Simulación de células solares orgánicas en tándem: PCDTBT:PC70BM / PM6:Y6 y recombinación en la interfaz.Simulación de células solares orgánicas en tándem: PCDTBT:PC70BM / PM6:Y6 y recombinación en la interfaz.

1. Introducción: ¿por qué combinar dos células solares orgánicas?1. Introducción: ¿por qué combinar dos células solares orgánicas?

Los absorbentes fotovoltaicos orgánicos ofrecen espectros ópticos que pueden ajustarse químicamente y pueden depositarse en forma de películas delgadas. Una célula solar en tándem coloca dos absorbentes en el camino óptico de tal manera que el primero intercepta una parte del espectro incidente y el segundo utiliza los fotones que lo atraviesan. En este caso, el absorbente frontal es PCDTBT:PC70BM, mientras que el absorbente trasero es PM6:Y6. Estas mezclas tienen diferentes características de absorción óptica y diferentes valores de banda prohibida efectivos.Los absorbentes fotovoltaicos orgánicos ofrecen espectros ópticos que pueden ajustarse químicamente y pueden depositarse en forma de películas delgadas. Una célula solar en tándem coloca dos absorbentes en el camino óptico de tal manera que el primero intercepta una parte del espectro incidente y el segundo utiliza los fotones que lo atraviesan. En este caso, el absorbente frontal es PCDTBT:PC70BM, mientras que el absorbente trasero es PM6:Y6. Estas mezclas tienen diferentes características de absorción óptica y diferentes valores de banda prohibida efectivos.

El ejemplo muestra una estructura monolítica en tándem con dos terminales (2T). Las subcélulas comparten una corriente externa y sus voltajes contribuyen al voltaje del terminal. Una unión interna debe permitir que los electrones que llegan de una subcélula se recombinen con los huecos que llegan de la otra. En lugar de insertar un semiconductor artificial delgado para facilitar la recombinación, este ejemplo utiliza una condición de contorno de recombinación en la interfaz directamente entre las dos regiones absorbentes.El ejemplo muestra una estructura monolítica en tándem con dos terminales (2T). Las subcélulas comparten una corriente externa y sus voltajes contribuyen al voltaje del terminal. Una unión interna debe permitir que los electrones que llegan de una subcélula se recombinen con los huecos que llegan de la otra. En lugar de insertar un semiconductor artificial delgado para facilitar la recombinación, este ejemplo utiliza una condición de contorno de recombinación en la interfaz directamente entre las dos regiones absorbentes.

Los parámetros eléctricos son valores representativos del comportamiento del material en su conjunto, elegidos intencionadamente para demostrar el modelo acoplado, en lugar de ofrecer una descripción calibrada de un dispositivo específico. Los conjuntos de datos ópticos y los parámetros de banda se tratan por separado.Los parámetros eléctricos son valores representativos del comportamiento del material en su conjunto, elegidos intencionadamente para demostrar el modelo acoplado, en lugar de ofrecer una descripción calibrada de un dispositivo específico. Los conjuntos de datos ópticos y los parámetros de banda se tratan por separado.

2. Abrir el ejemplo del tándem orgánico.2. Abrir el ejemplo del tándem orgánico.

Inicie OghmaNano y seleccione «Nueva simulación» (??). Busque el ejemplo de tándem orgánico en el navegador de simulaciones (??) y ábralo. La vista de la estructura del dispositivo (??) muestra la pila óptica completa.Inicie OghmaNano y seleccione «Nueva simulación» (??). Busque el ejemplo de tándem orgánico en el navegador de simulaciones (??) y ábralo. La vista de la estructura del dispositivo (??) muestra la pila óptica completa.

Guarde una copia antes de modificar los parámetros. La cinta de herramientas de Electricidad contiene los editores de parámetros de Capa, Contacto, Interfaz y Electricidad (??).Guarde una copia antes de modificar los parámetros. La cinta de herramientas de Electricidad contiene los editores de parámetros de Capa, Contacto, Interfaz y Electricidad (??).

💡 Consejo: Para obtener el mejor rendimiento, guarde los archivos en una unidad local, como C:\. Las simulaciones almacenadas en carpetas de red, unidades USB o en la nube (por ejemplo, OneDrive) pueden ejecutarse de forma lenta debido a la gran cantidad de operaciones de lectura y escritura.💡 Consejo: Para obtener el mejor rendimiento, guarde los archivos en una unidad local, como C:\. Las simulaciones almacenadas en carpetas de red, unidades USB o en la nube (por ejemplo, OneDrive) pueden ejecutarse de forma lenta debido a la gran cantidad de operaciones de lectura y escritura.

3. Ejecución de la simulación de la célula solar tándem orgánica.3. Ejecución de la simulación de la célula solar tándem orgánica.

La representación tridimensional de la célula solar orgánica en tándem se muestra en ??. El dispositivo consta de seis capas, incluidas dos capas orgánicas absorbentes activas eléctricamente, PCDTBT:PC70BM y PM6:Y6, que se encuentran entre los electrodos frontal y trasero. Haga clic en el botón Capas en la cinta de opciones Eléctrica para abrir el editor de capas, que se muestra en ??. Esta ventana muestra los materiales, los espesores y la configuración eléctrica de cada capa. Las capas marcadas como Activas se incluyen en la simulación eléctrica, lo que significa que las ecuaciones de deriva-difusión se resuelven dentro de estas regiones. Las capas marcadas como Otras se incluyen en la pila óptica, pero no se incluyen explícitamente en la simulación de deriva-difusión eléctrica. En este ejemplo, las capas de ZnO y MoOx se designan como Otras. Las capas marcadas como Contacto se incluyen en la pila óptica y definen las condiciones de contorno eléctricas para las regiones semiconductoras activas. Su posición exacta dentro de la pila de capas no es crítica, siempre y cuando se coloquen en el lado apropiado de las capas activas eléctricamente. La configuración de capas resultante debe coincidir con la tabla que se muestra a continuación.La representación tridimensional de la célula solar orgánica en tándem se muestra en ??. El dispositivo consta de seis capas, incluidas dos capas orgánicas absorbentes activas eléctricamente, PCDTBT:PC70BM y PM6:Y6, que se encuentran entre los electrodos frontal y trasero. Haga clic en el botón Capas en la cinta de opciones Eléctrica para abrir el editor de capas, que se muestra en ??. Esta ventana muestra los materiales, los espesores y la configuración eléctrica de cada capa. Las capas marcadas como Activas se incluyen en la simulación eléctrica, lo que significa que las ecuaciones de deriva-difusión se resuelven dentro de estas regiones. Las capas marcadas como Otras se incluyen en la pila óptica, pero no se incluyen explícitamente en la simulación de deriva-difusión eléctrica. En este ejemplo, las capas de ZnO y MoOx se designan como Otras. Las capas marcadas como Contacto se incluyen en la pila óptica y definen las condiciones de contorno eléctricas para las regiones semiconductoras activas. Su posición exacta dentro de la pila de capas no es crítica, siempre y cuando se coloquen en el lado apropiado de las capas activas eléctricamente. La configuración de capas resultante debe coincidir con la tabla que se muestra a continuación.

Obsérvese que el voltaje de circuito abierto (\(V_{OC}\)) que se indica en ?? es de aproximadamente 1,37 V, lo cual es considerablemente más alto de lo que normalmente se esperaría de una célula solar orgánica de una sola unión. Esto ilustra una de las principales ventajas de una estructura en tándem: los fotovoltajes generados por las dos subcélulas se suman, lo que produce un voltaje de circuito abierto total más elevado.Obsérvese que el voltaje de circuito abierto (\(V_{OC}\)) que se indica en ?? es de aproximadamente 1,37 V, lo cual es considerablemente más alto de lo que normalmente se esperaría de una célula solar orgánica de una sola unión. Esto ilustra una de las principales ventajas de una estructura en tándem: los fotovoltajes generados por las dos subcélulas se suman, lo que produce un voltaje de circuito abierto total más elevado.

Capa (de adelante hacia atrás)Capa (de adelante hacia atrás)	GrosorGrosor	RolRol
ITOITO	100 nanómetros100 nanómetros	Electrodo frontal transparente.Electrodo frontal transparente.
Óxido de zincÓxido de zinc	30 nanómetros30 nanómetros	Material de la capa óptica/de transporte frontal.Material de la capa óptica/de transporte frontal.
PCDTBT:PC70BMPCDTBT:PC70BM	100 nanómetros100 nanómetros	Absorbedor orgánico de heterounión en masa dispuesto en la parte frontal, con una mayor separación eléctrica efectiva.Absorbedor orgánico de heterounión en masa dispuesto en la parte frontal, con una mayor separación eléctrica efectiva.
PM6:Y6PM6:Y6	100 nanómetros100 nanómetros	Absorbedor orgánico de heterounión masiva dispuesto en la parte posterior, con una menor separación eléctrica efectiva.Absorbedor orgánico de heterounión masiva dispuesto en la parte posterior, con una menor separación eléctrica efectiva.
MoOxMoOx	10 nanómetros10 nanómetros	Material para la capa óptica/de transporte trasera.Material para la capa óptica/de transporte trasera.
AgAg	100 nanómetros100 nanómetros	Electrodo metálico trasero.Electrodo metálico trasero.

Para ejecutar la simulación, haga clic en el botón azul «Ejecutar simulación» o pulse la tecla F9. El solucionador numérico calcula la característica corriente-tensión (I-V) del dispositivo tándem completo. El resultado del solucionador se muestra en ??. Observe que la corriente cruza el valor cero aproximadamente a 1,38 V, lo que corresponde a la tensión de circuito abierto \(V_{OC}\) de la célula solar tándem.Para ejecutar la simulación, haga clic en el botón azul «Ejecutar simulación» o pulse la tecla F9. El solucionador numérico calcula la característica corriente-tensión (I-V) del dispositivo tándem completo. El resultado del solucionador se muestra en ??. Observe que la corriente cruza el valor cero aproximadamente a 1,38 V, lo que corresponde a la tensión de circuito abierto \(V_{OC}\) de la célula solar tándem.

💡 Consejo: Aunque la salida en la terminal pueda parecer complicada, en realidad es bastante fácil de interpretar. «Izquierda» y «Derecha» se refieren a los contactos eléctricos izquierdo y derecho, respectivamente. Los valores de voltaje indican el voltaje aplicado a cada contacto, mientras que los valores de corriente indican la corriente que fluye a través de cada contacto. El valor que aparece entre los corchetes de error indica el grado de convergencia de la simulación. Un exponente de error entre aproximadamente -6 y -11 indica una buena convergencia, mientras que los valores entre -2 y 1 sugieren una convergencia deficiente. Por último, el tiempo en milisegundos (ms) indica cuánto tardó en completarse esa iteración de Newton en particular.💡 Consejo: Aunque la salida en la terminal pueda parecer complicada, en realidad es bastante fácil de interpretar. «Izquierda» y «Derecha» se refieren a los contactos eléctricos izquierdo y derecho, respectivamente. Los valores de voltaje indican el voltaje aplicado a cada contacto, mientras que los valores de corriente indican la corriente que fluye a través de cada contacto. El valor que aparece entre los corchetes de error indica el grado de convergencia de la simulación. Un exponente de error entre aproximadamente -6 y -11 indica una buena convergencia, mientras que los valores entre -2 y 1 sugieren una convergencia deficiente. Por último, el tiempo en milisegundos (ms) indica cuánto tardó en completarse esa iteración de Newton en particular.

Una vez que se haya completado el cálculo, abra la pestaña de resultados, que se muestra en ??. Esta pestaña contiene los archivos generados por la simulación, incluida la curva característica J-V calculada, las distribuciones internas de portadores y la información de la simulación.Una vez que se haya completado el cálculo, abra la pestaña de resultados, que se muestra en ??. Esta pestaña contiene los archivos generados por la simulación, incluida la curva característica J-V calculada, las distribuciones internas de portadores y la información de la simulación.

Haga doble clic en jv.csv para abrir la curva característica de corriente-voltaje calculada (??). Las dos subcélulas están conectadas eléctricamente en serie, por lo que conducen la misma corriente, mientras que sus fotovoltajes contribuyen al voltaje total en los terminales.Haga doble clic en jv.csv para abrir la curva característica de corriente-voltaje calculada (??). Las dos subcélulas están conectadas eléctricamente en serie, por lo que conducen la misma corriente, mientras que sus fotovoltajes contribuyen al voltaje total en los terminales.

Haga doble clic en sim_info.dat para abrir la información de la simulación (??). Este archivo contiene información sobre el rendimiento calculado del dispositivo y la configuración de la simulación.Haga doble clic en sim_info.dat para abrir la información de la simulación (??). Este archivo contiene información sobre el rendimiento calculado del dispositivo y la configuración de la simulación.

4. Parámetros eléctricos y recombinación en volumen.4. Parámetros eléctricos y recombinación en volumen.

Las propiedades eléctricas de los dos materiales orgánicos absorbentes se pueden examinar haciendo clic en el botón «Parámetros eléctricos» en la ventana principal de OghmaNano. Esto abre el editor de parámetros eléctricos, donde se pueden configurar las diferencias de energía entre las bandas del material, las afinidades electrónicas, las movilidades de los portadores, las densidades de estados y los mecanismos de recombinación. Las ventanas de parámetros para PCDTBT:PC70BM y PM6:Y6 se muestran en ?? y ??, respectivamente.Las propiedades eléctricas de los dos materiales orgánicos absorbentes se pueden examinar haciendo clic en el botón «Parámetros eléctricos» en la ventana principal de OghmaNano. Esto abre el editor de parámetros eléctricos, donde se pueden configurar las diferencias de energía entre las bandas del material, las afinidades electrónicas, las movilidades de los portadores, las densidades de estados y los mecanismos de recombinación. Las ventanas de parámetros para PCDTBT:PC70BM y PM6:Y6 se muestran en ?? y ??, respectivamente.

El ejemplo utiliza parámetros eléctricos representativos y efectivos para los dos absorbentes orgánicos de heterounión masiva. Las movilidades y densidades de estados se eligen para obtener un comportamiento físicamente razonable en el transporte de carga, mientras que las diferencias de energía de banda y las afinidades electrónicas proporcionan una alineación energética ilustrativa entre las subcélulas. Estos parámetros describen un modelo de deriva-difusión efectivo, en lugar de la estructura electrónica microscópica completa de los materiales donantes y aceptores individuales.El ejemplo utiliza parámetros eléctricos representativos y efectivos para los dos absorbentes orgánicos de heterounión masiva. Las movilidades y densidades de estados se eligen para obtener un comportamiento físicamente razonable en el transporte de carga, mientras que las diferencias de energía de banda y las afinidades electrónicas proporcionan una alineación energética ilustrativa entre las subcélulas. Estos parámetros describen un modelo de deriva-difusión efectivo, en lugar de la estructura electrónica microscópica completa de los materiales donantes y aceptores individuales.

ParámetroParámetro	PCDTBT:PC70BMPCDTBT:PC70BM	PM6:Y6PM6:Y6
Espacio dieléctrico efectivo, EgEspacio dieléctrico efectivo, Eg	1,60 eV1,60 eV	1,35 eV1,35 eV
Afinidad electrónica, χAfinidad electrónica, χ	1,60 eV1,60 eV	1,65 eV1,65 eV
Movilidad electrónica, μnMovilidad electrónica, μn	1 × 10⁻⁷ m⁻² V⁻¹ s⁻¹1 × 10⁻⁷ m⁻² V⁻¹ s⁻¹	2 × 10⁻⁸ m² V⁻¹ s⁻¹2 × 10⁻⁸ m² V⁻¹ s⁻¹
Movilidad de los huecos, μpMovilidad de los huecos, μp	3 × 10⁻⁹ m² V⁻¹ s⁻¹3 × 10⁻⁹ m² V⁻¹ s⁻¹	1 × 10⁻⁸ m⁻² V⁻¹ s⁻¹1 × 10⁻⁸ m⁻² V⁻¹ s⁻¹
Densidades de estados efectivas, Nc y NvDensidades de estados efectivas, Nc y Nv	5 × 1025 m−35 × 1025 m−3	5 × 1025 m−35 × 1025 m−3
Recombinación masivaRecombinación masiva	Equilibrio en la salud sexual y reproductivaEquilibrio en la salud sexual y reproductiva	Equilibrio en la salud sexual y reproductivaEquilibrio en la salud sexual y reproductiva

La captura de cargas y la recombinación asistida por trampas son especialmente importantes en los semiconductores orgánicos desordenados, donde el desorden estructural, los defectos energéticos y los estados electrónicos localizados pueden influir significativamente en el transporte y la recombinación de las cargas. Por este motivo, el ejemplo utiliza la recombinación de Shockley-Read-Hall (SRH) en lugar de un modelo simple de recombinación bimolecular. La recombinación de SRH proporciona una descripción eficaz y práctica de la recombinación mediada por estados de trampa localizados, aunque otros mecanismos de recombinación también pueden ser importantes en los dispositivos fotovoltaicos orgánicos reales.La captura de cargas y la recombinación asistida por trampas son especialmente importantes en los semiconductores orgánicos desordenados, donde el desorden estructural, los defectos energéticos y los estados electrónicos localizados pueden influir significativamente en el transporte y la recombinación de las cargas. Por este motivo, el ejemplo utiliza la recombinación de Shockley-Read-Hall (SRH) en lugar de un modelo simple de recombinación bimolecular. La recombinación de SRH proporciona una descripción eficaz y práctica de la recombinación mediada por estados de trampa localizados, aunque otros mecanismos de recombinación también pueden ser importantes en los dispositivos fotovoltaicos orgánicos reales.

Ambos absorbentes utilizan el modelo de equilibrio SRH con una densidad de trampas efectiva de 5 × 1022 m−3 y secciones transversales de captura de electrones y huecos de 10−19 m². En la aproximación convencional de un solo nivel, la tasa de recombinación se expresa de la siguiente manera:Ambos absorbentes utilizan el modelo de equilibrio SRH con una densidad de trampas efectiva de 5 × 1022 m−3 y secciones transversales de captura de electrones y huecos de 10−19 m². En la aproximación convencional de un solo nivel, la tasa de recombinación se expresa de la siguiente manera:

\[ R_{\mathrm{SRH}} = \frac{np-n^{eq}p^{eq}} {\tau_p(n+n_1)+\tau_n(p+p_1)}. \]

Aquí, \(n\) y \(p\) representan las densidades de electrones libres y de huecos, \(n^{eq}\) y \(p^{eq}\) sus valores de equilibrio, \(\tau_n\) y \(\tau_p\) los tiempos de vida de captura de electrones y huecos, y \(n_1\) y \(p_1\) describen las concentraciones de portadores asociadas con la energía de la trampa. La tasa de recombinación depende de las poblaciones de portadores disponibles y se anula en el equilibrio térmico. Este proceso de recombinación en el volumen es distinto del mecanismo de recombinación en la interfaz que se utiliza para conectar las dos subcélulas fotovoltaicas.Aquí, \(n\) y \(p\) representan las densidades de electrones libres y de huecos, \(n^{eq}\) y \(p^{eq}\) sus valores de equilibrio, \(\tau_n\) y \(\tau_p\) los tiempos de vida de captura de electrones y huecos, y \(n_1\) y \(p_1\) describen las concentraciones de portadores asociadas con la energía de la trampa. La tasa de recombinación depende de las poblaciones de portadores disponibles y se anula en el equilibrio térmico. Este proceso de recombinación en el volumen es distinto del mecanismo de recombinación en la interfaz que se utiliza para conectar las dos subcélulas fotovoltaicas.

5. La capa de recombinación.5. La capa de recombinación.

En una célula solar tándem real, las dos uniones fotovoltaicas están conectadas mediante una capa de interconexión o recombinación. Esta región permite que los electrones que llegan de una subcélula se recombinen con los huecos que llegan de la otra, lo que proporciona una conexión eléctrica entre las dos uniones. En la práctica, la interconexión puede consistir en varias capas delgadas de transporte selectivo de electrones y huecos, junto con un material con capacidad de recombinación, como un metal delgado o un óxido conductor.En una célula solar tándem real, las dos uniones fotovoltaicas están conectadas mediante una capa de interconexión o recombinación. Esta región permite que los electrones que llegan de una subcélula se recombinen con los huecos que llegan de la otra, lo que proporciona una conexión eléctrica entre las dos uniones. En la práctica, la interconexión puede consistir en varias capas delgadas de transporte selectivo de electrones y huecos, junto con un material con capacidad de recombinación, como un metal delgado o un óxido conductor.

Una forma de modelar esta región es insertar una capa delgada de semiconductor con un coeficiente de recombinación bimolecular muy alto. Aunque esto puede reproducir el comportamiento de recombinación deseado, combinar capas extremadamente delgadas con tasas de recombinación muy altas puede hacer que las ecuaciones numéricas sean complejas y difíciles de resolver. Un enfoque más eficiente, especialmente cuando la estructura interna de la interconexión no es relevante, es reemplazarla con una interfaz de recombinación infinitamente delgada. Este es el enfoque que se utiliza en la simulación en tándem que se presenta.Una forma de modelar esta región es insertar una capa delgada de semiconductor con un coeficiente de recombinación bimolecular muy alto. Aunque esto puede reproducir el comportamiento de recombinación deseado, combinar capas extremadamente delgadas con tasas de recombinación muy altas puede hacer que las ecuaciones numéricas sean complejas y difíciles de resolver. Un enfoque más eficiente, especialmente cuando la estructura interna de la interconexión no es relevante, es reemplazarla con una interfaz de recombinación infinitamente delgada. Este es el enfoque que se utiliza en la simulación en tándem que se presenta.

La interfaz se configura mediante el Editor de interfaz, como se muestra en ??Para obtener más información sobre las ecuaciones fundamentales que rigen el transporte, consulte el documento. teoría de la interfaz de semiconductoresSeleccione PCDTBT:PC70BM/PM6:Y6 interfaz para analizar los parámetros de recombinación y transporte. La interfaz se configura mediante el Editor de interfaz, como se muestra en ??Para obtener más información sobre las ecuaciones fundamentales que rigen el transporte, consulte el documento. teoría de la interfaz de semiconductoresSeleccione PCDTBT:PC70BM/PM6:Y6 interfaz para analizar los parámetros de recombinación y transporte.

En este modelo, tanto la movilidad de los electrones como la de los huecos en la interfaz se establecen en cero. Esto desactiva el transporte convencional de electrones y huecos por deriva y difusión a través de la frontera, eliminando de hecho los términos de transporte ordinarios que conectan los puntos de la malla adyacente. En cambio, las dos subceldas se acoplan eléctricamente mediante un mecanismo de recombinación transfronteriza, que permite que un electrón de un lado de la interfaz se recombine directamente con un hueco del otro lado.En este modelo, tanto la movilidad de los electrones como la de los huecos en la interfaz se establecen en cero. Esto desactiva el transporte convencional de electrones y huecos por deriva y difusión a través de la frontera, eliminando de hecho los términos de transporte ordinarios que conectan los puntos de la malla adyacente. En cambio, las dos subceldas se acoplan eléctricamente mediante un mecanismo de recombinación transfronteriza, que permite que un electrón de un lado de la interfaz se recombine directamente con un hueco del otro lado.

El mecanismo de recombinación elimina un electrón de un lado de la interfaz y un hueco del otro. Los dos posibles emparejamientos de portadores se describen en:El mecanismo de recombinación elimina un electrón de un lado de la interfaz y un hueco del otro. Los dos posibles emparejamientos de portadores se describen en:

\[ R_{l2r}=K_{l2r}\left(n_Lp_R-n_L^{eq}p_R^{eq}\right), \] \[ R_{r2l}=K_{r2l}\left(n_Rp_L-n_R^{eq}p_L^{eq}\right). \]

Aquí, \(L\) y \(R\) indican los puntos de la malla que se encuentran inmediatamente a la izquierda y a la derecha de la interfaz, mientras que el superíndice \(eq\) indica las concentraciones de equilibrio de los portadores de carga. Los coeficientes \(K_{l2r}\) y \(K_{r2l}\) tienen unidades de m⁴ s⁻¹, lo que indica las tasas de recombinación por unidad de área en m⁻² s⁻¹. La densidad de corriente de recombinación correspondiente es \(J_{\mathrm{rec}}=qR\). Restar el producto de equilibrio de los portadores de carga garantiza que la tasa neta de recombinación sea nula en el equilibrio térmico.Aquí, \(L\) y \(R\) indican los puntos de la malla que se encuentran inmediatamente a la izquierda y a la derecha de la interfaz, mientras que el superíndice \(eq\) indica las concentraciones de equilibrio de los portadores de carga. Los coeficientes \(K_{l2r}\) y \(K_{r2l}\) tienen unidades de m⁴ s⁻¹, lo que indica las tasas de recombinación por unidad de área en m⁻² s⁻¹. La densidad de corriente de recombinación correspondiente es \(J_{\mathrm{rec}}=qR\). Restar el producto de equilibrio de los portadores de carga garantiza que la tasa neta de recombinación sea nula en el equilibrio térmico.

En este ejemplo, la vía de recombinación predominante se produce entre los electrones del PM6:Y6, situado a la derecha, y las lagunas del PCDTBT:PC70BM, situado a la izquierda. Los coeficientes son \(K_{r2l}=10^{-7}\,\mathrm{m^4\,s^{-1}}\) y \(K_{l2r}=10^{-29}\,\mathrm{m^4\,s^{-1}}\). La gran diferencia entre estos valores hace que la recombinación sea fuertemente direccional, tal como exige la disposición de las dos uniones fotovoltaicas.En este ejemplo, la vía de recombinación predominante se produce entre los electrones del PM6:Y6, situado a la derecha, y las lagunas del PCDTBT:PC70BM, situado a la izquierda. Los coeficientes son \(K_{r2l}=10^{-7}\,\mathrm{m^4\,s^{-1}}\) y \(K_{l2r}=10^{-29}\,\mathrm{m^4\,s^{-1}}\). La gran diferencia entre estos valores hace que la recombinación sea fuertemente direccional, tal como exige la disposición de las dos uniones fotovoltaicas.

El objetivo de la interfaz de recombinación es proporcionar una conexión eléctrica entre las subcélulas, al tiempo que permite que sus fotovoltajes individuales se sumen. Una interconexión eficiente acerca los niveles cuasi-Fermi de electrones y huecos relevantes en el centro del dispositivo, minimizando la pérdida de voltaje en la unión de recombinación.El objetivo de la interfaz de recombinación es proporcionar una conexión eléctrica entre las subcélulas, al tiempo que permite que sus fotovoltajes individuales se sumen. Una interconexión eficiente acerca los niveles cuasi-Fermi de electrones y huecos relevantes en el centro del dispositivo, minimizando la pérdida de voltaje en la unión de recombinación.

Según la estadística de Boltzmann, la densidad de electrones en el lado derecho y la densidad de huecos en el lado izquierdo están relacionadas con su separación en términos del nivel cuasi-Fermi mediante:Según la estadística de Boltzmann, la densidad de electrones en el lado derecho y la densidad de huecos en el lado izquierdo están relacionadas con su separación en términos del nivel cuasi-Fermi mediante:

\[ n_Rp_L=n_R^{eq}p_L^{eq} \exp\left(\frac{E_{Fn,R}-E_{Fp,L}}{k_BT}\right). \]

Por lo tanto, la corriente de recombinación puede expresarse de la siguiente manera:Por lo tanto, la corriente de recombinación puede expresarse de la siguiente manera:

\[ J_{\mathrm{rec}}= qK_{r2l}n_R^{eq}p_L^{eq} \left[ \exp\left(\frac{E_{Fn,R}-E_{Fp,L}}{k_BT}\right)-1 \right]. \]

A medida que aumenta el coeficiente de recombinación, se necesita una separación menor entre \(E_{Fn,R}\) y \(E_{Fp,L}\) para mantener la misma corriente. En el límite de alta recombinación, estos dos niveles cuasi-Fermi se acercan, creando un contacto de recombinación efectivo entre las subcélulas. Esto permite que la fototensión generada por cada absorbente contribuya a la tensión total de la celda en tándem, al tiempo que se reduce la pérdida de tensión asociada con la interconexión.A medida que aumenta el coeficiente de recombinación, se necesita una separación menor entre \(E_{Fn,R}\) y \(E_{Fp,L}\) para mantener la misma corriente. En el límite de alta recombinación, estos dos niveles cuasi-Fermi se acercan, creando un contacto de recombinación efectivo entre las subcélulas. Esto permite que la fototensión generada por cada absorbente contribuya a la tensión total de la celda en tándem, al tiempo que se reduce la pérdida de tensión asociada con la interconexión.

En el caso de dos subcélulas conectadas eléctricamente en serie, la densidad de corriente es la misma en ambas; no es la suma de sus fotocorrientes individuales. Una curva característica J-V de una célula fotovoltaica se define habitualmente por su densidad de corriente de cortocircuito, su tensión de circuito abierto y su punto de máxima potencia, siempre y cuando el rango de polarización simulado incluya estos puntos de funcionamiento.En el caso de dos subcélulas conectadas eléctricamente en serie, la densidad de corriente es la misma en ambas; no es la suma de sus fotocorrientes individuales. Una curva característica J-V de una célula fotovoltaica se define habitualmente por su densidad de corriente de cortocircuito, su tensión de circuito abierto y su punto de máxima potencia, siempre y cuando el rango de polarización simulado incluya estos puntos de funcionamiento.

Interprete la forma y el signo de la curva J-V mostrada utilizando las convenciones de corriente del programa de simulación. El ejemplo que se muestra ilustra la respuesta eléctrica combinada; no debe considerarse como una afirmación de eficiencia calibrada experimentalmente. Antes de informar sobre los datos numéricos de rendimiento, revise el archivo CSV subyacente.Interprete la forma y el signo de la curva J-V mostrada utilizando las convenciones de corriente del programa de simulación. El ejemplo que se muestra ilustra la respuesta eléctrica combinada; no debe considerarse como una afirmación de eficiencia calibrada experimentalmente. Antes de informar sobre los datos numéricos de rendimiento, revise el archivo CSV subyacente.

6. Estructura de bandas y niveles cuasi-Fermi.6. Estructura de bandas y niveles cuasi-Fermi.

Para analizar el funcionamiento eléctrico de las dos subcélulas, abra la carpeta de instantáneas en la pestaña de resultados. Esto abrirá el visor de instantáneas, que permite examinar las propiedades eléctricas internas del dispositivo a diferentes voltajes aplicados. Haga clic en el botón + y agregue los archivos Ec.csv, Ev.csv, Fn.csv y Fp.csv para mostrar, respectivamente, el borde de la banda de conducción, el borde de la banda de valencia, el nivel cuasi-Fermi de los electrones y el nivel cuasi-Fermi de los huecos. Para obtener más instrucciones, consulte la documentación del Visor de instantáneas.Para analizar el funcionamiento eléctrico de las dos subcélulas, abra la carpeta de instantáneas en la pestaña de resultados. Esto abrirá el visor de instantáneas, que permite examinar las propiedades eléctricas internas del dispositivo a diferentes voltajes aplicados. Haga clic en el botón + y agregue los archivos Ec.csv, Ev.csv, Fn.csv y Fp.csv para mostrar, respectivamente, el borde de la banda de conducción, el borde de la banda de valencia, el nivel cuasi-Fermi de los electrones y el nivel cuasi-Fermi de los huecos. Para obtener más instrucciones, consulte la documentación del Visor de instantáneas.

La barra deslizante que se encuentra en la parte inferior de la ventana nos permite desplazarnos a lo largo del rango de voltaje. Los cuatro ejemplos que se muestran en ??–?? ilustran la evolución de la estructura de bandas a medida que el voltaje aplicado aumenta de 0 V a 2 V. Las imágenes intermedias corresponden aproximadamente a 0,67 V y 1,33 V, siendo este último valor cercano al voltaje de circuito abierto de la celda en tándem.La barra deslizante que se encuentra en la parte inferior de la ventana nos permite desplazarnos a lo largo del rango de voltaje. Los cuatro ejemplos que se muestran en ??–?? ilustran la evolución de la estructura de bandas a medida que el voltaje aplicado aumenta de 0 V a 2 V. Las imágenes intermedias corresponden aproximadamente a 0,67 V y 1,33 V, siendo este último valor cercano al voltaje de circuito abierto de la celda en tándem.

Las curvas azul y roja representan los límites de movilidad de conducción y de valencia, mientras que las curvas verde y cian representan los niveles cuasi-Fermi de electrones y huecos. Bajo la acción de la luz, la separación entre los niveles cuasi-Fermi de electrones y huecos refleja las poblaciones locales de portadores que no están en equilibrio y está estrechamente relacionada con la fototensión generada por cada subcelda.Las curvas azul y roja representan los límites de movilidad de conducción y de valencia, mientras que las curvas verde y cian representan los niveles cuasi-Fermi de electrones y huecos. Bajo la acción de la luz, la separación entre los niveles cuasi-Fermi de electrones y huecos refleja las poblaciones locales de portadores que no están en equilibrio y está estrechamente relacionada con la fototensión generada por cada subcelda.

En una célula solar en tándem, las dos uniones fotovoltaicas están conectadas en serie. En consecuencia, las contribuciones de voltaje de las dos subcélulas se suman. Esto se puede observar con particular claridad en ??, que se encuentra cerca de las condiciones de circuito abierto. La división del nivel cuasi-Fermi dentro de cada absorbente contribuye al voltaje total en los terminales, lo que permite que la célula en tándem produzca un voltaje de circuito abierto de aproximadamente 1,37 V, considerablemente más alto de lo que normalmente se esperaría de una sola unión orgánica.En una célula solar en tándem, las dos uniones fotovoltaicas están conectadas en serie. En consecuencia, las contribuciones de voltaje de las dos subcélulas se suman. Esto se puede observar con particular claridad en ??, que se encuentra cerca de las condiciones de circuito abierto. La división del nivel cuasi-Fermi dentro de cada absorbente contribuye al voltaje total en los terminales, lo que permite que la célula en tándem produzca un voltaje de circuito abierto de aproximadamente 1,37 V, considerablemente más alto de lo que normalmente se esperaría de una sola unión orgánica.

Otra característica importante es el marcado cambio en los niveles cuasi-Fermi que se produce aproximadamente a los 100 nm, lo que corresponde a la frontera entre el PCDTBT:PC70BM y el PM6:Y6. En este punto, el modelo de recombinación en la interfaz conecta las dos subcélulas. El elevado coeficiente de recombinación permite que los electrones del lado derecho se recombinen de manera eficiente con los huecos del lado izquierdo, lo que tiende a acercar sus respectivos niveles cuasi-Fermi hacia la misma energía.Otra característica importante es el marcado cambio en los niveles cuasi-Fermi que se produce aproximadamente a los 100 nm, lo que corresponde a la frontera entre el PCDTBT:PC70BM y el PM6:Y6. En este punto, el modelo de recombinación en la interfaz conecta las dos subcélulas. El elevado coeficiente de recombinación permite que los electrones del lado derecho se recombinen de manera eficiente con los huecos del lado izquierdo, lo que tiende a acercar sus respectivos niveles cuasi-Fermi hacia la misma energía.

Este comportamiento es especialmente importante para el funcionamiento en tándem. Un proceso de recombinación eficiente permite que la interfaz conduzca la corriente con una separación mínima entre los niveles de cuasi-Fermi relevantes, lo que reduce al mínimo la pérdida de voltaje en la interconexión. Los perfiles de los niveles de cuasi-Fermi también están limitados por las corrientes de portadores locales y las propiedades de transporte dentro de cada absorbente. En consecuencia, las dos subcélulas permanecen conectadas eléctricamente, al tiempo que conservan su división individual de los niveles de cuasi-Fermi y su contribución al voltaje total del tándem.Este comportamiento es especialmente importante para el funcionamiento en tándem. Un proceso de recombinación eficiente permite que la interfaz conduzca la corriente con una separación mínima entre los niveles de cuasi-Fermi relevantes, lo que reduce al mínimo la pérdida de voltaje en la interconexión. Los perfiles de los niveles de cuasi-Fermi también están limitados por las corrientes de portadores locales y las propiedades de transporte dentro de cada absorbente. En consecuencia, las dos subcélulas permanecen conectadas eléctricamente, al tiempo que conservan su división individual de los niveles de cuasi-Fermi y su contribución al voltaje total del tándem.

7. Perfiles de la corriente de electrones y de huecos.7. Perfiles de la corriente de electrones y de huecos.

Las densidades de corriente de electrones y huecos ofrecen otra forma útil de comprender cómo están conectadas las dos subcélulas orgánicas. Abra la carpeta de instantáneas desde la pestaña de resultados y utilice el botón + para añadir Jn.csv y Jp.csv al visor de instantáneas. Estos archivos contienen, respectivamente, las densidades de corriente de electrones y huecos. A continuación, puede utilizar la barra deslizante para examinar cómo cambian las corrientes a medida que aumenta el voltaje aplicado. Puede encontrar más detalles sobre el uso de esta herramienta en la documentación del visor de instantáneas.Las densidades de corriente de electrones y huecos ofrecen otra forma útil de comprender cómo están conectadas las dos subcélulas orgánicas. Abra la carpeta de instantáneas desde la pestaña de resultados y utilice el botón + para añadir Jn.csv y Jp.csv al visor de instantáneas. Estos archivos contienen, respectivamente, las densidades de corriente de electrones y huecos. A continuación, puede utilizar la barra deslizante para examinar cómo cambian las corrientes a medida que aumenta el voltaje aplicado. Puede encontrar más detalles sobre el uso de esta herramienta en la documentación del visor de instantáneas.

Las cuatro imágenes que se muestran en ??–?? representan las distribuciones actuales en los valores aproximados de 0 V, 0,67 V, 1,33 V y 1,99 V. La curva azul representa la densidad de corriente de electrones, mientras que la curva roja representa la densidad de corriente de huecos.Las cuatro imágenes que se muestran en ??–?? representan las distribuciones actuales en los valores aproximados de 0 V, 0,67 V, 1,33 V y 1,99 V. La curva azul representa la densidad de corriente de electrones, mientras que la curva roja representa la densidad de corriente de huecos.

A voltajes bajos, la corriente se debe principalmente al flujo de electrones en el material PCDTBT:PC70BM, que se encuentra en el lado izquierdo, y al flujo de huecos en el material PM6:Y6, que se encuentra en el lado derecho. Aproximadamente a los 80 nm, en la frontera entre los dos materiales absorbentes, la corriente de electrones disminuye bruscamente, mientras que la corriente de huecos aumenta. Este es el comportamiento característico de la unión de recombinación que se introdujo en la sección anterior.A voltajes bajos, la corriente se debe principalmente al flujo de electrones en el material PCDTBT:PC70BM, que se encuentra en el lado izquierdo, y al flujo de huecos en el material PM6:Y6, que se encuentra en el lado derecho. Aproximadamente a los 80 nm, en la frontera entre los dos materiales absorbentes, la corriente de electrones disminuye bruscamente, mientras que la corriente de huecos aumenta. Este es el comportamiento característico de la unión de recombinación que se introdujo en la sección anterior.

El mecanismo de recombinación en la interfaz elimina un electrón de un lado de la misma y un hueco del otro. Aunque las corrientes individuales de electrones y huecos pueden cambiar bruscamente en este límite, su suma se mantiene aproximadamente constante:El mecanismo de recombinación en la interfaz elimina un electrón de un lado de la misma y un hueco del otro. Aunque las corrientes individuales de electrones y huecos pueden cambiar bruscamente en este límite, su suma se mantiene aproximadamente constante:

Este es un resultado importante. En estado estacionario, la corriente eléctrica total debe mantenerse constante en todo el dispositivo en tándem, aunque las contribuciones relativas de los electrones y los huecos varíen entre las dos subcélulas. La interfaz de recombinación proporciona la conexión eléctrica sin necesidad de que los portadores se desplacen o se difundan directamente a través de la frontera.Este es un resultado importante. En estado estacionario, la corriente eléctrica total debe mantenerse constante en todo el dispositivo en tándem, aunque las contribuciones relativas de los electrones y los huecos varíen entre las dos subcélulas. La interfaz de recombinación proporciona la conexión eléctrica sin necesidad de que los portadores se desplacen o se difundan directamente a través de la frontera.

Cerca del voltaje de circuito abierto, que es de aproximadamente 1,37 V, la corriente externa se aproxima a cero. Sin embargo, la fotogeneración y la recombinación continúan dentro del dispositivo, por lo que las corrientes locales de electrones y huecos no tienen por qué desaparecer por completo. Esto explica por qué la tercera instantánea muestra variaciones notables en los componentes individuales de la corriente cerca de la interfaz de recombinación, aunque la corriente total en los terminales sea pequeña.Cerca del voltaje de circuito abierto, que es de aproximadamente 1,37 V, la corriente externa se aproxima a cero. Sin embargo, la fotogeneración y la recombinación continúan dentro del dispositivo, por lo que las corrientes locales de electrones y huecos no tienen por qué desaparecer por completo. Esto explica por qué la tercera instantánea muestra variaciones notables en los componentes individuales de la corriente cerca de la interfaz de recombinación, aunque la corriente total en los terminales sea pequeña.

A 1,99 V, la configuración en tándem presenta una polarización directa muy marcada y la dirección de la corriente se ha invertido. La magnitud de la corriente es ahora considerablemente mayor, alcanzando aproximadamente los 28 A m−2. No obstante, el mismo mecanismo interfacial sigue operando: la corriente predominante varía entre el transporte de electrones y el de huecos en el centro del dispositivo, mientras que la corriente total se mantiene constante en toda la configuración en tándem.A 1,99 V, la configuración en tándem presenta una polarización directa muy marcada y la dirección de la corriente se ha invertido. La magnitud de la corriente es ahora considerablemente mayor, alcanzando aproximadamente los 28 A m−2. No obstante, el mismo mecanismo interfacial sigue operando: la corriente predominante varía entre el transporte de electrones y el de huecos en el centro del dispositivo, mientras que la corriente total se mantiene constante en toda la configuración en tándem.

Los picos estrechos que se observan en los componentes individuales de la corriente, cerca de los 80 nm, aparecen en la región donde se aplica la condición de contorno de recombinación fuertemente localizada. Su forma precisa puede depender de la discretización espacial y de la representación numérica de la interfaz. La observación física más importante es que las dos subcélulas permanecen eléctricamente conectadas, con una corriente total conservada a pesar de la redistribución brusca entre las corrientes de electrones y huecos.Los picos estrechos que se observan en los componentes individuales de la corriente, cerca de los 80 nm, aparecen en la región donde se aplica la condición de contorno de recombinación fuertemente localizada. Su forma precisa puede depender de la discretización espacial y de la representación numérica de la interfaz. La observación física más importante es que las dos subcélulas permanecen eléctricamente conectadas, con una corriente total conservada a pesar de la redistribución brusca entre las corrientes de electrones y huecos.

8. Generación óptica y análisis mediante la matriz de transferencia.8. Generación óptica y análisis mediante la matriz de transferencia.

Las propiedades ópticas de los dos materiales orgánicos absorbentes son importantes porque cada subcelda está diseñada para absorber una parte diferente del espectro solar incidente. En este ejemplo, PCDTBT:PC70BM y PM6:Y6 tienen diferentes espectros de absorción, lo que permite que la estructura en tándem utilice un rango más amplio de longitudes de onda de lo que podría absorber cada material por separado.Las propiedades ópticas de los dos materiales orgánicos absorbentes son importantes porque cada subcelda está diseñada para absorber una parte diferente del espectro solar incidente. En este ejemplo, PCDTBT:PC70BM y PM6:Y6 tienen diferentes espectros de absorción, lo que permite que la estructura en tándem utilice un rango más amplio de longitudes de onda de lo que podría absorber cada material por separado.

Para analizar el comportamiento óptico, seleccione la pestaña «Óptica» en la ventana principal de OghmaNano, como se muestra en ??, y haga clic en «Matriz de transferencia». Esto abrirá el editor de simulación óptica. Haga clic en el botón azul de reproducción para ejecutar el cálculo óptico. Los resultados se pueden explorar utilizando las pestañas que se encuentran en la parte superior de la ventana de simulación óptica, como se muestra en ??–??.Para analizar el comportamiento óptico, seleccione la pestaña «Óptica» en la ventana principal de OghmaNano, como se muestra en ??, y haga clic en «Matriz de transferencia». Esto abrirá el editor de simulación óptica. Haga clic en el botón azul de reproducción para ejecutar el cálculo óptico. Los resultados se pueden explorar utilizando las pestañas que se encuentran en la parte superior de la ventana de simulación óptica, como se muestra en ??–??.

El método de la matriz de transferencia calcula cómo se propaga la luz a través del dispositivo multicapa, teniendo en cuenta los reflejos y las interferencias en las interfaces de los materiales. Cada capa se describe mediante su índice de refracción complejo, que depende de la longitud de onda, \(\tilde{n}=n+ik\), donde \(n\) determina la velocidad de fase óptica y \(k\) describe la absorción. En consecuencia, la intensidad óptica depende tanto de la longitud de onda como de la posición dentro del dispositivo.El método de la matriz de transferencia calcula cómo se propaga la luz a través del dispositivo multicapa, teniendo en cuenta los reflejos y las interferencias en las interfaces de los materiales. Cada capa se describe mediante su índice de refracción complejo, que depende de la longitud de onda, \(\tilde{n}=n+ik\), donde \(n\) determina la velocidad de fase óptica y \(k\) describe la absorción. En consecuencia, la intensidad óptica depende tanto de la longitud de onda como de la posición dentro del dispositivo.

?? muestra la densidad de fotones en toda la estructura multicapa. El eje horizontal representa la posición dentro del dispositivo, mientras que el eje vertical representa la longitud de onda. Las zonas más claras corresponden a densidades de fotones elevadas, mientras que las zonas más oscuras indican densidades de fotones bajas. Estas variaciones se deben a una combinación de la absorción dependiente de la longitud de onda y la interferencia óptica, que pueden generar patrones de onda estacionaria dentro de la pila de capas delgadas.?? muestra la densidad de fotones en toda la estructura multicapa. El eje horizontal representa la posición dentro del dispositivo, mientras que el eje vertical representa la longitud de onda. Las zonas más claras corresponden a densidades de fotones elevadas, mientras que las zonas más oscuras indican densidades de fotones bajas. Estas variaciones se deben a una combinación de la absorción dependiente de la longitud de onda y la interferencia óptica, que pueden generar patrones de onda estacionaria dentro de la pila de capas delgadas.

La distribución de los fotones absorbidos se muestra en ??. A diferencia de la densidad de fotones, esta magnitud describe dónde se absorben realmente los fotones. Los dos absorbentes orgánicos presentan respuestas espectrales notablemente diferentes. La capa de PCDTBT:PC70BM absorbe fuertemente en una parte del espectro visible, mientras que la capa de PM6:Y6 muestra una absorción considerable en longitudes de onda más largas, extendiéndose hacia el infrarrojo cercano. Este comportamiento de absorción complementaria es una de las principales razones para combinar estos materiales en una célula solar en tándem.La distribución de los fotones absorbidos se muestra en ??. A diferencia de la densidad de fotones, esta magnitud describe dónde se absorben realmente los fotones. Los dos absorbentes orgánicos presentan respuestas espectrales notablemente diferentes. La capa de PCDTBT:PC70BM absorbe fuertemente en una parte del espectro visible, mientras que la capa de PM6:Y6 muestra una absorción considerable en longitudes de onda más largas, extendiéndose hacia el infrarrojo cercano. Este comportamiento de absorción complementaria es una de las principales razones para combinar estos materiales en una célula solar en tándem.

El perfil espacial de generación de portadores de carga se muestra en ??. La curva azul representa la tasa de generación calculada, mientras que los niveles de energía horizontales indican las posiciones de los diferentes materiales en el dispositivo. Las dos regiones principales de generación corresponden a los absorbentes PCDTBT:PC70BM y PM6:Y6. Observe que la tasa de generación cambia bruscamente en la frontera entre ellos, lo que refleja sus diferentes propiedades de absorción óptica.El perfil espacial de generación de portadores de carga se muestra en ??. La curva azul representa la tasa de generación calculada, mientras que los niveles de energía horizontales indican las posiciones de los diferentes materiales en el dispositivo. Las dos regiones principales de generación corresponden a los absorbentes PCDTBT:PC70BM y PM6:Y6. Observe que la tasa de generación cambia bruscamente en la frontera entre ellos, lo que refleja sus diferentes propiedades de absorción óptica.

La tasa de generación de corriente eléctrica se obtiene integrando la absorción de fotones en función de la longitud de onda sobre el espectro incidente:La tasa de generación de corriente eléctrica se obtiene integrando la absorción de fotones en función de la longitud de onda sobre el espectro incidente:

donde \(\alpha(\lambda,y)\) es el coeficiente de absorción y \(\Phi(\lambda,y)\) es el flujo fotónico espectral local, definido por unidad de longitud de onda. La tasa de generación resultante tiene unidades de m−3 s−1 y proporciona el término de origen para los electrones y las huecos fotogenerados en las ecuaciones de deriva-difusión. La conversión de los fotones absorbidos en portadores libres también depende de la eficiencia de generación de portadores a partir de fotones utilizada por el modelo.donde \(\alpha(\lambda,y)\) es el coeficiente de absorción y \(\Phi(\lambda,y)\) es el flujo fotónico espectral local, definido por unidad de longitud de onda. La tasa de generación resultante tiene unidades de m−3 s−1 y proporciona el término de origen para los electrones y las huecos fotogenerados en las ecuaciones de deriva-difusión. La conversión de los fotones absorbidos en portadores libres también depende de la eficiencia de generación de portadores a partir de fotones utilizada por el modelo.

Un aspecto importante a tener en cuenta en el diseño de células solares en tándem es la adaptación de la corriente. Dado que las dos subcélulas están conectadas eléctricamente en serie, deben conducir la misma corriente en sus terminales. Aumentar la absorción en la subcélula frontal puede reducir el número de fotones que llegan a la subcélula trasera, lo que podría limitar la corriente del dispositivo completo. Por lo tanto, los espesores óptimos de los materiales absorbentes dependen de las propiedades ópticas y eléctricas combinadas de ambas subcélulas, en lugar de simplemente maximizar la absorción en cada material de forma independiente.Un aspecto importante a tener en cuenta en el diseño de células solares en tándem es la adaptación de la corriente. Dado que las dos subcélulas están conectadas eléctricamente en serie, deben conducir la misma corriente en sus terminales. Aumentar la absorción en la subcélula frontal puede reducir el número de fotones que llegan a la subcélula trasera, lo que podría limitar la corriente del dispositivo completo. Por lo tanto, los espesores óptimos de los materiales absorbentes dependen de las propiedades ópticas y eléctricas combinadas de ambas subcélulas, en lugar de simplemente maximizar la absorción en cada material de forma independiente.

Para obtener una explicación más detallada del método óptico, consulte Transferencia Tutorial del modelo de matriz y el teoría de la matriz de transferencia. Para obtener una explicación más detallada del método óptico, consulte Transferencia Tutorial del modelo de matriz y el teoría de la matriz de transferencia.

El archivo siminfo.dat contiene información sobre la simulación óptica, incluyendo la fotocorriente y la densidad de fotocorriente, como se muestra en ??. Estos valores representan la corriente teórica máxima que podría generarse si el 100 % de los portadores de carga fotogenerados se recogieran en los contactos, sin recombinación ni pérdidas por transporte de carga. Por lo tanto, proporcionan un límite superior útil con el que se puede comparar la corriente de cortocircuito obtenida mediante la simulación eléctrica (JSC).El archivo siminfo.dat contiene información sobre la simulación óptica, incluyendo la fotocorriente y la densidad de fotocorriente, como se muestra en ??. Estos valores representan la corriente teórica máxima que podría generarse si el 100 % de los portadores de carga fotogenerados se recogieran en los contactos, sin recombinación ni pérdidas por transporte de carga. Por lo tanto, proporcionan un límite superior útil con el que se puede comparar la corriente de cortocircuito obtenida mediante la simulación eléctrica (JSC).

9. Simulaciones de Suns-Voc y Suns-Jsc.9. Simulaciones de Suns-Voc y Suns-Jsc.

OghmaNano ofrece varios modos de simulación para analizar cómo responde un dispositivo a diferentes condiciones eléctricas y ópticas. Estos modos se pueden seleccionar en la pestaña «Tipo de simulación» de la ventana principal, como se muestra en ??. Simplemente haga clic en el modo de simulación deseado y pulse el botón azul «Ejecutar simulación» o la tecla F9 para realizar el cálculo.OghmaNano ofrece varios modos de simulación para analizar cómo responde un dispositivo a diferentes condiciones eléctricas y ópticas. Estos modos se pueden seleccionar en la pestaña «Tipo de simulación» de la ventana principal, como se muestra en ??. Simplemente haga clic en el modo de simulación deseado y pulse el botón azul «Ejecutar simulación» o la tecla F9 para realizar el cálculo.

Dos simulaciones especialmente útiles para las células solares son Suns-Voc y Suns-Jsc. Estas permiten analizar cómo varían el voltaje de circuito abierto y la densidad de corriente de cortocircuito en función de la intensidad de la iluminación. Proporcionan información complementaria sobre la generación, la recombinación y la recolección de portadores de carga dentro del dispositivo.Dos simulaciones especialmente útiles para las células solares son Suns-Voc y Suns-Jsc. Estas permiten analizar cómo varían el voltaje de circuito abierto y la densidad de corriente de cortocircuito en función de la intensidad de la iluminación. Proporcionan información complementaria sobre la generación, la recombinación y la recolección de portadores de carga dentro del dispositivo.

La simulación de Suns-Voc calcula el voltaje de circuito abierto en diferentes intensidades de iluminación. En circuito abierto, la corriente externa es cero, por lo que la fotogeneración debe equilibrarse con la recombinación dentro del dispositivo. A medida que aumenta la iluminación, las concentraciones de portadores generalmente aumentan, lo que produce una mayor separación entre los niveles cuasi-Fermi de electrones y huecos y, por lo tanto, un voltaje de circuito abierto más alto.La simulación de Suns-Voc calcula el voltaje de circuito abierto en diferentes intensidades de iluminación. En circuito abierto, la corriente externa es cero, por lo que la fotogeneración debe equilibrarse con la recombinación dentro del dispositivo. A medida que aumenta la iluminación, las concentraciones de portadores generalmente aumentan, lo que produce una mayor separación entre los niveles cuasi-Fermi de electrones y huecos y, por lo tanto, un voltaje de circuito abierto más alto.

Para un diodo emisor de luz sencillo, la relación entre el voltaje en circuito abierto y la intensidad de la iluminación puede aproximarse mediante:Para un diodo emisor de luz sencillo, la relación entre el voltaje en circuito abierto y la intensidad de la iluminación puede aproximarse mediante:

donde \(n_{\mathrm{id}}\) es el factor de idealidad del diodo, \(k_B\) es la constante de Boltzmann, \(T\) es la temperatura, \(q\) es la carga elemental, \(J_{\mathrm{ph}}\) es la densidad de corriente fotogenerada y \(J_0\) es la densidad de corriente de saturación en la oscuridad. Dado que la corriente fotogenerada es aproximadamente proporcional a la intensidad de la iluminación, el voltaje de circuito abierto generalmente aumenta de forma logarítmica con el número de unidades de luz solar.donde \(n_{\mathrm{id}}\) es el factor de idealidad del diodo, \(k_B\) es la constante de Boltzmann, \(T\) es la temperatura, \(q\) es la carga elemental, \(J_{\mathrm{ph}}\) es la densidad de corriente fotogenerada y \(J_0\) es la densidad de corriente de saturación en la oscuridad. Dado que la corriente fotogenerada es aproximadamente proporcional a la intensidad de la iluminación, el voltaje de circuito abierto generalmente aumenta de forma logarítmica con el número de unidades de luz solar.

En el caso de una célula solar en tándem, el voltaje medido incluye las contribuciones de ambas subcélulas fotovoltaicas. En una primera aproximación,En el caso de una célula solar en tándem, el voltaje medido incluye las contribuciones de ambas subcélulas fotovoltaicas. En una primera aproximación,

donde \(V_{\mathrm{loss}}\) representa cualquier pérdida de voltaje adicional asociada con la interconexión. Para una unión de recombinación eficiente, esta pérdida es pequeña, lo que permite que los fotovoltajes de las dos subcélulas se sumen.donde \(V_{\mathrm{loss}}\) representa cualquier pérdida de voltaje adicional asociada con la interconexión. Para una unión de recombinación eficiente, esta pérdida es pequeña, lo que permite que los fotovoltajes de las dos subcélulas se sumen.

La curva Suns-Voc calculada se muestra en ??. El voltaje aumenta desde aproximadamente 1,22 V con baja iluminación hasta aproximadamente 1,39 V con una intensidad de luz solar. Este aumento gradual es coherente con la dependencia logarítmica esperada del voltaje de circuito abierto en función de la fotogeneración. Observe que el voltaje se mantiene relativamente alto incluso con una iluminación reducida, lo que refleja la contribución de ambas subcélulas.La curva Suns-Voc calculada se muestra en ??. El voltaje aumenta desde aproximadamente 1,22 V con baja iluminación hasta aproximadamente 1,39 V con una intensidad de luz solar. Este aumento gradual es coherente con la dependencia logarítmica esperada del voltaje de circuito abierto en función de la fotogeneración. Observe que el voltaje se mantiene relativamente alto incluso con una iluminación reducida, lo que refleja la contribución de ambas subcélulas.

La simulación Suns-Jsc calcula, en cambio, la densidad de corriente de cortocircuito en función de la intensidad de la iluminación. En condiciones de cortocircuito, el voltaje aplicado en los terminales es cero y la corriente medida depende del número de portadores fotogenerados que pueden ser recolectados.La simulación Suns-Jsc calcula, en cambio, la densidad de corriente de cortocircuito en función de la intensidad de la iluminación. En condiciones de cortocircuito, el voltaje aplicado en los terminales es cero y la corriente medida depende del número de portadores fotogenerados que pueden ser recolectados.

Si la eficiencia de la recolección se mantiene aproximadamente constante, la densidad de corriente de cortocircuito es proporcional al flujo de fotones incidente. En consecuencia,Si la eficiencia de la recolección se mantiene aproximadamente constante, la densidad de corriente de cortocircuito es proporcional al flujo de fotones incidente. En consecuencia,

donde \(P_{\mathrm{sun}}\) es la intensidad de iluminación relativa, expresada en unidades solares. De manera más general, la fotocorriente obtenida depende del perfil espacial de generación y de la probabilidad de que los portadores fotogenerados lleguen a los contactos:donde \(P_{\mathrm{sun}}\) es la intensidad de iluminación relativa, expresada en unidades solares. De manera más general, la fotocorriente obtenida depende del perfil espacial de generación y de la probabilidad de que los portadores fotogenerados lleguen a los contactos:

donde \(G(y)\) es la tasa local de fotogeneración y \(\eta_{\mathrm{col}}(y)\) representa una eficiencia de recolección efectiva que depende de la posición.donde \(G(y)\) es la tasa local de fotogeneración y \(\eta_{\mathrm{col}}(y)\) representa una eficiencia de recolección efectiva que depende de la posición.

Los resultados obtenidos con el modelo Suns-Jsc se muestran en ??, y la curva característica correspondiente se muestra en ??. La densidad de corriente calculada aumenta de forma casi lineal con la intensidad de la iluminación, alcanzando aproximadamente 8 A m−2 con una intensidad equivalente a la de nueve soles. El signo negativo en la curva de corriente representa la convención de corriente fotovoltaica utilizada por el programa de cálculo.Los resultados obtenidos con el modelo Suns-Jsc se muestran en ??, y la curva característica correspondiente se muestra en ??. La densidad de corriente calculada aumenta de forma casi lineal con la intensidad de la iluminación, alcanzando aproximadamente 8 A m−2 con una intensidad equivalente a la de nueve soles. El signo negativo en la curva de corriente representa la convención de corriente fotovoltaica utilizada por el programa de cálculo.

Las dos simulaciones ponen de relieve diferentes aspectos del funcionamiento en tándem. Suns-Voc es especialmente sensible a los procesos de recombinación que determinan el fotovoltaje que se puede alcanzar, mientras que Suns-Jsc proporciona información sobre la fotogeneración y la recolección de carga. Dado que las dos subcélulas están conectadas en serie, deben conducir la misma corriente en el terminal, por lo que la corriente generada por el tándem completo está limitada por el rendimiento eléctrico y óptico de ambos absorbentes. En conjunto, estos cálculos ofrecen una herramienta útil para analizar el comportamiento del tándem en diversas condiciones de iluminación.Las dos simulaciones ponen de relieve diferentes aspectos del funcionamiento en tándem. Suns-Voc es especialmente sensible a los procesos de recombinación que determinan el fotovoltaje que se puede alcanzar, mientras que Suns-Jsc proporciona información sobre la fotogeneración y la recolección de carga. Dado que las dos subcélulas están conectadas en serie, deben conducir la misma corriente en el terminal, por lo que la corriente generada por el tándem completo está limitada por el rendimiento eléctrico y óptico de ambos absorbentes. En conjunto, estos cálculos ofrecen una herramienta útil para analizar el comportamiento del tándem en diversas condiciones de iluminación.

12. Pruebas complementarias recomendadas.12. Pruebas complementarias recomendadas.

La principal lección es que el apilamiento óptico y la interconexión eléctrica deben resolverse de forma conjunta. La capa frontal modula el espectro que llega a la capa posterior, mientras que la interfaz de recombinación de grosor nulo acopla el transporte de electrones y huecos sin necesidad de una capa eléctrica intermedia artificial.La principal lección es que el apilamiento óptico y la interconexión eléctrica deben resolverse de forma conjunta. La capa frontal modula el espectro que llega a la capa posterior, mientras que la interfaz de recombinación de grosor nulo acopla el transporte de electrones y huecos sin necesidad de una capa eléctrica intermedia artificial.