Tutorial de célula solar de perovskita (PSC) – Parte D: Componentes parásitos y JV en oscuridad

1. Efectos parásitos en dispositivos de perovskita

El modelado drift–diffusion proporciona una imagen detallada del absorbedor de perovskita, donde tanto electrones como huecos están presentes y ocurren recombinación, atrapamiento y fotogeneración. Sin embargo, las células solares de perovskita reales también muestran comportamiento no ideal causado por sus capas de transporte, contactos e imperfecciones de fabricación. Estos efectos aparecen como componentes parásitos que modifican la curva JV.

Uno de los parásitos más comunes es la resistencia en serie (R_s), que proviene de la conductividad finita del electrodo transparente (p. ej. FTO), capas de transporte de portadores como TiO₂ o Spiro-OMeTAD, e incluso del cableado y la resistencia laminar. Afecta principalmente a la región de alto voltaje de la curva JV, donde la corriente comienza a caer, reduciendo el factor de forma y disminuyendo el punto de máxima potencia.

Otra pérdida importante es la resistencia shunt (R_shunt). Esto representa trayectorias de fuga que evitan la perovskita activa, a menudo causadas por pinholes, rugosidad, cobertura incompleta o defectos de procesado. En una gráfica JV, el shunt aparece como una pendiente aplanada alrededor de 0 V, lo que reduce J_SC, el factor de forma y la estabilidad del dispositivo.

Estas contribuciones se capturan en un modelo compacto de circuito equivalente, mostrado en ??. Aquí el diodo drift–diffusion (que representa la perovskita) está en paralelo con R_shunt y en serie con R_s. Se puede añadir un término de capacitancia opcional para describir la capacitancia geométrica, que se vuelve importante en estudios transitorios.

En OghmaNano, los parásitos se editan mediante el editor de componentes parásitos, disponible en la cinta Electrical (véase ??). La resistencia shunt se introduce como un valor normalizado por área (Ω·m²), de forma que la fuga efectiva escala con el tamaño del dispositivo. La resistencia en serie se da como un valor agrupado en ohmios (Ω), independiente del área. Juntas, R_s y R_shunt le permiten reproducir las principales no idealidades que los dispositivos reales de MAPbI₃ muestran en los experimentos.

2. Análisis de dispositivos de perovskita en oscuridad

Hasta ahora, cada simulación se ha realizado bajo iluminación con el espectro AM1.5G. Esto tiene sentido si el objetivo es predecir la potencia de salida, pero los investigadores de células solares saben que las curvas JV en oscuridad a menudo proporcionan una visión más profunda. Medir o simular un dispositivo sin luz elimina la fotocorriente y aísla las pérdidas electrónicas de la pila. En muchos casos la curva en oscuridad es más reveladora que la iluminada al diagnosticar por qué una célula de perovskita queda por debajo de su rendimiento teórico.

En este ejercicio extraerá R_shunt y R_s directamente a partir de una JV en oscuridad. Para apagar la iluminación en OghmaNano, vaya a Optical ribbon → Light intensity (suns) y establezca el valor en 0.0. Los marcadores verdes de fotones en el panel del dispositivo 3D desaparecen, confirmando que el modelo se está ejecutando en condiciones de oscuridad (??).

Ahora examine cómo las resistencias parásitas modelan la curva. Comience con R_shunt establecido muy alto (p. ej. 1 MΩ·m²) y ejecute un barrido. Luego redúzcalo a un valor bajo (p. ej. 1 Ω·m²). Compare cómo cambia la pendiente cerca del origen: una baja resistencia shunt produce fuga y suprime V_OC. A continuación ajuste R_s: primero establézcala en 0 Ω, luego auméntela a 20 Ω. Compare la caída en polarización directa y los cambios del factor de forma. Represente los resultados en ejes x-lineal / y-log (l) para hacer los cambios más claros. La figura ?? destaca qué regiones de la JV en oscuridad corresponden a fuga shunt, recombinación y resistencia en serie. Recuerde: las pérdidas por recombinación en la región de voltaje intermedio no están controladas por R_shunt ni R_s; esas requieren modificar los parámetros de recombinación, lo cual abordaremos más adelante.