Προσομοίωση φωτοβολταϊκού στοιχείου σε σειρά περοβσκίτη/πυριτίου με ανασυνδυασμό στις διασυνδέσεις.Προσομοίωση φωτοβολταϊκού στοιχείου σε σειρά περοβσκίτη/πυριτίου με ανασυνδυασμό στις διασυνδέσεις.

1. Εισαγωγή: Γιατί να συνδυάσουμε την περοβσκίτη και το πυρίτιο;1. Εισαγωγή: Γιατί να συνδυάσουμε την περοβσκίτη και το πυρίτιο;

Ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο ταндеμ περοβσκίτη/πυριτίου συνδυάζει έναν απορροφητή περοβσκίτη με μεγάλο ενεργειακό χάσμα με έναν κρυσταλλικό απορροφητή πυριτίου με μικρότερο ενεργειακό χάσμα. Ο περοβσκίτης απορροφά τα φωτόνια υψηλότερης ενέργειας, ενώ το φως που διαπερνά το άνω στοιχείο μπορεί να απορροφηθεί από το πυρίτιο. Αυτό επιτρέπει την πιο αποτελεσματική χρήση του ηλιακού φάσματος σε σύγκριση με τη χρήση καθενός από τα επιμέρους στοιχεία ξεχωριστά.Ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο ταндеμ περοβσκίτη/πυριτίου συνδυάζει έναν απορροφητή περοβσκίτη με μεγάλο ενεργειακό χάσμα με έναν κρυσταλλικό απορροφητή πυριτίου με μικρότερο ενεργειακό χάσμα. Ο περοβσκίτης απορροφά τα φωτόνια υψηλότερης ενέργειας, ενώ το φως που διαπερνά το άνω στοιχείο μπορεί να απορροφηθεί από το πυρίτιο. Αυτό επιτρέπει την πιο αποτελεσματική χρήση του ηλιακού φάσματος σε σύγκριση με τη χρήση καθενός από τα επιμέρους στοιχεία ξεχωριστά.

Αυτό το παράδειγμα είναι μια μονολιθική, δίδυμη (2T) κυψέλη σε σειρά. Οι δύο υποκυψέλες μεταφέρουν ένα κοινό ρεύμα στο άκρο τους, ενώ οι φωτοτάσεις τους συμβάλλουν στη συνολική τάση. Αντί να επιλύεται ρητά μια λεπτή ημιαγωγική διασύνδεση, η προσομοίωση χρησιμοποιεί μια διασύνδεση μηδενικού πάχους, στην οποία συμβαίνει ανασυνδυασμός μεταξύ των περιοχών περοβσκίτη και πυριτίου.Αυτό το παράδειγμα είναι μια μονολιθική, δίδυμη (2T) κυψέλη σε σειρά. Οι δύο υποκυψέλες μεταφέρουν ένα κοινό ρεύμα στο άκρο τους, ενώ οι φωτοτάσεις τους συμβάλλουν στη συνολική τάση. Αντί να επιλύεται ρητά μια λεπτή ημιαγωγική διασύνδεση, η προσομοίωση χρησιμοποιεί μια διασύνδεση μηδενικού πάχους, στην οποία συμβαίνει ανασυνδυασμός μεταξύ των περιοχών περοβσκίτη και πυριτίου.

Η δομή αυτή αποτελεί ένα απλοποιημένο διδακτικό μοντέλο και όχι μια πλήρως βελτιστοποιημένη βιομηχανική συσκευή περοβσκίτη/πυριτίου. Οι αποτελεσματικές παράμετροι επαφής, ανασύνθεσης και ενεργειακού διαστήματος επιλέγονται έτσι ώστε να καταδειχθεί πώς η ηλεκτρική διασύνδεση και η οπτική παραγωγή συνεργάζονται.Η δομή αυτή αποτελεί ένα απλοποιημένο διδακτικό μοντέλο και όχι μια πλήρως βελτιστοποιημένη βιομηχανική συσκευή περοβσκίτη/πυριτίου. Οι αποτελεσματικές παράμετροι επαφής, ανασύνθεσης και ενεργειακού διαστήματος επιλέγονται έτσι ώστε να καταδειχθεί πώς η ηλεκτρική διασύνδεση και η οπτική παραγωγή συνεργάζονται.

2. Εξέταση του παραδείγματος της συνδυασμένης κυψελίδας περοβσκίτη/πυριτίου.2. Εξέταση του παραδείγματος της συνδυασμένης κυψελίδας περοβσκίτη/πυριτίου.

Ξεκινήστε το OghmaNano και επιλέξτε "Νέα προσομοίωση" (??). Στα παραδείγματα περοβσκίτη, επιλέξτε την επιλογή "Κύτταρο δίδυμης σύνδεσης πυριτίου-περοβσκίτη (στρώμα ανασυνδυασμού διεπιφάνειας)", όπως φαίνεται στην εικόνα ??. Μην το συγχέετε με το ξεχωριστό παράδειγμα "στρώματος ανασυνδυασμού όγκου", το οποίο χρησιμοποιεί μια ηλεκτρικά διαχωρισμένη ενδιάμεση στρώση.Ξεκινήστε το OghmaNano και επιλέξτε "Νέα προσομοίωση" (??). Στα παραδείγματα περοβσκίτη, επιλέξτε την επιλογή "Κύτταρο δίδυμης σύνδεσης πυριτίου-περοβσκίτη (στρώμα ανασυνδυασμού διεπιφάνειας)", όπως φαίνεται στην εικόνα ??. Μην το συγχέετε με το ξεχωριστό παράδειγμα "στρώματος ανασυνδυασμού όγκου", το οποίο χρησιμοποιεί μια ηλεκτρικά διαχωρισμένη ενδιάμεση στρώση.

Αποθηκεύστε ένα αντίγραφο πριν αλλάξετε τις παραμέτρους. Η καρτέλα "Ηλεκτρικά" παρέχει πρόσβαση στους επεξεργαστές στρώματος, επαφής και διεπαφής. Οι διαθέσιμες λειτουργίες προσομοίωσης μπορούν να επιλεγούν από την καρτέλα "Τύπος προσομοίωσης" (??).Αποθηκεύστε ένα αντίγραφο πριν αλλάξετε τις παραμέτρους. Η καρτέλα "Ηλεκτρικά" παρέχει πρόσβαση στους επεξεργαστές στρώματος, επαφής και διεπαφής. Οι διαθέσιμες λειτουργίες προσομοίωσης μπορούν να επιλεγούν από την καρτέλα "Τύπος προσομοίωσης" (??).

3. Δομή της συσκευής και εκτέλεση της ταυτόχρονης προσομοίωσης.3. Δομή της συσκευής και εκτέλεση της ταυτόχρονης προσομοίωσης.

Η τρισδιάστατη δομή της συσκευής περοβσκίτη/πυριτίου απεικονίζεται στο ??. Το παράδειγμα περιλαμβάνει πέντε στρώσεις, συμπεριλαμβανομένης μιας κορυφαίας απορροφητικής στρώσης περοβσκίτη πάχους 500 nm και μιας κατώτερης απορροφητικής στρώσης πυριτίου πάχους 10 µm. Οι δύο ενεργές ημιαγωγικές περιοχές συνδέονται μέσω μιας διασταυρούμενης διεπιφειακής περιοχής ανασυνδυασμού.Η τρισδιάστατη δομή της συσκευής περοβσκίτη/πυριτίου απεικονίζεται στο ??. Το παράδειγμα περιλαμβάνει πέντε στρώσεις, συμπεριλαμβανομένης μιας κορυφαίας απορροφητικής στρώσης περοβσκίτη πάχους 500 nm και μιας κατώτερης απορροφητικής στρώσης πυριτίου πάχους 10 µm. Οι δύο ενεργές ημιαγωγικές περιοχές συνδέονται μέσω μιας διασταυρούμενης διεπιφειακής περιοχής ανασυνδυασμού.

Κάντε κλικ στην επιλογή "Layers" στην καρτέλα "Electrical" για να ανοίξετε τον επεξεργαστή επιπέδων, όπως φαίνεται στην εικόνα ??. Τα επίπεδα που έχουν επισημανθεί ως "Active" περιλαμβάνονται στην επίλυση του μοντέλου διάχυσης-μεταφοράς. Τα επίπεδα που έχουν επισημανθεί ως "Other" παραμένουν στην οπτική στοίβα, αλλά δεν επιλύονται ξεχωριστά ως ηλεκτρικές ημιαγωγικές περιοχές. Τα επίπεδα επαφής παρέχουν ηλεκτρικές οριακές συνθήκες και μπορούν επίσης να αναπαρασταθούν στην οπτική στοίβα. Οι επαφές πρέπει να βρίσκονται στις κατάλληλες πλευρές της ενεργής στοίβας.Κάντε κλικ στην επιλογή "Layers" στην καρτέλα "Electrical" για να ανοίξετε τον επεξεργαστή επιπέδων, όπως φαίνεται στην εικόνα ??. Τα επίπεδα που έχουν επισημανθεί ως "Active" περιλαμβάνονται στην επίλυση του μοντέλου διάχυσης-μεταφοράς. Τα επίπεδα που έχουν επισημανθεί ως "Other" παραμένουν στην οπτική στοίβα, αλλά δεν επιλύονται ξεχωριστά ως ηλεκτρικές ημιαγωγικές περιοχές. Τα επίπεδα επαφής παρέχουν ηλεκτρικές οριακές συνθήκες και μπορούν επίσης να αναπαρασταθούν στην οπτική στοίβα. Οι επαφές πρέπει να βρίσκονται στις κατάλληλες πλευρές της ενεργής στοίβας.

Εκτελέστε την προσομοίωση χρησιμοποιώντας το μπλε κουμπί "Εκτέλεση προσομοίωσης" ή πατώντας το πλήκτρο F9. Στο τερματικό εμφανίζεται η πρόοδος του επιλυτή Newton (??). Αυτό το συγκεκριμένο παράδειγμα χρησιμοποιεί ένα προφίλ δημιουργίας μήτρας μεταφοράς για τον ηλεκτρικό υπολογισμό της καμπύλης J-V και εφαρμόζει μια μεταβολή στην εφαρμοσμένη τάση από -0,1 έως 2,4 V.Εκτελέστε την προσομοίωση χρησιμοποιώντας το μπλε κουμπί "Εκτέλεση προσομοίωσης" ή πατώντας το πλήκτρο F9. Στο τερματικό εμφανίζεται η πρόοδος του επιλυτή Newton (??). Αυτό το συγκεκριμένο παράδειγμα χρησιμοποιεί ένα προφίλ δημιουργίας μήτρας μεταφοράς για τον ηλεκτρικό υπολογισμό της καμπύλης J-V και εφαρμόζει μια μεταβολή στην εφαρμοσμένη τάση από -0,1 έως 2,4 V.

Μόλις ολοκληρωθεί ο υπολογισμός, ανοίξτε την καρτέλα "Έξοδος", όπως φαίνεται στην εικόνα ??. Αυτή περιέχει τα αρχεία που δημιουργήθηκαν από την προσομοίωση, συμπεριλαμβανομένης της υπολογισμένης καμπύλης J-V, της κατανομής των εσωτερικών φορέων και των πληροφοριών προσομοίωσης.Μόλις ολοκληρωθεί ο υπολογισμός, ανοίξτε την καρτέλα "Έξοδος", όπως φαίνεται στην εικόνα ??. Αυτή περιέχει τα αρχεία που δημιουργήθηκαν από την προσομοίωση, συμπεριλαμβανομένης της υπολογισμένης καμπύλης J-V, της κατανομής των εσωτερικών φορέων και των πληροφοριών προσομοίωσης.

Κάντε διπλό κλικ στο jv.csv για να ανοίξετε το υπολογισμένο διάγραμμα χαρακτηριστικού ρεύματος-τάσης (??). Τα δύο υποκύτταρα είναι ηλεκτρικά συνδεδεμένα σε σειρά, επομένως μεταφέρουν το ίδιο ρεύμα, ενώ οι φωτοτάσεις τους συμβάλλουν στη συνολική τάση εξόδου.Κάντε διπλό κλικ στο jv.csv για να ανοίξετε το υπολογισμένο διάγραμμα χαρακτηριστικού ρεύματος-τάσης (??). Τα δύο υποκύτταρα είναι ηλεκτρικά συνδεδεμένα σε σειρά, επομένως μεταφέρουν το ίδιο ρεύμα, ενώ οι φωτοτάσεις τους συμβάλλουν στη συνολική τάση εξόδου.

Κάντε διπλό κλικ στο sim_info.dat για να ανοίξετε τις πληροφορίες προσομοίωσης (??). Αυτό το αρχείο περιέχει πληροφορίες σχετικά με την υπολογιζόμενη απόδοση της συσκευής και τις ρυθμίσεις προσομοίωσης. Στο παρεχόμενο παράδειγμα, η αναφερόμενη τιμή VOC είναι περίπου 1,71 V, η τιμή JSC είναι περίπου −72,4 A m−2 (−7,24 mA cm−2), ο συντελεστής πλήρωσης είναι περίπου 0,402 και η απόδοση μετατροπής ισχύος είναι περίπου 4,97%. Αυτά είναι αποτελέσματα επίδειξης και όχι πειραματικά επικυρωμένες τιμές απόδοσης.Κάντε διπλό κλικ στο sim_info.dat για να ανοίξετε τις πληροφορίες προσομοίωσης (??). Αυτό το αρχείο περιέχει πληροφορίες σχετικά με την υπολογιζόμενη απόδοση της συσκευής και τις ρυθμίσεις προσομοίωσης. Στο παρεχόμενο παράδειγμα, η αναφερόμενη τιμή VOC είναι περίπου 1,71 V, η τιμή JSC είναι περίπου −72,4 A m−2 (−7,24 mA cm−2), ο συντελεστής πλήρωσης είναι περίπου 0,402 και η απόδοση μετατροπής ισχύος είναι περίπου 4,97%. Αυτά είναι αποτελέσματα επίδειξης και όχι πειραματικά επικυρωμένες τιμές απόδοσης.

4. Ηλεκτρικές παράμετροι και ογκική ανασύνθεση.4. Ηλεκτρικές παράμετροι και ογκική ανασύνθεση.

Κάντε κλικ στην επιλογή «Ηλεκτρικές παράμετροι» στο κύριο παράθυρο του OghmaNano για να ελέγξετε τις κινητικότητες των φορέων, τις αποτελεσματικές πυκνότητες των καταστάσεων, τα ενεργειακά χάσματα και τις συγγένειες των ηλεκτρονίων. Οι δύο καρτέλες για τις περιοχές περοβσκίτη και πυριτίου εμφανίζονται στις εικόνες ?? και ??.Κάντε κλικ στην επιλογή «Ηλεκτρικές παράμετροι» στο κύριο παράθυρο του OghmaNano για να ελέγξετε τις κινητικότητες των φορέων, τις αποτελεσματικές πυκνότητες των καταστάσεων, τα ενεργειακά χάσματα και τις συγγένειες των ηλεκτρονίων. Οι δύο καρτέλες για τις περιοχές περοβσκίτη και πυριτίου εμφανίζονται στις εικόνες ?? και ??.

Το απλοποιημένο μοντέλο χρησιμοποιεί τις ακόλουθες παραμέτρους. Η περιοχή πυριτίου αναπαρίσταται από αποτελεσματικές παραμέτρους μεταφοράς όγκου· η προσομοίωση δεν αναλύει ολόκληρη την ακολουθία επεξεργασίας του υλικού, τις ανάγλυφες επιφάνειες ή κάθε επιλεκτική στρώση επαφής.Το απλοποιημένο μοντέλο χρησιμοποιεί τις ακόλουθες παραμέτρους. Η περιοχή πυριτίου αναπαρίσταται από αποτελεσματικές παραμέτρους μεταφοράς όγκου· η προσομοίωση δεν αναλύει ολόκληρη την ακολουθία επεξεργασίας του υλικού, τις ανάγλυφες επιφάνειες ή κάθε επιλεκτική στρώση επαφής.

Σε αυτό το παράδειγμα, και οι δύο ενεργές περιοχές χρησιμοποιούν ομοιοπολική (διμοριακή) ογκώδη ανασυνδυωτική διαδικασία. Ο αντίστοιχος συντελεστής έχει οριστεί σε 10−17 m³ s−1 σε κάθε υλικό. Η επιλογή SRH ενός επιπέδου δεν είναι ενεργοποιημένη στη διαθέσιμη διαμόρφωση και το ηλεκτρικό μοντέλο δεν περιλαμβάνει ένα διακριτό πλέγμα παγίδων SRH πολλαπλών ζωνών.Σε αυτό το παράδειγμα, και οι δύο ενεργές περιοχές χρησιμοποιούν ομοιοπολική (διμοριακή) ογκώδη ανασυνδυωτική διαδικασία. Ο αντίστοιχος συντελεστής έχει οριστεί σε 10−17 m³ s−1 σε κάθε υλικό. Η επιλογή SRH ενός επιπέδου δεν είναι ενεργοποιημένη στη διαθέσιμη διαμόρφωση και το ηλεκτρικό μοντέλο δεν περιλαμβάνει ένα διακριτό πλέγμα παγίδων SRH πολλαπλών ζωνών.

Ο όρος «όγκος» περιγράφει την ανασύνθεση εντός κάθε ημιαγωγού. Διαφέρει από την ανασύνθεση μεταξύ των διεπαφών, η οποία συνδέει ηλεκτρικά τις δύο υποκυψέλες. Σε ένα πιο λεπτομερές ή βαθμονομημένο μοντέλο συσκευής, οι μηχανισμοί απώλειας στον όγκο, η προσθήκη προσμίξεων, οι συντελεστές ανασύνθεσης και οι ιδιότητες της διεπαφής θα πρέπει να επιλέγονται με βάση πειραματικά δεδομένα.Ο όρος «όγκος» περιγράφει την ανασύνθεση εντός κάθε ημιαγωγού. Διαφέρει από την ανασύνθεση μεταξύ των διεπαφών, η οποία συνδέει ηλεκτρικά τις δύο υποκυψέλες. Σε ένα πιο λεπτομερές ή βαθμονομημένο μοντέλο συσκευής, οι μηχανισμοί απώλειας στον όγκο, η προσθήκη προσμίξεων, οι συντελεστές ανασύνθεσης και οι ιδιότητες της διεπαφής θα πρέπει να επιλέγονται με βάση πειραματικά δεδομένα.

5. Η σύνδεση ανασύνθεσης μηδενικού πάχους.5. Η σύνδεση ανασύνθεσης μηδενικού πάχους.

Σε μια πραγματική κυψέλη ηλιακής ενέργειας τύπου tandem, οι δύο φωτοβολταϊκές διασταυρώσεις συνδέονται μέσω μιας διασύνδεσης ή μιας ανασυνδυωτικής στρώσης. Αυτή η περιοχή επιτρέπει στα ηλεκτρόνια που φτάνουν από το ένα υποκύτταρο να ανασυνδυωθούν με τις οπές που φτάνουν από το άλλο, παρέχοντας μια ηλεκτρική σύνδεση μεταξύ των δύο διασταυρώσεων. Στην πράξη, η διασύνδεση μπορεί να αποτελείται από διάφορες λεπτές στρώσεις μεταφοράς που επιλέγουν ηλεκτρόνια και οπές, μαζί με ένα υλικό που είναι ενεργό στην ανασύνθεση, όπως ένα λεπτό μέταλλο ή ένα αγώγιμο οξείδιο.Σε μια πραγματική κυψέλη ηλιακής ενέργειας τύπου tandem, οι δύο φωτοβολταϊκές διασταυρώσεις συνδέονται μέσω μιας διασύνδεσης ή μιας ανασυνδυωτικής στρώσης. Αυτή η περιοχή επιτρέπει στα ηλεκτρόνια που φτάνουν από το ένα υποκύτταρο να ανασυνδυωθούν με τις οπές που φτάνουν από το άλλο, παρέχοντας μια ηλεκτρική σύνδεση μεταξύ των δύο διασταυρώσεων. Στην πράξη, η διασύνδεση μπορεί να αποτελείται από διάφορες λεπτές στρώσεις μεταφοράς που επιλέγουν ηλεκτρόνια και οπές, μαζί με ένα υλικό που είναι ενεργό στην ανασύνθεση, όπως ένα λεπτό μέταλλο ή ένα αγώγιμο οξείδιο.

Ένας τρόπος για να μοντελοποιηθεί αυτή η περιοχή είναι να εισαχθεί μια ρητή, λεπτή ημιαγωγική στρώση με έναν πολύ υψηλό συντελεστή βιμοριακής ανασυνδυασμού. Αν και αυτό μπορεί να αναπαράγει την απαιτούμενη συμπεριφορά ανασυνδυασμού, ο συνδυασμός εξαιρετικά λεπτών στρώσεων με πολύ μεγάλους ρυθμούς ανασυνδυασμού μπορεί να καταστήσει τις αριθμητικές εξισώσεις δύσκολες και να δυσχεράνει τη σύγκλισή τους. Μια πιο αποτελεσματική προσέγγιση, ιδιαίτερα όταν η εσωτερική δομή της διασύνδεσης δεν είναι σημαντική, είναι να την αντικαταστήσουμε με μια άπειρα λεπτή διεπαφή ανασυνδυασμού. Αυτή είναι η προσέγγιση που χρησιμοποιείται στην παρούσα προσομοίωση σε σειρά.Ένας τρόπος για να μοντελοποιηθεί αυτή η περιοχή είναι να εισαχθεί μια ρητή, λεπτή ημιαγωγική στρώση με έναν πολύ υψηλό συντελεστή βιμοριακής ανασυνδυασμού. Αν και αυτό μπορεί να αναπαράγει την απαιτούμενη συμπεριφορά ανασυνδυασμού, ο συνδυασμός εξαιρετικά λεπτών στρώσεων με πολύ μεγάλους ρυθμούς ανασυνδυασμού μπορεί να καταστήσει τις αριθμητικές εξισώσεις δύσκολες και να δυσχεράνει τη σύγκλισή τους. Μια πιο αποτελεσματική προσέγγιση, ιδιαίτερα όταν η εσωτερική δομή της διασύνδεσης δεν είναι σημαντική, είναι να την αντικαταστήσουμε με μια άπειρα λεπτή διεπαφή ανασυνδυασμού. Αυτή είναι η προσέγγιση που χρησιμοποιείται στην παρούσα προσομοίωση σε σειρά.

Η διεπαφή διαμορφώνεται χρησιμοποιώντας τον Επεξεργαστή διεπαφής, όπως φαίνεται στην ??. Για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με τις υποκείμενες εξισώσεις μεταφοράς, δείτε την ενότητα Θεωρία της ημιαγωγικής διεπαφής. Επιλέξτε τη διεπαφή περοβσκίτη/πυριτίου για να ελέγξετε τις παραμέτρους ανασύνθεσης και μεταφοράς.Η διεπαφή διαμορφώνεται χρησιμοποιώντας τον Επεξεργαστή διεπαφής, όπως φαίνεται στην ??. Για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με τις υποκείμενες εξισώσεις μεταφοράς, δείτε την ενότητα Θεωρία της ημιαγωγικής διεπαφής. Επιλέξτε τη διεπαφή περοβσκίτη/πυριτίου για να ελέγξετε τις παραμέτρους ανασύνθεσης και μεταφοράς.

Σε αυτό το μοντέλο, οι κινητικότητες των ηλεκτρονίων και των οπών στην επιφάνεια επαφής ορίζονται και οι δύο σε μηδέν. Αυτό απενεργοποιεί τη συμβατική μεταφορά μέσω εκτροπής και διάχυσης ηλεκτρονίων και οπών διαμέσου του ορίου, αφαιρώντας αποτελεσματικά τους συνήθεις όρους μεταφοράς που συνδέουν τα γειτονικά σημεία του πλέγματος. Αντί αυτού, τα δύο υποκύτταρα συνδέονται ηλεκτρικά μέσω ενός μηχανισμού ανασυνδυασμού διαμέσου της επιφάνειας, ο οποίος επιτρέπει σε ένα ηλεκτρόνιο στη μία πλευρά της επιφάνειας να ανασυνδυαστεί άμεσα με μια οπή στην άλλη πλευρά.Σε αυτό το μοντέλο, οι κινητικότητες των ηλεκτρονίων και των οπών στην επιφάνεια επαφής ορίζονται και οι δύο σε μηδέν. Αυτό απενεργοποιεί τη συμβατική μεταφορά μέσω εκτροπής και διάχυσης ηλεκτρονίων και οπών διαμέσου του ορίου, αφαιρώντας αποτελεσματικά τους συνήθεις όρους μεταφοράς που συνδέουν τα γειτονικά σημεία του πλέγματος. Αντί αυτού, τα δύο υποκύτταρα συνδέονται ηλεκτρικά μέσω ενός μηχανισμού ανασυνδυασμού διαμέσου της επιφάνειας, ο οποίος επιτρέπει σε ένα ηλεκτρόνιο στη μία πλευρά της επιφάνειας να ανασυνδυαστεί άμεσα με μια οπή στην άλλη πλευρά.

Ο μηχανισμός ανασύνθεσης αφαιρεί ένα ηλεκτρόνιο από τη μία πλευρά της διεπιφάνειας και μια οπή από την άλλη. Οι δύο πιθανοί συνδυασμοί φορέων περιγράφονται απόΟ μηχανισμός ανασύνθεσης αφαιρεί ένα ηλεκτρόνιο από τη μία πλευρά της διεπιφάνειας και μια οπή από την άλλη. Οι δύο πιθανοί συνδυασμοί φορέων περιγράφονται από

Εδώ, τα \(L\) και \(R\) συμβολίζουν τα σημεία του πλέγματος ακριβώς αριστερά και δεξιά της διεπιφάνειας, ενώ ο υπερδείκτης \(eq\) συμβολίζει τις συγκεντρώσεις ισορροπίας των φορέων. Οι συντελεστές \(K_{l2r}\) και \(K_{r2l}\) έχουν μονάδες m4 s−1, δίνοντας τους ρυθμούς ανασύνθεσης ανά μονάδα επιφάνειας σε m−2 s−1. Η αντίστοιχη πυκνότητα ρεύματος ανασύνθεσης είναι \(J_{\mathrm{rec}}=qR\). Αφαιρώντας το γινόμενο των συγκεντρώσεων ισορροπίας των φορέων, διασφαλίζεται ότι ο καθαρός ρυθμός ανασύνθεσης μηδενίζεται στην θερμική ισορροπία.Εδώ, τα \(L\) και \(R\) συμβολίζουν τα σημεία του πλέγματος ακριβώς αριστερά και δεξιά της διεπιφάνειας, ενώ ο υπερδείκτης \(eq\) συμβολίζει τις συγκεντρώσεις ισορροπίας των φορέων. Οι συντελεστές \(K_{l2r}\) και \(K_{r2l}\) έχουν μονάδες m4 s−1, δίνοντας τους ρυθμούς ανασύνθεσης ανά μονάδα επιφάνειας σε m−2 s−1. Η αντίστοιχη πυκνότητα ρεύματος ανασύνθεσης είναι \(J_{\mathrm{rec}}=qR\). Αφαιρώντας το γινόμενο των συγκεντρώσεων ισορροπίας των φορέων, διασφαλίζεται ότι ο καθαρός ρυθμός ανασύνθεσης μηδενίζεται στην θερμική ισορροπία.

Σε αυτό το παράδειγμα, το κυρίαρχο κανάλι συνδέει τα ηλεκτρόνια στο πυρίτιο (δεξιά) με τις οπές στο περοβσκίτη (αριστερά). Στη δεδομένη διαμόρφωση, οι συντελεστές είναι \(K_{r2l}=10^{-2}\,\mathrm{m^4\,s^{-1}}\) και \(K_{l2r}=10^{-25}\,\mathrm{m^4\,s^{-1}}\). Η μεγάλη διαφορά μεταξύ αυτών των τιμών καθιστά την ανασύνθεση έντονα κατευθυντική, όπως απαιτείται από τη διάταξη των δύο φωτοβολταϊκών συνδέσεων.Σε αυτό το παράδειγμα, το κυρίαρχο κανάλι συνδέει τα ηλεκτρόνια στο πυρίτιο (δεξιά) με τις οπές στο περοβσκίτη (αριστερά). Στη δεδομένη διαμόρφωση, οι συντελεστές είναι \(K_{r2l}=10^{-2}\,\mathrm{m^4\,s^{-1}}\) και \(K_{l2r}=10^{-25}\,\mathrm{m^4\,s^{-1}}\). Η μεγάλη διαφορά μεταξύ αυτών των τιμών καθιστά την ανασύνθεση έντονα κατευθυντική, όπως απαιτείται από τη διάταξη των δύο φωτοβολταϊκών συνδέσεων.

Ο σκοπός της διεπαφής ανασύνδεσης είναι να παρέχει μια ηλεκτρική σύνδεση μεταξύ των υποκυψελών, επιτρέποντας παράλληλα στις αντίστοιχες φωτοτασικές τάσεις τους να αθροίζονται. Μια αποδοτική διασύνδεση φέρνει τα σχετικά επίπεδα ψευδο-Fermi των ηλεκτρονίων και των οπών κοντά στο κέντρο της συσκευής, ελαχιστοποιώντας την τάση που χάνεται στην περιοχή ανασύνδεσης.Ο σκοπός της διεπαφής ανασύνδεσης είναι να παρέχει μια ηλεκτρική σύνδεση μεταξύ των υποκυψελών, επιτρέποντας παράλληλα στις αντίστοιχες φωτοτασικές τάσεις τους να αθροίζονται. Μια αποδοτική διασύνδεση φέρνει τα σχετικά επίπεδα ψευδο-Fermi των ηλεκτρονίων και των οπών κοντά στο κέντρο της συσκευής, ελαχιστοποιώντας την τάση που χάνεται στην περιοχή ανασύνδεσης.

Σύμφωνα με τη στατιστική του Boltzmann, ο αριθμός των ηλεκτρονίων στη δεξιά πλευρά και ο αριθμός των οπών στην αριστερή πλευρά σχετίζονται με τη διαφορά των σχετικών επιπέδων Fermi μέσω της εξίσωσης:Σύμφωνα με τη στατιστική του Boltzmann, ο αριθμός των ηλεκτρονίων στη δεξιά πλευρά και ο αριθμός των οπών στην αριστερή πλευρά σχετίζονται με τη διαφορά των σχετικών επιπέδων Fermi μέσω της εξίσωσης:

Συνεπώς, το ρεύμα ανασύνθεσης μπορεί να γραφτεί ως εξής:Συνεπώς, το ρεύμα ανασύνθεσης μπορεί να γραφτεί ως εξής:

Καθώς αυξάνεται ο συντελεστής ανασύνθεσης, απαιτείται μικρότερη απόσταση μεταξύ των \(E_{Fn,R}\) και \(E_{Fp,L}\) για να διατηρηθεί το ίδιο ρεύμα. Στο όριο της έντονης ανασύνθεσης, αυτές οι δύο ψευδο-επίπεδα Fermi πλησιάζουν το ένα το άλλο, δημιουργώντας μια αποτελεσματική επαφή ανασύνθεσης μεταξύ των υποκυψελών. Αυτό επιτρέπει στην φωτοτάση που παράγεται από κάθε απορροφητή να συμβάλλει στη συνολική τάση της δίδυμης κυψέλης, μειώνοντας παράλληλα την απώλεια τάσης που σχετίζεται με τη διασύνδεση.Καθώς αυξάνεται ο συντελεστής ανασύνθεσης, απαιτείται μικρότερη απόσταση μεταξύ των \(E_{Fn,R}\) και \(E_{Fp,L}\) για να διατηρηθεί το ίδιο ρεύμα. Στο όριο της έντονης ανασύνθεσης, αυτές οι δύο ψευδο-επίπεδα Fermi πλησιάζουν το ένα το άλλο, δημιουργώντας μια αποτελεσματική επαφή ανασύνθεσης μεταξύ των υποκυψελών. Αυτό επιτρέπει στην φωτοτάση που παράγεται από κάθε απορροφητή να συμβάλλει στη συνολική τάση της δίδυμης κυψέλης, μειώνοντας παράλληλα την απώλεια τάσης που σχετίζεται με τη διασύνδεση.

6. Δομή ζωνών και επίπεδα ψευδο-Fermi.6. Δομή ζωνών και επίπεδα ψευδο-Fermi.

Για να διερευνήσετε τον τρόπο με τον οποίο λειτουργούν ηλεκτρικά τα δύο υποκύτταρα, ανοίξτε τον φάκελο "snapshots" στην καρτέλα "Output". Αυτό θα ανοίξει το "Snapshot Viewer", το οποίο επιτρέπει την εξέταση των εσωτερικών ηλεκτρικών ιδιοτήτων της συσκευής σε διαφορετικές εφαρμοζόμενες τάσεις. Κάντε κλικ στο κουμπί "+" και προσθέστε τα αρχεία Ec.csv, Ev.csv, Fn.csv και Fp.csv για να εμφανίσετε, αντίστοιχα, την άκρη της ζώνης αγωγιμότητας, την άκρη της ζώνης σθένους, το επίπεδο ψευδο-Fermi για τα ηλεκτρόνια και το επίπεδο ψευδο-Fermi για τις οπές. Για περισσότερες οδηγίες, ανατρέξτε στην τεκμηρίωση του Snapshot Viewer.Για να διερευνήσετε τον τρόπο με τον οποίο λειτουργούν ηλεκτρικά τα δύο υποκύτταρα, ανοίξτε τον φάκελο "snapshots" στην καρτέλα "Output". Αυτό θα ανοίξει το "Snapshot Viewer", το οποίο επιτρέπει την εξέταση των εσωτερικών ηλεκτρικών ιδιοτήτων της συσκευής σε διαφορετικές εφαρμοζόμενες τάσεις. Κάντε κλικ στο κουμπί "+" και προσθέστε τα αρχεία Ec.csv, Ev.csv, Fn.csv και Fp.csv για να εμφανίσετε, αντίστοιχα, την άκρη της ζώνης αγωγιμότητας, την άκρη της ζώνης σθένους, το επίπεδο ψευδο-Fermi για τα ηλεκτρόνια και το επίπεδο ψευδο-Fermi για τις οπές. Για περισσότερες οδηγίες, ανατρέξτε στην τεκμηρίωση του Snapshot Viewer.

Το ρυθμιστικό στο κάτω μέρος του παραθύρου μας επιτρέπει να μετακινούμαστε κατά μήκος της περιοχής τάσης. Τα τέσσερα παραδείγματα στα ??–?? δείχνουν την εξέλιξη της δομής των ενεργειακών ζωνών καθώς η εφαρμοσμένη τάση αυξάνεται σε όλο το εύρος της προσομοίωσης. Τα διαγράμματα καλύπτουν μια ηλεκτρική στοίβα περίπου 10 µm, εκ των οποίων τα άνω 500 nm είναι περοβσκίτης και η υπόλοιπη ενεργή περιοχή είναι πυρίτιο.Το ρυθμιστικό στο κάτω μέρος του παραθύρου μας επιτρέπει να μετακινούμαστε κατά μήκος της περιοχής τάσης. Τα τέσσερα παραδείγματα στα ??–?? δείχνουν την εξέλιξη της δομής των ενεργειακών ζωνών καθώς η εφαρμοσμένη τάση αυξάνεται σε όλο το εύρος της προσομοίωσης. Τα διαγράμματα καλύπτουν μια ηλεκτρική στοίβα περίπου 10 µm, εκ των οποίων τα άνω 500 nm είναι περοβσκίτης και η υπόλοιπη ενεργή περιοχή είναι πυρίτιο.

Οι μπλε και κόκκινες καμπύλες απεικονίζουν τα όρια κινητικότητας της ζώνης αγωγιμότητας και της ζώνης σθένους, ενώ οι πράσινες και κυανές καμπύλες απεικονίζουν τα επίπεδα ψευδο-Fermi για τα ηλεκτρόνια και τις οπές. Όταν το υλικό εκτίθεται σε φως, η απόσταση μεταξύ των επιπέδων ψευδο-Fermi για τα ηλεκτρόνια και τις οπές αντικατοπτρίζει τις τοπικές μη ισορροπημένες συγκεντρώσεις φορέων και σχετίζεται άμεσα με την φωτοτάση που παράγεται από κάθε υποκυψέλη.Οι μπλε και κόκκινες καμπύλες απεικονίζουν τα όρια κινητικότητας της ζώνης αγωγιμότητας και της ζώνης σθένους, ενώ οι πράσινες και κυανές καμπύλες απεικονίζουν τα επίπεδα ψευδο-Fermi για τα ηλεκτρόνια και τις οπές. Όταν το υλικό εκτίθεται σε φως, η απόσταση μεταξύ των επιπέδων ψευδο-Fermi για τα ηλεκτρόνια και τις οπές αντικατοπτρίζει τις τοπικές μη ισορροπημένες συγκεντρώσεις φορέων και σχετίζεται άμεσα με την φωτοτάση που παράγεται από κάθε υποκυψέλη.

Σ ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο σε σειρά, οι δύο φωτοβολταϊκές συνδέσεις συνδέονται σε σειρά. Ως αποτέλεσμα, οι συνεισφορές τάσης από τα δύο υποστοιχεία αθροίζονται. Αυτό μπορεί να παρατηρηθεί ιδιαίτερα καθαρά σε ??, το οποίο είναι κοντά στην κατάσταση ανοιχτού κυκλώματος. Η διαφορά των επιπέδων quasi-Fermi εντός κάθε απορροφητή συμβάλλει στη συνολική τάση στα άκρα, επιτρέποντας στην συστοιχία να παράγει τάση ανοιχτού κυκλώματος περίπου 1,71 V στο παρεχόμενο αποτέλεσμα, αντικατοπτρίζοντας τις συνεισφορές και από τις δύο ημιαγωγικές περιοχές. Σ ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο σε σειρά, οι δύο φωτοβολταϊκές συνδέσεις συνδέονται σε σειρά. Ως αποτέλεσμα, οι συνεισφορές τάσης από τα δύο υποστοιχεία αθροίζονται. Αυτό μπορεί να παρατηρηθεί ιδιαίτερα καθαρά σε ??, το οποίο είναι κοντά στην κατάσταση ανοιχτού κυκλώματος. Η διαφορά των επιπέδων quasi-Fermi εντός κάθε απορροφητή συμβάλλει στη συνολική τάση στα άκρα, επιτρέποντας στην συστοιχία να παράγει τάση ανοιχτού κυκλώματος περίπου 1,71 V στο παρεχόμενο αποτέλεσμα, αντικατοπτρίζοντας τις συνεισφορές και από τις δύο ημιαγωγικές περιοχές.

Ένα άλλο σημαντικό χαρακτηριστικό είναι η απότομη μεταβολή στα επίπεδα των ψευδο-Fermi περίπου στα 0,5 µm, στην ηλεκτρικά ενεργή περιοχή, η οποία αντιστοιχεί στην διαχωριστική γραμμή μεταξύ του περοβσκίτη και του πυριτίου. Σε αυτό το σημείο, το μοντέλο ανασυνδυασμού μεταξύ των διεπαφών συνδέει τις δύο υποκυψέλες. Ο μεγάλος συντελεστής ανασυνδυασμού επιτρέπει στα ηλεκτρόνια στα δεξιά να ανασυνδυώνονται αποτελεσματικά με τις οπές στα αριστερά, τείνοντας να φέρουν τα αντίστοιχα επίπεδα των ψευδο-Fermi προς την ίδια ενεργειακή τιμή.Ένα άλλο σημαντικό χαρακτηριστικό είναι η απότομη μεταβολή στα επίπεδα των ψευδο-Fermi περίπου στα 0,5 µm, στην ηλεκτρικά ενεργή περιοχή, η οποία αντιστοιχεί στην διαχωριστική γραμμή μεταξύ του περοβσκίτη και του πυριτίου. Σε αυτό το σημείο, το μοντέλο ανασυνδυασμού μεταξύ των διεπαφών συνδέει τις δύο υποκυψέλες. Ο μεγάλος συντελεστής ανασυνδυασμού επιτρέπει στα ηλεκτρόνια στα δεξιά να ανασυνδυώνονται αποτελεσματικά με τις οπές στα αριστερά, τείνοντας να φέρουν τα αντίστοιχα επίπεδα των ψευδο-Fermi προς την ίδια ενεργειακή τιμή.

Αυτή η συμπεριφορά είναι ιδιαίτερα σημαντική για τη λειτουργία σε σειρά (τάντεμ). Μια ισχυρή οδός ανασυνδυασμού επιτρέπει στη διεπαφή να μεταφέρει ρεύμα με μικρή μόνο απόσταση μεταξύ των σχετικών επιπέδων ψευδο-Fermi, ελαχιστοποιώντας την τάση που χάνεται στην διασύνδεση. Τα προφίλ των επιπέδων ψευδο-Fermi περιορίζονται επίσης από τα τοπικά ρεύματα φορέων και τις ιδιότητες μεταφοράς εντός κάθε απορροφητή. Ως αποτέλεσμα, τα δύο υποκύτταρα παραμένουν ηλεκτρικά συνδεδεμένα, διατηρώντας παράλληλα τη μεμονωμένη διαφορά των επιπέδων ψευδο-Fermi και τις συνεισφορές τους στη συνολική τάση του συστήματος σε σειρά.Αυτή η συμπεριφορά είναι ιδιαίτερα σημαντική για τη λειτουργία σε σειρά (τάντεμ). Μια ισχυρή οδός ανασυνδυασμού επιτρέπει στη διεπαφή να μεταφέρει ρεύμα με μικρή μόνο απόσταση μεταξύ των σχετικών επιπέδων ψευδο-Fermi, ελαχιστοποιώντας την τάση που χάνεται στην διασύνδεση. Τα προφίλ των επιπέδων ψευδο-Fermi περιορίζονται επίσης από τα τοπικά ρεύματα φορέων και τις ιδιότητες μεταφοράς εντός κάθε απορροφητή. Ως αποτέλεσμα, τα δύο υποκύτταρα παραμένουν ηλεκτρικά συνδεδεμένα, διατηρώντας παράλληλα τη μεμονωμένη διαφορά των επιπέδων ψευδο-Fermi και τις συνεισφορές τους στη συνολική τάση του συστήματος σε σειρά.

7. Προφίλ ρεύματος ηλεκτρονίων και οπών.7. Προφίλ ρεύματος ηλεκτρονίων και οπών.

Οι πυκνότητες ρεύματος ηλεκτρονίων και οπών παρέχουν έναν ακόμη χρήσιμο τρόπο για να κατανοήσουμε πώς συνδέονται οι δύο υποκυψέλες, η περοβσκίτη και η πυριτίου. Ανοίξτε τον φάκελο "snapshots" από την καρτέλα "Output" και χρησιμοποιήστε το κουμπί "+" για να προσθέσετε τα αρχεία Jn.csv και Jp.csv στο "Snapshot Viewer". Αυτά τα αρχεία περιέχουν, αντίστοιχα, τις πυκνότητες ρεύματος ηλεκτρονίων και οπών. Στη συνέχεια, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τη ρυθμιστική μπάρα για να εξετάσετε πώς αλλάζουν τα ρεύματα καθώς αυξάνεται η εφαρμοσμένη τάση. Περισσότερες λεπτομέρειες σχετικά με τη χρήση αυτού του εργαλείου μπορείτε να βρείτε στην τεκμηρίωση του Snapshot Viewer.Οι πυκνότητες ρεύματος ηλεκτρονίων και οπών παρέχουν έναν ακόμη χρήσιμο τρόπο για να κατανοήσουμε πώς συνδέονται οι δύο υποκυψέλες, η περοβσκίτη και η πυριτίου. Ανοίξτε τον φάκελο "snapshots" από την καρτέλα "Output" και χρησιμοποιήστε το κουμπί "+" για να προσθέσετε τα αρχεία Jn.csv και Jp.csv στο "Snapshot Viewer". Αυτά τα αρχεία περιέχουν, αντίστοιχα, τις πυκνότητες ρεύματος ηλεκτρονίων και οπών. Στη συνέχεια, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τη ρυθμιστική μπάρα για να εξετάσετε πώς αλλάζουν τα ρεύματα καθώς αυξάνεται η εφαρμοσμένη τάση. Περισσότερες λεπτομέρειες σχετικά με τη χρήση αυτού του εργαλείου μπορείτε να βρείτε στην τεκμηρίωση του Snapshot Viewer.

Οι τέσσερις εικόνες στα ??–?? απεικονίζουν τις τρέχουσες κατανομές σε τέσσερα σημεία κατά τη διάρκεια της εφαρμοζόμενης τάσης. Η μπλε καμπύλη αντιπροσωπεύει την πυκνότητα του ηλεκτρονικού ρεύματος, ενώ η κόκκινη καμπύλη αντιπροσωπεύει την πυκνότητα του ρεύματος οπών.Οι τέσσερις εικόνες στα ??–?? απεικονίζουν τις τρέχουσες κατανομές σε τέσσερα σημεία κατά τη διάρκεια της εφαρμοζόμενης τάσης. Η μπλε καμπύλη αντιπροσωπεύει την πυκνότητα του ηλεκτρονικού ρεύματος, ενώ η κόκκινη καμπύλη αντιπροσωπεύει την πυκνότητα του ρεύματος οπών.

Στο συγκεκριμένο παράδειγμα, σε χαμηλές εφαρμοσμένες τάσεις, το ρεύμα μεταφέρεται κυρίως από ηλεκτρόνια στο περοβσκίτη στην αριστερή πλευρά και από οπές στο πυρίτιο στη δεξιά πλευρά. Περίπου στα 0,5 µm μέσα στην ενεργή στοίβα, στο όριο μεταξύ των δύο απορροφητών, το ηλεκτρονικό ρεύμα μειώνεται απότομα, ενώ το ρεύμα των οπών αυξάνεται. Αυτή είναι η χαρακτηριστική συμπεριφορά της επαφής ανασύνθεσης που παρουσιάστηκε στην προηγούμενη ενότητα.Στο συγκεκριμένο παράδειγμα, σε χαμηλές εφαρμοσμένες τάσεις, το ρεύμα μεταφέρεται κυρίως από ηλεκτρόνια στο περοβσκίτη στην αριστερή πλευρά και από οπές στο πυρίτιο στη δεξιά πλευρά. Περίπου στα 0,5 µm μέσα στην ενεργή στοίβα, στο όριο μεταξύ των δύο απορροφητών, το ηλεκτρονικό ρεύμα μειώνεται απότομα, ενώ το ρεύμα των οπών αυξάνεται. Αυτή είναι η χαρακτηριστική συμπεριφορά της επαφής ανασύνθεσης που παρουσιάστηκε στην προηγούμενη ενότητα.

Ο μηχανισμός ανασύνθεσης διαμέσου της διεπιφάνειας αφαιρεί ένα ηλεκτρόνιο από τη μία πλευρά της διεπιφάνειας και μια οπή από την άλλη. Αν και τα μεμονωμένα ρεύματα ηλεκτρονίων και οπών μπορούν να αλλάξουν απότομα σε αυτό το όριο, το άθροισμά τους παραμένει περίπου σταθερό:Ο μηχανισμός ανασύνθεσης διαμέσου της διεπιφάνειας αφαιρεί ένα ηλεκτρόνιο από τη μία πλευρά της διεπιφάνειας και μια οπή από την άλλη. Αν και τα μεμονωμένα ρεύματα ηλεκτρονίων και οπών μπορούν να αλλάξουν απότομα σε αυτό το όριο, το άθροισμά τους παραμένει περίπου σταθερό:

Αυτό είναι ένα σημαντικό αποτέλεσμα. Σε σταθερή κατάσταση, το συνολικό ηλεκτρικό ρεύμα πρέπει να διατηρείται σε ολόκληρη την συσκευή tandem, παρόλο που οι σχετικές συνεισφορές από τα ηλεκτρόνια και τις οπές αλλάζουν μεταξύ των δύο υποκυψελών. Η διεπαφή ανασύνθεσης παρέχει την ηλεκτρική σύνδεση χωρίς να απαιτείται η μεταφορά ή η διάχυση των φορέων άμεσα κατά μήκος του ορίου.Αυτό είναι ένα σημαντικό αποτέλεσμα. Σε σταθερή κατάσταση, το συνολικό ηλεκτρικό ρεύμα πρέπει να διατηρείται σε ολόκληρη την συσκευή tandem, παρόλο που οι σχετικές συνεισφορές από τα ηλεκτρόνια και τις οπές αλλάζουν μεταξύ των δύο υποκυψελών. Η διεπαφή ανασύνθεσης παρέχει την ηλεκτρική σύνδεση χωρίς να απαιτείται η μεταφορά ή η διάχυση των φορέων άμεσα κατά μήκος του ορίου.

Κοντά στην τάση ανοικτού κυκλώματος, η οποία είναι περίπου 1,71 V, το εξωτερικό ρεύμα τείνει στο μηδέν. Ωστόσο, η φωτογένεση και η ανασύνθεση συνεχίζονται εντός της συσκευής, επομένως τα τοπικά ρεύματα ηλεκτρονίων και οπών δεν χρειάζεται να μηδενιστούν ξεχωριστά. Αυτό βοηθά στην εξήγηση του γιατί ορισμένες στιγμιαίες μετρήσεις δείχνουν σημαντικές διακυμάνσεις στις επιμέρους συνιστώσες του ρεύματος κοντά στην περιοχή ανασύνθεσης, παρόλο που το συνολικό ρεύμα στα άκρα είναι μικρό.Κοντά στην τάση ανοικτού κυκλώματος, η οποία είναι περίπου 1,71 V, το εξωτερικό ρεύμα τείνει στο μηδέν. Ωστόσο, η φωτογένεση και η ανασύνθεση συνεχίζονται εντός της συσκευής, επομένως τα τοπικά ρεύματα ηλεκτρονίων και οπών δεν χρειάζεται να μηδενιστούν ξεχωριστά. Αυτό βοηθά στην εξήγηση του γιατί ορισμένες στιγμιαίες μετρήσεις δείχνουν σημαντικές διακυμάνσεις στις επιμέρους συνιστώσες του ρεύματος κοντά στην περιοχή ανασύνθεσης, παρόλο που το συνολικό ρεύμα στα άκρα είναι μικρό.

Πέρα από την τάση ανοικτού κυκλώματος, η συστοιχία τίθεται υπό θετική πόλωση και το ρεύμα στα άκρα της αλλάζει πρόσημο. Το μέγεθος του ρεύματος έγχυσης αυξάνεται με την αύξηση της πόλωσης. Ο ίδιος μηχανισμός διεπιφάνειας συνεχίζει να λειτουργεί: το κυρίαρχο ρεύμα εναλλάσσεται μεταξύ της μεταφοράς ηλεκτρονίων και οπών στο κέντρο της συσκευής, ενώ το συνολικό ρεύμα παραμένει συνεχές σε όλη τη συστοιχία.Πέρα από την τάση ανοικτού κυκλώματος, η συστοιχία τίθεται υπό θετική πόλωση και το ρεύμα στα άκρα της αλλάζει πρόσημο. Το μέγεθος του ρεύματος έγχυσης αυξάνεται με την αύξηση της πόλωσης. Ο ίδιος μηχανισμός διεπιφάνειας συνεχίζει να λειτουργεί: το κυρίαρχο ρεύμα εναλλάσσεται μεταξύ της μεταφοράς ηλεκτρονίων και οπών στο κέντρο της συσκευής, ενώ το συνολικό ρεύμα παραμένει συνεχές σε όλη τη συστοιχία.

Οι στενές κορυφές στις επιμέρους συνιστώσες του ρεύματος κοντά στο όριο περοβσκίτη/πυριτίου (περίπου 0,5 µm μέσα στην ενεργή στοίβα) εμφανίζονται στην περιοχή όπου εφαρμόζεται η ισχυρή τοπική οριακή συνθήκη ανασύνθεσης. Η ακριβής μορφή τους μπορεί να εξαρτάται από τη χωρική διακριτοποίηση και την αριθμητική αναπαράσταση της διεπαφής. Η πιο σημαντική φυσική παρατήρηση είναι ότι τα δύο υποκύτταρα παραμένουν ηλεκτρικά συνδεδεμένα, με ένα διατηρούμενο συνολικό ρεύμα παρά την απότομη ανακατανομή μεταξύ των ρευμάτων ηλεκτρονίων και οπών.Οι στενές κορυφές στις επιμέρους συνιστώσες του ρεύματος κοντά στο όριο περοβσκίτη/πυριτίου (περίπου 0,5 µm μέσα στην ενεργή στοίβα) εμφανίζονται στην περιοχή όπου εφαρμόζεται η ισχυρή τοπική οριακή συνθήκη ανασύνθεσης. Η ακριβής μορφή τους μπορεί να εξαρτάται από τη χωρική διακριτοποίηση και την αριθμητική αναπαράσταση της διεπαφής. Η πιο σημαντική φυσική παρατήρηση είναι ότι τα δύο υποκύτταρα παραμένουν ηλεκτρικά συνδεδεμένα, με ένα διατηρούμενο συνολικό ρεύμα παρά την απότομη ανακατανομή μεταξύ των ρευμάτων ηλεκτρονίων και οπών.

8. Οπτική δημιουργία και ανάλυση με τη μέθοδο της μήτρας μεταφοράς.8. Οπτική δημιουργία και ανάλυση με τη μέθοδο της μήτρας μεταφοράς.

Το ανώτερο κελί από περοβσκίτη με μεγάλο ενεργειακό χάσμα απορροφά ένα σημαντικό ποσοστό των ηλιακών φωτονίων υψηλότερης ενέργειας, ενώ το κατώτερο κελί από πυρίτιο με μικρότερο ενεργειακό χάσμα μπορεί να απορροφήσει το φως μεγαλύτερου μήκους κύματος που διαπερνά τον περοβσκίτη. Ο υπολογισμός με τη μέθοδο της μήτρας μεταφοράς λαμβάνει υπόψη την απορρόφηση και την συμβολή σε όλη την οπτική στοίβα.Το ανώτερο κελί από περοβσκίτη με μεγάλο ενεργειακό χάσμα απορροφά ένα σημαντικό ποσοστό των ηλιακών φωτονίων υψηλότερης ενέργειας, ενώ το κατώτερο κελί από πυρίτιο με μικρότερο ενεργειακό χάσμα μπορεί να απορροφήσει το φως μεγαλύτερου μήκους κύματος που διαπερνά τον περοβσκίτη. Ο υπολογισμός με τη μέθοδο της μήτρας μεταφοράς λαμβάνει υπόψη την απορρόφηση και την συμβολή σε όλη την οπτική στοίβα.

Για να ελέγξετε την οπτική συμπεριφορά, επιλέξτε την καρτέλα "Οπτική" στο κύριο παράθυρο του OghmaNano, όπως φαίνεται στην εικόνα ??, και κάντε κλικ στην επιλογή "Μεταφορά μήτρας". Αυτό ανοίγει τον επεξεργαστή οπτικής προσομοίωσης. Κάντε κλικ στο μπλε κουμπί "Αναπαραγωγή" για να εκτελέσετε τον οπτικό υπολογισμό. Τα αποτελέσματα μπορούν να εξερευνηθούν χρησιμοποιώντας τις καρτέλες στο επάνω μέρος του παραθύρου οπτικής προσομοίωσης, όπως φαίνεται στις εικόνες ??–??.Για να ελέγξετε την οπτική συμπεριφορά, επιλέξτε την καρτέλα "Οπτική" στο κύριο παράθυρο του OghmaNano, όπως φαίνεται στην εικόνα ??, και κάντε κλικ στην επιλογή "Μεταφορά μήτρας". Αυτό ανοίγει τον επεξεργαστή οπτικής προσομοίωσης. Κάντε κλικ στο μπλε κουμπί "Αναπαραγωγή" για να εκτελέσετε τον οπτικό υπολογισμό. Τα αποτελέσματα μπορούν να εξερευνηθούν χρησιμοποιώντας τις καρτέλες στο επάνω μέρος του παραθύρου οπτικής προσομοίωσης, όπως φαίνεται στις εικόνες ??–??.

Η μέθοδος της μήτρας μεταφοράς υπολογίζει τον τρόπο με τον οποίο το φως διαδίδεται μέσω της πολυεπίπεδης συσκευής, λαμβάνοντας υπόψη τις ανακλάσεις και τις παρεμβολές στις διεπαφές των υλικών. Κάθε στρώση περιγράφεται από τον μιγαδικό δείκτη διάθλασης που εξαρτάται από το μήκος κύματος, \(\tilde{n}=n+ik\), όπου το \(n\) καθορίζει την οπτική ταχύτητα φάσης και το \(k\) περιγράφει την απορρόφηση. Ως εκ τούτου, η οπτική ένταση εξαρτάται τόσο από το μήκος κύματος όσο και από τη θέση εντός της συσκευής.Η μέθοδος της μήτρας μεταφοράς υπολογίζει τον τρόπο με τον οποίο το φως διαδίδεται μέσω της πολυεπίπεδης συσκευής, λαμβάνοντας υπόψη τις ανακλάσεις και τις παρεμβολές στις διεπαφές των υλικών. Κάθε στρώση περιγράφεται από τον μιγαδικό δείκτη διάθλασης που εξαρτάται από το μήκος κύματος, \(\tilde{n}=n+ik\), όπου το \(n\) καθορίζει την οπτική ταχύτητα φάσης και το \(k\) περιγράφει την απορρόφηση. Ως εκ τούτου, η οπτική ένταση εξαρτάται τόσο από το μήκος κύματος όσο και από τη θέση εντός της συσκευής.

Το ?? απεικονίζει την πυκνότητα των φωτονίων εντός της πλήρους πολυεπίπεδης δομής. Ο οριζόντιος άξονας αντιπροσωπεύει τη θέση εντός της συσκευής, ενώ ο κάθετος άξονας αντιπροσωπεύει το μήκος κύματος. Οι φωτεινές περιοχές αντιστοιχούν σε υψηλές πυκνότητες φωτονίων, ενώ οι σκοτεινές περιοχές υποδεικνύουν χαμηλές πυκνότητες φωτονίων. Οι διακυμάνσεις προκύπτουν από έναν συνδυασμό απορρόφησης που εξαρτάται από το μήκος κύματος και οπτικής συμβολής, η οποία μπορεί να δημιουργήσει μοτίβα σταθερών κυμάτων εντός της στοίβας λεπτών υμενίων.Το ?? απεικονίζει την πυκνότητα των φωτονίων εντός της πλήρους πολυεπίπεδης δομής. Ο οριζόντιος άξονας αντιπροσωπεύει τη θέση εντός της συσκευής, ενώ ο κάθετος άξονας αντιπροσωπεύει το μήκος κύματος. Οι φωτεινές περιοχές αντιστοιχούν σε υψηλές πυκνότητες φωτονίων, ενώ οι σκοτεινές περιοχές υποδεικνύουν χαμηλές πυκνότητες φωτονίων. Οι διακυμάνσεις προκύπτουν από έναν συνδυασμό απορρόφησης που εξαρτάται από το μήκος κύματος και οπτικής συμβολής, η οποία μπορεί να δημιουργήσει μοτίβα σταθερών κυμάτων εντός της στοίβας λεπτών υμενίων.

Η κατανομή των απορροφημένων φωτονίων απεικονίζεται στο ??. Σε αντίθεση με την πυκνότητα των φωτονίων, αυτή η ποσότητα περιγράφει το πού απορροφώνται πραγματικά τα φωτόνια. Οι περιοχές περοβσκίτη και πυριτίου έχουν διαφορετικά φασματικά παράθυρα απορρόφησης. Ο περοβσκίτης απορροφά προτιμησιακά φωτόνια υψηλότερης ενέργειας, ενώ το πυρίτιο μπορεί να χρησιμοποιήσει μεγαλύτερα μήκη κύματος που περνούν μέσα από το άνω κελί. Αυτή η συμπληρωματική συμπεριφορά απορρόφησης είναι ένα από τα κύρια κίνητρα για τη συνδυασμένη χρήση αυτών των υλικών σε ένα δίδυμο ηλιακό στοιχείο.Η κατανομή των απορροφημένων φωτονίων απεικονίζεται στο ??. Σε αντίθεση με την πυκνότητα των φωτονίων, αυτή η ποσότητα περιγράφει το πού απορροφώνται πραγματικά τα φωτόνια. Οι περιοχές περοβσκίτη και πυριτίου έχουν διαφορετικά φασματικά παράθυρα απορρόφησης. Ο περοβσκίτης απορροφά προτιμησιακά φωτόνια υψηλότερης ενέργειας, ενώ το πυρίτιο μπορεί να χρησιμοποιήσει μεγαλύτερα μήκη κύματος που περνούν μέσα από το άνω κελί. Αυτή η συμπληρωματική συμπεριφορά απορρόφησης είναι ένα από τα κύρια κίνητρα για τη συνδυασμένη χρήση αυτών των υλικών σε ένα δίδυμο ηλιακό στοιχείο.

Το χωρικό προφίλ δημιουργίας φορέων φορτίου απεικονίζεται στο ??. Η μπλε καμπύλη αντιπροσωπεύει τον υπολογισμένο ρυθμό δημιουργίας, ενώ τα οριζόντια επίπεδα ενέργειας υποδεικνύουν τις θέσεις των διαφόρων υλικών στη συσκευή. Το προφίλ δημιουργίας εκτείνεται σε όλο το λεπτό άνω κελί περοβσκίτη και στο πολύ παχύτερο κάτω κελί πυριτίου. Παρατηρήστε ότι ο ρυθμός δημιουργίας αλλάζει απότομα στο όριο μεταξύ τους, αντανακλώντας τις διαφορετικές οπτικές ιδιότητες απορρόφησης.Το χωρικό προφίλ δημιουργίας φορέων φορτίου απεικονίζεται στο ??. Η μπλε καμπύλη αντιπροσωπεύει τον υπολογισμένο ρυθμό δημιουργίας, ενώ τα οριζόντια επίπεδα ενέργειας υποδεικνύουν τις θέσεις των διαφόρων υλικών στη συσκευή. Το προφίλ δημιουργίας εκτείνεται σε όλο το λεπτό άνω κελί περοβσκίτη και στο πολύ παχύτερο κάτω κελί πυριτίου. Παρατηρήστε ότι ο ρυθμός δημιουργίας αλλάζει απότομα στο όριο μεταξύ τους, αντανακλώντας τις διαφορετικές οπτικές ιδιότητες απορρόφησης.

Ο ρυθμός παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος υπολογίζεται με την ολοκλήρωση της απορρόφησης φωτονίων ως συνάρτηση του μήκους κύματος στο φάσμα της προσπίπτουσας ακτινοβολίας:Ο ρυθμός παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος υπολογίζεται με την ολοκλήρωση της απορρόφησης φωτονίων ως συνάρτηση του μήκους κύματος στο φάσμα της προσπίπτουσας ακτινοβολίας:

όπου \(\alpha(\lambda,y)\) είναι ο συντελεστής απορρόφησης και \(\Phi(\lambda,y)\) είναι η τοπική φασματική ροή φωτονίων, που ορίζεται ανά μονάδα μήκους κύματος. Ο προκύπτων ρυθμός δημιουργίας έχει μονάδες m−3 s−1 και παρέχει τον όρο πηγής για τα φωτογεννημένα ηλεκτρόνια και τις οπές στις εξισώσεις διάχυσης-μεταφοράς. Η μετατροπή από απορροφημένα φωτόνια σε ελεύθερους φορείς εξαρτάται επίσης από την απόδοση δημιουργίας φορέων από φωτόνια που χρησιμοποιείται από το μοντέλο.όπου \(\alpha(\lambda,y)\) είναι ο συντελεστής απορρόφησης και \(\Phi(\lambda,y)\) είναι η τοπική φασματική ροή φωτονίων, που ορίζεται ανά μονάδα μήκους κύματος. Ο προκύπτων ρυθμός δημιουργίας έχει μονάδες m−3 s−1 και παρέχει τον όρο πηγής για τα φωτογεννημένα ηλεκτρόνια και τις οπές στις εξισώσεις διάχυσης-μεταφοράς. Η μετατροπή από απορροφημένα φωτόνια σε ελεύθερους φορείς εξαρτάται επίσης από την απόδοση δημιουργίας φορέων από φωτόνια που χρησιμοποιείται από το μοντέλο.

Ένας σημαντικός παράγοντας που πρέπει να λαμβάνεται υπόψη κατά το σχεδιασμό των συνδυασμένων ηλιακών κυψελών είναι η εξισορρόπηση του ρεύματος. Επειδή οι δύο υποκυψέλες είναι ηλεκτρικά συνδεδεμένες σε σειρά, πρέπει να μεταφέρουν το ίδιο ρεύμα εξόδου. Η αύξηση της απορρόφησης στην μπροστινή υποκυψέλη μπορεί να μειώσει τον αριθμό των φωτονίων που φτάνουν στην οπίσθια υποκυψέλη, περιορίζοντας ενδεχομένως το ρεύμα ολόκληρης της συσκευής. Επομένως, τα βέλτιστα πάχη των απορροφητικών στρωμάτων εξαρτώνται από τις συνδυασμένες οπτικές ιδιότητες παραγωγής και τις ηλεκτρικές ιδιότητες συλλογής και των δύο υποκυψελών, και όχι απλώς από τη μεγιστοποίηση της απορρόφησης σε κάθε υλικό ξεχωριστά.Ένας σημαντικός παράγοντας που πρέπει να λαμβάνεται υπόψη κατά το σχεδιασμό των συνδυασμένων ηλιακών κυψελών είναι η εξισορρόπηση του ρεύματος. Επειδή οι δύο υποκυψέλες είναι ηλεκτρικά συνδεδεμένες σε σειρά, πρέπει να μεταφέρουν το ίδιο ρεύμα εξόδου. Η αύξηση της απορρόφησης στην μπροστινή υποκυψέλη μπορεί να μειώσει τον αριθμό των φωτονίων που φτάνουν στην οπίσθια υποκυψέλη, περιορίζοντας ενδεχομένως το ρεύμα ολόκληρης της συσκευής. Επομένως, τα βέλτιστα πάχη των απορροφητικών στρωμάτων εξαρτώνται από τις συνδυασμένες οπτικές ιδιότητες παραγωγής και τις ηλεκτρικές ιδιότητες συλλογής και των δύο υποκυψελών, και όχι απλώς από τη μεγιστοποίηση της απορρόφησης σε κάθε υλικό ξεχωριστά.

Για μια πιο λεπτομερή εξήγηση της οπτικής μεθόδου, δείτε το Μαθησιακό σεμινάριο για το Μοντέλο Πίνακα Μεταφοράς και τη Θεωρία Πίνακα Μεταφοράς.Για μια πιο λεπτομερή εξήγηση της οπτικής μεθόδου, δείτε το Μαθησιακό σεμινάριο για το Μοντέλο Πίνακα Μεταφοράς και τη Θεωρία Πίνακα Μεταφοράς.

Το αρχείο εξόδου οπτικών δεδομένων siminfo.dat περιέχει πληροφορίες σχετικά με την οπτική προσομοίωση, συμπεριλαμβανομένου του φωτορεύματος και της πυκνότητας του φωτορεύματος, όπως φαίνεται στο ??. Αυτές οι τιμές αντιπροσωπεύουν το μέγιστο θεωρητικό ρεύμα που θα μπορούσε να παραχθεί εάν το 100% των φωτοπαραγόμενων φορέων φορτίου συλλεγόταν στις επαφές, χωρίς ανασυνδυασμό ή απώλειες μεταφοράς φορτίου. Για μια δίδρομη κυψέλη, το συνολικό οπτικό φωτορεύμα δεν είναι από μόνο του το αναμενόμενο ρεύμα της συσκευής που συνδέεται σε σειρά: το τελευταίο περιορίζεται από την αντιστοίχιση του ρεύματος μεταξύ των υποκυψελών. Επομένως, αυτές οι οπτικές τιμές παρέχουν ένα σημείο αναφοράς για τη φωτοπαραγωγή και όχι μια άμεση πρόβλεψη του ρεύματος βραχυκυκλώματος (JSC) της δίδρομης κυψέλης.Το αρχείο εξόδου οπτικών δεδομένων siminfo.dat περιέχει πληροφορίες σχετικά με την οπτική προσομοίωση, συμπεριλαμβανομένου του φωτορεύματος και της πυκνότητας του φωτορεύματος, όπως φαίνεται στο ??. Αυτές οι τιμές αντιπροσωπεύουν το μέγιστο θεωρητικό ρεύμα που θα μπορούσε να παραχθεί εάν το 100% των φωτοπαραγόμενων φορέων φορτίου συλλεγόταν στις επαφές, χωρίς ανασυνδυασμό ή απώλειες μεταφοράς φορτίου. Για μια δίδρομη κυψέλη, το συνολικό οπτικό φωτορεύμα δεν είναι από μόνο του το αναμενόμενο ρεύμα της συσκευής που συνδέεται σε σειρά: το τελευταίο περιορίζεται από την αντιστοίχιση του ρεύματος μεταξύ των υποκυψελών. Επομένως, αυτές οι οπτικές τιμές παρέχουν ένα σημείο αναφοράς για τη φωτοπαραγωγή και όχι μια άμεση πρόβλεψη του ρεύματος βραχυκυκλώματος (JSC) της δίδρομης κυψέλης.

9. Προσομοιώσεις Suns-Voc και Suns-Jsc.9. Προσομοιώσεις Suns-Voc και Suns-Jsc.

Το OghmaNano παρέχει διάφορες λειτουργίες προσομοίωσης για τη διερεύνηση του τρόπου με τον οποίο μια συσκευή ανταποκρίνεται σε διαφορετικές ηλεκτρικές και οπτικές συνθήκες. Αυτές μπορούν να επιλεγούν από την κορδέλα "Τύπος προσομοίωσης" στο κύριο παράθυρο, όπως φαίνεται στην εικόνα ??. Απλώς κάντε κλικ στην απαιτούμενη λειτουργία προσομοίωσης και πατήστε το μπλε κουμπί "Εκτέλεση προσομοίωσης" ή το πλήκτρο F9 για να εκτελέσετε τον υπολογισμό.Το OghmaNano παρέχει διάφορες λειτουργίες προσομοίωσης για τη διερεύνηση του τρόπου με τον οποίο μια συσκευή ανταποκρίνεται σε διαφορετικές ηλεκτρικές και οπτικές συνθήκες. Αυτές μπορούν να επιλεγούν από την κορδέλα "Τύπος προσομοίωσης" στο κύριο παράθυρο, όπως φαίνεται στην εικόνα ??. Απλώς κάντε κλικ στην απαιτούμενη λειτουργία προσομοίωσης και πατήστε το μπλε κουμπί "Εκτέλεση προσομοίωσης" ή το πλήκτρο F9 για να εκτελέσετε τον υπολογισμό.

Δύο ιδιαίτερα χρήσιμες προσομοιώσεις για τις ηλιακές κυψέλες είναι οι Suns-Voc και Suns-Jsc. Αυτές εξετάζουν πώς η τάση ανοικτού κυκλώματος και η πυκνότητα ρεύματος βραχυκυκλώματος μεταβάλλονται καθώς μεταβάλλεται η ένταση της φωτεινής ακτινοβολίας. Παρέχουν συμπληρωματικές πληροφορίες σχετικά με τη δημιουργία, την ανασύσταση και τη συλλογή φορέων μέσα στη συσκευή.Δύο ιδιαίτερα χρήσιμες προσομοιώσεις για τις ηλιακές κυψέλες είναι οι Suns-Voc και Suns-Jsc. Αυτές εξετάζουν πώς η τάση ανοικτού κυκλώματος και η πυκνότητα ρεύματος βραχυκυκλώματος μεταβάλλονται καθώς μεταβάλλεται η ένταση της φωτεινής ακτινοβολίας. Παρέχουν συμπληρωματικές πληροφορίες σχετικά με τη δημιουργία, την ανασύσταση και τη συλλογή φορέων μέσα στη συσκευή.

Η προσομοίωση Suns-Voc υπολογίζει την τάση ανοικτού κυκλώματος σε διαφορετικές εντάσεις φωτισμού. Σε συνθήκες ανοικτού κυκλώματος, το εξωτερικό ρεύμα είναι μηδέν, επομένως η φωτογένεση πρέπει να εξισορροπείται από την ανασυνδυασμό εντός της συσκευής. Καθώς αυξάνεται ο φωτισμός, οι συγκεντρώσεις φορέων αυξάνονται γενικά, δημιουργώντας μεγαλύτερη διαφορά μεταξύ των επιπέδων ψευδο-Fermi των ηλεκτρονίων και των οπών, και επομένως υψηλότερη τάση ανοικτού κυκλώματος.Η προσομοίωση Suns-Voc υπολογίζει την τάση ανοικτού κυκλώματος σε διαφορετικές εντάσεις φωτισμού. Σε συνθήκες ανοικτού κυκλώματος, το εξωτερικό ρεύμα είναι μηδέν, επομένως η φωτογένεση πρέπει να εξισορροπείται από την ανασυνδυασμό εντός της συσκευής. Καθώς αυξάνεται ο φωτισμός, οι συγκεντρώσεις φορέων αυξάνονται γενικά, δημιουργώντας μεγαλύτερη διαφορά μεταξύ των επιπέδων ψευδο-Fermi των ηλεκτρονίων και των οπών, και επομένως υψηλότερη τάση ανοικτού κυκλώματος.

Για μια απλή φωτεινή διόδο, η σχέση μεταξύ της τάσης ανοικτού κυκλώματος και της έντασης της φωτεινής ακτινοβολίας μπορεί να προσεγγιστεί από την εξίσωση:Για μια απλή φωτεινή διόδο, η σχέση μεταξύ της τάσης ανοικτού κυκλώματος και της έντασης της φωτεινής ακτινοβολίας μπορεί να προσεγγιστεί από την εξίσωση:

όπου \(n_{\mathrm{id}}\) είναι ο παράγοντας ιδανικότητας της διόδου, \(k_B\) είναι η σταθερά του Boltzmann, \(T\) είναι η θερμοκρασία, \(q\) είναι το στοιχειώδες φορτίο, \(J_{\mathrm{ph}}\) είναι η πυκνότητα του φωτοπαραγόμενου ρεύματος και \(J_0\) είναι η πυκνότητα του ρεύματος κορεσμού στο σκοτάδι. Δεδομένου ότι το φωτοπαραγόμενο ρεύμα είναι κατά προσέγγιση ανάλογο με την ένταση της φωτεινότητας, η τάση ανοικτού κυκλώματος αυξάνεται γενικά λογαριθμικά με τον αριθμό των «ηλιακών ακτίνων».όπου \(n_{\mathrm{id}}\) είναι ο παράγοντας ιδανικότητας της διόδου, \(k_B\) είναι η σταθερά του Boltzmann, \(T\) είναι η θερμοκρασία, \(q\) είναι το στοιχειώδες φορτίο, \(J_{\mathrm{ph}}\) είναι η πυκνότητα του φωτοπαραγόμενου ρεύματος και \(J_0\) είναι η πυκνότητα του ρεύματος κορεσμού στο σκοτάδι. Δεδομένου ότι το φωτοπαραγόμενο ρεύμα είναι κατά προσέγγιση ανάλογο με την ένταση της φωτεινότητας, η τάση ανοικτού κυκλώματος αυξάνεται γενικά λογαριθμικά με τον αριθμό των «ηλιακών ακτίνων».

Σε μια φωτοβολταϊκή κυψέλη σε σειρά, η μετρούμενη τάση περιλαμβάνει συνεισφορές και από τις δύο υποκυψέλες. Ως πρώτη προσέγγιση,Σε μια φωτοβολταϊκή κυψέλη σε σειρά, η μετρούμενη τάση περιλαμβάνει συνεισφορές και από τις δύο υποκυψέλες. Ως πρώτη προσέγγιση,

όπου \(V_{\mathrm{loss}}\) αντιπροσωπεύει οποιαδήποτε πρόσθετη απώλεια τάσης που σχετίζεται με τη διασύνδεση. Για μια αποδοτική περιοχή ανασύνθεσης, αυτή η απώλεια είναι μικρή, επιτρέποντας στις φωτοτάσεις των δύο υποκυψελών να αθροιστούν.όπου \(V_{\mathrm{loss}}\) αντιπροσωπεύει οποιαδήποτε πρόσθετη απώλεια τάσης που σχετίζεται με τη διασύνδεση. Για μια αποδοτική περιοχή ανασύνθεσης, αυτή η απώλεια είναι μικρή, επιτρέποντας στις φωτοτάσεις των δύο υποκυψελών να αθροιστούν.

Η υπολογισμένη καμπύλη Suns-Voc εμφανίζεται στην ??. Το διάγραμμα απεικονίζει πώς η τάση της συστοιχίας μεταβάλλεται με την ένταση του φωτός. Η μεταβολή αυτή καθορίζεται από τον συνδυασμό της ανασύνθεσης και της διαφοράς των επιπέδων quasi-Fermi των δύο υποκυψελών· οι ακριβείς αριθμητικές τιμές μπορούν να αναγνωστούν από το αντίστοιχο αρχείο εξόδου.Η υπολογισμένη καμπύλη Suns-Voc εμφανίζεται στην ??. Το διάγραμμα απεικονίζει πώς η τάση της συστοιχίας μεταβάλλεται με την ένταση του φωτός. Η μεταβολή αυτή καθορίζεται από τον συνδυασμό της ανασύνθεσης και της διαφοράς των επιπέδων quasi-Fermi των δύο υποκυψελών· οι ακριβείς αριθμητικές τιμές μπορούν να αναγνωστούν από το αντίστοιχο αρχείο εξόδου.

Η προσομοίωση Suns-Jsc υπολογίζει αντί αυτού την πυκνότητα ρεύματος βραχυκυκλώματος ως συνάρτηση της έντασης της φωτεινής ακτινοβολίας. Στο βραχυκύκλωμα, η εφαρμοσμένη τάση στα άκρα είναι μηδέν και το μετρούμενο ρεύμα εξαρτάται από τον αριθμό των φορέων που παράγονται από το φως και μπορούν να συλλεχθούν.Η προσομοίωση Suns-Jsc υπολογίζει αντί αυτού την πυκνότητα ρεύματος βραχυκυκλώματος ως συνάρτηση της έντασης της φωτεινής ακτινοβολίας. Στο βραχυκύκλωμα, η εφαρμοσμένη τάση στα άκρα είναι μηδέν και το μετρούμενο ρεύμα εξαρτάται από τον αριθμό των φορέων που παράγονται από το φως και μπορούν να συλλεχθούν.

Εάν η απόδοση συλλογής παραμείνει περίπου σταθερή, η πυκνότητα ρεύματος βραχυκυκλώματος είναι ανάλογη της ροής των προσπιπτόντων φωτονίων. Επομένως,Εάν η απόδοση συλλογής παραμείνει περίπου σταθερή, η πυκνότητα ρεύματος βραχυκυκλώματος είναι ανάλογη της ροής των προσπιπτόντων φωτονίων. Επομένως,

όπου \(P_{\mathrm{sun}}\) είναι η σχετική ένταση φωτισμού, εκφρασμένη σε μονάδες ηλιακού φωτός. Γενικότερα, το συλλεγόμενο φωτορεύμα εξαρτάται από το χωρικό προφίλ δημιουργίας και την πιθανότητα με την οποία τα φωτογεννηθέντα φορείς φτάνουν στις επαφές:όπου \(P_{\mathrm{sun}}\) είναι η σχετική ένταση φωτισμού, εκφρασμένη σε μονάδες ηλιακού φωτός. Γενικότερα, το συλλεγόμενο φωτορεύμα εξαρτάται από το χωρικό προφίλ δημιουργίας και την πιθανότητα με την οποία τα φωτογεννηθέντα φορείς φτάνουν στις επαφές:

όπου \(G(y)\) είναι ο τοπικός ρυθμός φωτοπαραγωγής και \(\eta_{\mathrm{col}}(y)\) αντιπροσωπεύει μια αποτελεσματική απόδοση συλλογής που εξαρτάται από τη θέση.όπου \(G(y)\) είναι ο τοπικός ρυθμός φωτοπαραγωγής και \(\eta_{\mathrm{col}}(y)\) αντιπροσωπεύει μια αποτελεσματική απόδοση συλλογής που εξαρτάται από τη θέση.

Η έξοδος των Suns-Jsc εμφανίζεται στο ?? και το αντίστοιχο χαρακτηριστικό στο ??. Η υπολογιζόμενη πυκνότητα ρεύματος μεταβάλλεται ανάλογα με την ένταση της φωτεινότητας. Εξετάστε τις αριθμητικές τιμές στην γραφική παράσταση για να ποσοτικοποιήσετε τη σχέση. Το αρνητικό πρόσημο στο ρεύμα που εμφανίζεται στην γραφική παράσταση αντικατοπτρίζει τη σύμβαση για το φωτοβολταϊκό ρεύμα που χρησιμοποιεί ο επιλυτής.Η έξοδος των Suns-Jsc εμφανίζεται στο ?? και το αντίστοιχο χαρακτηριστικό στο ??. Η υπολογιζόμενη πυκνότητα ρεύματος μεταβάλλεται ανάλογα με την ένταση της φωτεινότητας. Εξετάστε τις αριθμητικές τιμές στην γραφική παράσταση για να ποσοτικοποιήσετε τη σχέση. Το αρνητικό πρόσημο στο ρεύμα που εμφανίζεται στην γραφική παράσταση αντικατοπτρίζει τη σύμβαση για το φωτοβολταϊκό ρεύμα που χρησιμοποιεί ο επιλυτής.

Οι δύο προσομοιώσεις αναδεικνύουν διαφορετικές πτυχές της λειτουργίας σε σειρά. Το Suns-Voc είναι ιδιαίτερα ευαίσθητο στις διαδικασίες ανασύνθεσης που καθορίζουν την επιτεύξιμη φωτοτάση, ενώ το Suns-Jsc παρέχει πληροφορίες σχετικά με τη φωτογένεση και τη συλλογή φορτίου. Επειδή τα δύο υποκύτταρα είναι συνδεδεμένα σε σειρά, πρέπει να μεταφέρουν το ίδιο ρεύμα εξόδου, επομένως το ρεύμα που παράγεται από το πλήρες σύστημα σε σειρά περιορίζεται από την ηλεκτρική και οπτική απόδοση και των δύο απορροφητών. Συνολικά, αυτές οι προσομοιώσεις παρέχουν έναν χρήσιμο τρόπο για τη διερεύνηση της συμπεριφοράς του συστήματος σε σειρά σε ένα εύρος συνθηκών φωτισμού.Οι δύο προσομοιώσεις αναδεικνύουν διαφορετικές πτυχές της λειτουργίας σε σειρά. Το Suns-Voc είναι ιδιαίτερα ευαίσθητο στις διαδικασίες ανασύνθεσης που καθορίζουν την επιτεύξιμη φωτοτάση, ενώ το Suns-Jsc παρέχει πληροφορίες σχετικά με τη φωτογένεση και τη συλλογή φορτίου. Επειδή τα δύο υποκύτταρα είναι συνδεδεμένα σε σειρά, πρέπει να μεταφέρουν το ίδιο ρεύμα εξόδου, επομένως το ρεύμα που παράγεται από το πλήρες σύστημα σε σειρά περιορίζεται από την ηλεκτρική και οπτική απόδοση και των δύο απορροφητών. Συνολικά, αυτές οι προσομοιώσεις παρέχουν έναν χρήσιμο τρόπο για τη διερεύνηση της συμπεριφοράς του συστήματος σε σειρά σε ένα εύρος συνθηκών φωτισμού.

10. Προτεινόμενες εξετάσεις.10. Προτεινόμενες εξετάσεις.

Το βασικό συμπέρασμα είναι ότι η οπτική στοίβαξη και η ηλεκτρική διασύνδεση πρέπει να αναλύονται από κοινού. Το περοβσκίτη φιλτράρει το φάσμα που φτάνει στο πυρίτιο, ενώ ο μηχανισμός ανασύνθεσης της διεπαφής παρέχει τη σύνδεση σε σειρά με δύο ακροδέκτες, χωρίς την ανάγκη ενός τεχνητού, ηλεκτρικά απομονωμένου ενδιάμεσου ημιαγωγού.Το βασικό συμπέρασμα είναι ότι η οπτική στοίβαξη και η ηλεκτρική διασύνδεση πρέπει να αναλύονται από κοινού. Το περοβσκίτη φιλτράρει το φάσμα που φτάνει στο πυρίτιο, ενώ ο μηχανισμός ανασύνθεσης της διεπαφής παρέχει τη σύνδεση σε σειρά με δύο ακροδέκτες, χωρίς την ανάγκη ενός τεχνητού, ηλεκτρικά απομονωμένου ενδιάμεσου ημιαγωγού.