhöht wird. Die Diagramme zeigen einen etwa 10 µm dicken elektrischen Stapel, von dem die oberen 500 nm aus Perowskit bestehen und der restliche aktive Bereich aus Silizium.Der Schieberegler am unteren Rand des Fensters ermöglicht es uns, die Spannungsänderung zu durchlaufen. Die vier Beispiele in ??–?? zeigen die Entwicklung der Bandstruktur, wenn die angelegte Spannung über den simulierten Spannungsbereich erhöht wird. Die Diagramme zeigen einen etwa 10 µm dicken elektrischen Stapel, von dem die oberen 500 nm aus Perowskit bestehen und der restliche aktive Bereich aus Silizium.

Band structure and quasi-Fermi levels at approximately 0 V.
Bandstruktur bei niedriger angelegter Spannung (in der Nähe eines Kurzschlusses). Die quasi-Fermi-Niveaus für Elektronen und Löcher sind in den beleuchteten Teilzellen voneinander getrennt.Bandstruktur bei niedriger angelegter Spannung (in der Nähe eines Kurzschlusses). Die quasi-Fermi-Niveaus für Elektronen und Löcher sind in den beleuchteten Teilzellen voneinander getrennt.
Band structure and quasi-Fermi levels at an intermediate bias.
Bandstruktur bei einer mittleren angelegten Spannung. Die angelegte Spannung verändert die Bandbiegung und die Profile der quasi-Fermi-Niveaus in beiden Absorbern.Bandstruktur bei einer mittleren angelegten Spannung. Die angelegte Spannung verändert die Bandbiegung und die Profile der quasi-Fermi-Niveaus in beiden Absorbern.
Band structure and quasi-Fermi levels near the tandem open-circuit voltage.
Bandstruktur bei einer mittleren Vorwärtsvorspannung. Beide Teilzellen tragen zur Gesamt-Photospannung bei.Bandstruktur bei einer mittleren Vorwärtsvorspannung. Beide Teilzellen tragen zur Gesamt-Photospannung bei.
Band structure and quasi-Fermi levels at 2 V forward bias.
Bandstruktur bei starker Durchlassvorspannung, jenseits des Leerlaufzustands. Das Bauelement arbeitet im Durchlassinjektionsbereich.Bandstruktur bei starker Durchlassvorspannung, jenseits des Leerlaufzustands. Das Bauelement arbeitet im Durchlassinjektionsbereich.

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 1,71 V im angegebenen Betriebspunkt erzeugen kann, was die Beiträge beider Halbleiterbereiche widerspiegelt.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 1,71 V im angegebenen Betriebspunkt erzeugen kann, was die Beiträge beider Halbleiterbereiche widerspiegelt.

Ein weiteres wichtiges Merkmal ist die deutliche Veränderung der quasi-Fermi-Niveaus bei etwa 0,5 µm im Bereich, in dem die elektrisch aktive Zone beginnt, was der Perowskit-/Silizium-Grenzschicht entspricht. An dieser Stelle verbindet das Modell der grenzflächenübergreifenden Rekombination die beiden Teilzellen miteinander. 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 0,5 µm im Bereich, in dem die elektrisch aktive Zone beginnt, was der Perowskit-/Silizium-Grenzschicht entspricht. An dieser Stelle verbindet das Modell der grenzflächenübergreifenden Rekombination die beiden Teilzellen miteinander. 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 Perowskit- und Silizium-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 Perowskit- und Silizium-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 an vier Punkten während der angelegten Spannungsänderung. Die blaue Kurve stellt die Elektronstromdichte dar, während die rote Kurve die Lochstromdichte darstellt.Die vier Momentaufnahmen in ??–?? zeigen die aktuellen Verteilungen an vier Punkten während der angelegten Spannungsänderung. Die blaue Kurve stellt die Elektronstromdichte dar, während die rote Kurve die Lochstromdichte darstellt.

Electron and hole current densities at 0 V.
Bei etwa 0 V fließen Elektronen- und Lochströme. Im linken Absorber dominieren die Elektronen den Strom, während im rechten Absorber die Löcher dominieren.Bei etwa 0 V fließen Elektronen- und Lochströme. Im linken Absorber dominieren die Elektronen den Strom, während im rechten Absorber die Löcher dominieren.
Electron and hole current densities at an intermediate bias.
Aktuelle Profile bei einer mittleren angelegten Spannung. Die Grenzfläche zwischen den Materialien verbindet die Elektronen- und Lochstromkanäle und ermöglicht dort Rekombinationsprozesse.Aktuelle Profile bei einer mittleren angelegten Spannung. Die Grenzfläche zwischen den Materialien verbindet die Elektronen- und Lochstromkanäle und ermöglicht dort Rekombinationsprozesse.
Electron and hole current densities near open circuit.
Die aktuellen Profile bei mittlerer Durchlassvorspannung liegen nahe an der Leerlaufspannung. Lokale Stromschwankungen treten in der Nähe der Grenzfläche deutlich auf.Die aktuellen Profile bei mittlerer Durchlassvorspannung liegen nahe an der Leerlaufspannung. Lokale Stromschwankungen treten in der Nähe der Grenzfläche deutlich auf.
Electron and hole current densities at high forward bias.
Aktuelle Stromverläufe bei hoher Durchlassvorspannung. Der Strom an den Anschlüssen ändert sein Vorzeichen, sobald der Leerlauf überschritten wird.Aktuelle Stromverläufe bei hoher Durchlassvorspannung. Der Strom an den Anschlüssen ändert sein Vorzeichen, sobald der Leerlauf überschritten wird.

Bei den in diesem Beispiel verwendeten niedrigen angelegten Spannungen wird der Strom hauptsächlich durch Elektronen im Perowskit auf der linken Seite und durch Löcher im Silizium auf der rechten Seite transportiert. In einer Tiefe von etwa 0,5 µm im aktiven Stapel nimmt die Grenze zwischen den beiden Absorbern dazu, dass der Elektronenstrom scharf abnimmt, während der Löcherstrom zunimmt. Dies ist das charakteristische Verhalten der in dem vorherigen Abschnitt eingeführten Rekombinationsschicht.Bei den in diesem Beispiel verwendeten niedrigen angelegten Spannungen wird der Strom hauptsächlich durch Elektronen im Perowskit auf der linken Seite und durch Löcher im Silizium auf der rechten Seite transportiert. In einer Tiefe von etwa 0,5 µm im aktiven Stapel nimmt die Grenze zwischen den beiden Absorbern dazu, dass der Elektronenstrom scharf abnimmt, während der Löcherstrom zunimmt. Dies ist das charakteristische Verhalten der in dem vorherigen Abschnitt eingeführten Rekombinationsschicht.

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 1,71 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 trägt dazu bei, zu erklären, warum einige Momentaufnahmen ausgeprägte Variationen in den einzelnen Stromkomponenten in der Nähe der Rekombinationsfläche zeigen, obwohl der gesamte Strom an den Anschlüssen gering ist.In der Nähe der Leerlaufspannung von etwa 1,71 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 trägt dazu bei, zu erklären, warum einige Momentaufnahmen ausgeprägte Variationen in den einzelnen Stromkomponenten in der Nähe der Rekombinationsfläche zeigen, obwohl der gesamte Strom an den Anschlüssen gering ist.

Über die Leerlaufspannung hinaus wird die Tandemzelle in Durchlassrichtung betrieben, und der Strom an den Anschlüssen ändert sein Vorzeichen. Die Größe des Einspritzstroms nimmt mit der Vorspannung zu. Der gleiche Grenzflächenmechanismus bleibt aktiv: Der dominante Strom ändert sich zwischen Elektronentransport und Lochtransport in der Mitte des Bauelements, während der Gesamtstrom über die gesamte Tandemzelle hinweg kontinuierlich bleibt.Über die Leerlaufspannung hinaus wird die Tandemzelle in Durchlassrichtung betrieben, und der Strom an den Anschlüssen ändert sein Vorzeichen. Die Größe des Einspritzstroms nimmt mit der Vorspannung zu. Der gleiche Grenzflächenmechanismus bleibt aktiv: Der dominante Strom ändert sich zwischen Elektronentransport und Lochtransport in der Mitte des Bauelements, während der Gesamtstrom über die gesamte Tandemzelle hinweg kontinuierlich bleibt.

Die schmalen Spitzen in den einzelnen Stromkomponenten in der Nähe der Perowskit-/Silizium-Grenzschicht (etwa 0,5 µm innerhalb der aktiven Schicht) entstehen in dem Bereich, in dem die stark lokalisierte Rekombinationsrandbedingung 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 der Perowskit-/Silizium-Grenzschicht (etwa 0,5 µm innerhalb der aktiven Schicht) entstehen in dem Bereich, in dem die stark lokalisierte Rekombinationsrandbedingung 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

OghmaNano Optical ribbon showing the Transfer Matrix button
Optisches Band, das die Schaltfläche „Transfermatrix“ anzeigt.Optisches Band, das die Schaltfläche „Transfermatrix“ anzeigt.

Die Perowskit-Oberzelle mit ihrer breiten Bandlücke absorbiert einen erheblichen Teil der hochenergetischen Sonnenlichtphotonen, während die Silizium-Unterzelle mit ihrer geringeren Bandlücke das langwellige Licht absorbieren kann, das durch die Perowskitschicht hindurchtritt. Die Transfermatrix-Berechnung berücksichtigt die Absorption und Interferenz im gesamten optischen Schichtstapel.Die Perowskit-Oberzelle mit ihrer breiten Bandlücke absorbiert einen erheblichen Teil der hochenergetischen Sonnenlichtphotonen, während die Silizium-Unterzelle mit ihrer geringeren Bandlücke das langwellige Licht absorbieren kann, das durch die Perowskitschicht hindurchtritt. Die Transfermatrix-Berechnung berücksichtigt die Absorption und Interferenz im gesamten optischen Schichtstapel.

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.

Photon density as a function of wavelength and position in the tandem solar cell.
Die Photonenflussdichte als Funktion der Wellenlänge und der Position. Durch Interferenz entstehen Bereiche mit erhöhter und verringerter optischer Intensität im gesamten Multilayer-Bauelement.Die Photonenflussdichte als Funktion der Wellenlänge und der Position. Durch Interferenz entstehen Bereiche mit erhöhter und verringerter optischer Intensität im gesamten Multilayer-Bauelement.
Wavelength-resolved absorbed photon density in the tandem solar cell.
Die Diagramm zeigt die Dichte der absorbierten Photonen und veranschaulicht, wo Photonen unterschiedlicher Wellenlängen innerhalb der Perowskit/Silizium-Tandemstruktur absorbiert werden.Die Diagramm zeigt die Dichte der absorbierten Photonen und veranschaulicht, wo Photonen unterschiedlicher Wellenlängen innerhalb der Perowskit/Silizium-Tandemstruktur absorbiert werden.
Spatial charge-carrier generation rate and material energy levels.
Räumliche Ladungsträgererzeugungsrate in Kombination mit den Energieniveaus der Materialien im optischen Schichtstapel.Räumliche Ladungsträgererzeugungsrate in Kombination mit den Energieniveaus der Materialien im optischen Schichtstapel.

?? 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 Perowskit- und Siliziumbereiche weisen unterschiedliche spektrale Absorptionsbereiche auf. Perowskit absorbiert vorzugsweise Photonen mit höherer Energie, während Silizium längere Wellenlängen nutzen kann, die die obere Zelle durchdringen. 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 Perowskit- und Siliziumbereiche weisen unterschiedliche spektrale Absorptionsbereiche auf. Perowskit absorbiert vorzugsweise Photonen mit höherer Energie, während Silizium längere Wellenlängen nutzen kann, die die obere Zelle durchdringen. 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 Zelle angeben. Das Generierungsprofil erstreckt sich über die dünne Perowskit-Oberzelle und die deutlich dickere Silizium-Unterzelle. Es ist zu beachten, dass die Generierungsrate an der Grenze zwischen den beiden Zellen abrupt abnimmt, 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 Zelle angeben. Das Generierungsprofil erstreckt sich über die dünne Perowskit-Oberzelle und die deutlich dickere Silizium-Unterzelle. Es ist zu beachten, dass die Generierungsrate an der Grenze zwischen den beiden Zellen abrupt abnimmt, was ihre unterschiedlichen optischen Absorptionseigenschaften widerspiegelt.

Optical simulation information showing photocurrent and photocurrent density
Informationen aus der optischen Simulation, die den maximalen theoretischen Photostrom und die maximale theoretische Photostromdichte bei einer angenommenen Ladungserfassung von 100 % darstellen.Informationen aus der optischen Simulation, die den maximalen theoretischen Photostrom und die maximale theoretische Photostromdichte bei einer angenommenen Ladungserfassung von 100 % darstellen.

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 mit den optischen Ausgabedaten 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. Bei einer Zwei-Kontakt-Tandemzelle ist der kombinierte optische Photostrom nicht direkt der erwartete Strom der in Reihe geschalteten Zelle: Letzterer wird durch die Anpassung des Stroms zwischen den einzelnen Zellen begrenzt. Diese optischen Werte dienen daher eher als Referenzwert für die Photonenerzeugung und nicht als direkte Vorhersage des Kurzschlussstroms (JSC) der Tandemzelle.Die Datei mit den optischen Ausgabedaten 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. Bei einer Zwei-Kontakt-Tandemzelle ist der kombinierte optische Photostrom nicht direkt der erwartete Strom der in Reihe geschalteten Zelle: Letzterer wird durch die Anpassung des Stroms zwischen den einzelnen Zellen begrenzt. Diese optischen Werte dienen daher eher als Referenzwert für die Photonenerzeugung und nicht als direkte Vorhersage des Kurzschlussstroms (JSC) der Tandemzelle.

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.

Simulation type ribbon showing the available electrical simulation modes.
Ein Simulations-Menüband zeigt die verfügbaren Simulationsmodi an, darunter die Berechnungen für J-V-Kennlinien, Suns-Voc und Suns-Jsc.Ein Simulations-Menüband zeigt die verfügbaren Simulationsmodi an, darunter die Berechnungen für J-V-Kennlinien, Suns-Voc und Suns-Jsc.

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. Das Diagramm veranschaulicht, wie sich die Tandemspannung in Abhängigkeit von der Lichtintensität verändert. Die Veränderung wird durch die kombinierte Rekombination und die Aufspaltung des Quasi-Fermi-Niveaus der beiden Teilzellen bestimmt; die genauen numerischen Werte können der entsprechenden Ausgabedatei entnommen werden.Die berechnete Kennlinie von Suns-Voc ist in ?? dargestellt. Das Diagramm veranschaulicht, wie sich die Tandemspannung in Abhängigkeit von der Lichtintensität verändert. Die Veränderung wird durch die kombinierte Rekombination und die Aufspaltung des Quasi-Fermi-Niveaus der beiden Teilzellen bestimmt; die genauen numerischen Werte können der entsprechenden Ausgabedatei entnommen werden.

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 Ergebnisse der Suns-Jsc-Berechnung sind in ?? dargestellt, und die entsprechende Kennlinie ist in ?? zu sehen. Die berechnete Stromdichte ändert sich mit der Intensität der Beleuchtung. Untersuchen Sie die numerischen Werte in der grafischen Darstellung, um die Beziehung zu quantifizieren. Das negative Vorzeichen im grafisch dargestellten Strom spiegelt die vom Solver verwendete Konvention für den photovoltaischen Strom wider.Die Ergebnisse der Suns-Jsc-Berechnung sind in ?? dargestellt, und die entsprechende Kennlinie ist in ?? zu sehen. Die berechnete Stromdichte ändert sich mit der Intensität der Beleuchtung. Untersuchen Sie die numerischen Werte in der grafischen Darstellung, um die Beziehung zu quantifizieren. Das negative Vorzeichen im grafisch dargestellten Strom spiegelt die vom Solver verwendete Konvention für den photovoltaischen Strom wider.

Open-circuit voltage of the perovskite/silicon tandem solar cell as a function of illumination intensity.
Die Kennlinie der in Reihe geschalteten Solarzellen zeigt, wie die Leerlaufspannung mit zunehmender Beleuchtungsstärke steigt. Die beiden Teilzellen tragen zur gemessenen Spannung bei.Die Kennlinie der in Reihe geschalteten Solarzellen zeigt, wie die Leerlaufspannung mit zunehmender Beleuchtungsstärke steigt. Die beiden Teilzellen tragen zur gemessenen Spannung bei.
Output tab showing the results generated by the Suns-Jsc simulation.
Registerkarten-Ansicht nach der Ausführung der Suns-Jsc-Simulation. Doppelklicken Sie auf 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.
Short-circuit current density as a function of illumination intensity.
Die typische Kennlinie von Solarzellen (Suns-Jsc) zeigt eine annähernd lineare Zunahme der Kurzschlussstromstärke mit steigender Beleuchtungsintensität.Die typische Kennlinie von Solarzellen (Suns-Jsc) zeigt eine annähernd lineare Zunahme der Kurzschlussstromstärke mit steigender Beleuchtungsintensität.

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.

10. Empfohlene Untersuchungen10. Empfohlene Untersuchungen

Die zentrale Erkenntnis ist, dass die optische Stapelung und die elektrische Verbindung zusammen analysiert werden müssen. Der Perowskit filtert das auf das Silizium einfallende Lichtspektrum, während der Rekombinationsmechanismus an der Grenzfläche die Reihenschaltung mit zwei Anschlüssen ermöglicht, ohne dass ein künstlich elektrisch getrennter Zwischenhalbleiter erforderlich ist.Die zentrale Erkenntnis ist, dass die optische Stapelung und die elektrische Verbindung zusammen analysiert werden müssen. Der Perowskit filtert das auf das Silizium einfallende Lichtspektrum, während der Rekombinationsmechanismus an der Grenzfläche die Reihenschaltung mit zwei Anschlüssen ermöglicht, ohne dass ein künstlich elektrisch getrennter Zwischenhalbleiter erforderlich ist.