Tutorial Suns–Voc: Extracción de recombinación e idealidad a partir de mediciones de Voc

🎯 Objetivos de aprendizaje

Configurar y ejecutar una simulación Suns–Voc para una célula solar de perovskita (u orgánica) en OghmaNano.
Generar una curva de Voc frente a intensidad de iluminación y aprender a interpretar su pendiente y forma.
Extraer el factor de idealidad del diodo y relacionarlo con mecanismos de recombinación como la recombinación radiativa o Shockley–Read–Hall.
Comprender cómo las trampas y otras no idealidades modifican la respuesta Suns–Voc en comparación con el caso ideal.

📦 Prerrequisitos

OghmaNano instalado y funcionando.
Familiaridad básica con los conceptos de células solares.

⏱ Tiempo estimado

Parte A: 10-15 min

Introducción

Suns–Voc (también escrito como Sun–Voc) es un método de caracterización ampliamente utilizado para células solares, particularmente para perovskitas, orgánicas y otras tecnologías emergentes de película delgada. La técnica mide el voltaje en circuito abierto (Voc) de un dispositivo en función de la intensidad de iluminación (Suns). Al variar gradualmente el nivel de luz incidente y registrar el Voc resultante, obtenemos una curva Voc(Suns) que revela información fundamental sobre la recombinación y la física del dispositivo.

En el nivel más básico, Voc escala con el logaritmo de la intensidad de luz. Según la ecuación del diodo, \[ V_\text{oc} = \frac{n k_\text{B} T}{q} \ln\!\left(\frac{J_\text{sc}}{J_0} + 1\right), \] donde \(n\) es el factor de idealidad del diodo, \(J_\text{sc}\) la densidad de corriente de cortocircuito proporcional a la tasa de generación, y \(J_0\) la corriente de saturación. Representar Voc frente a la intensidad de luz permite por tanto extraer directamente el factor de idealidad, que indica el mecanismo de recombinación dominante: valores cercanos a 1 sugieren recombinación banda a banda (radiativa), mientras que valores cercanos a 2 sugieren recombinación asistida por trampas de tipo Shockley–Read–Hall. Valores intermedios o dependientes del voltaje indican una mezcla de procesos.

El análisis Suns–Voc también puede utilizarse para estimar el pseudo factor de llenado y para separar las pérdidas resistivas de las pérdidas por recombinación. Debido a que la medición se realiza en condiciones de circuito abierto, la resistencia en serie y los cuellos de botella de transporte tienen poca influencia; la técnica aísla los efectos de recombinación del transporte. Esto hace que Suns–Voc sea especialmente potente para identificar si una baja eficiencia del dispositivo está causada por limitaciones de transporte (por ejemplo, movilidad o resistencia de contacto) o por la física de recombinación.

En la práctica, el procedimiento es sencillo: el simulador (o el experimento) barre la intensidad de iluminación en un rango elegido (por ejemplo, 0.1–1.1 Suns) y registra Voc en cada paso. Los datos resultantes (suns_voc.csv) pueden representarse como Voc frente a Suns, y a partir de la pendiente en una representación semi-logarítmica se extrae el factor de idealidad efectivo. El análisis adicional puede incluir el examen de desviaciones a alta intensidad (resistencia en serie, recombinación Auger) o a baja intensidad (fugas, derivaciones, recombinación en interfaces).

En conjunto, Suns–Voc proporciona una ventana limpia hacia la física intrínseca de recombinación de un dispositivo, en gran medida desacoplada de la resistencia en serie o de artefactos de transporte. Por esta razón, es un diagnóstico estándar para células solares de perovskita y orgánicas, y un complemento valioso a las mediciones JV y SCLC.

Paso 1: Crear una nueva simulación

Haga doble clic en la categoría Perovskite cells en la ventana de nueva simulación (??), luego elija Perovskite solar cell (MAPI) (??) y guarde el proyecto en disco. Aunque este tutorial utiliza el ejemplo MAPI, el procedimiento Suns–Voc funciona para cualquier célula solar porque simplemente varía la intensidad de luz y registra el V_oc resultante.

Ventana de nueva simulación de OghmaNano con muchas categorías; la carpeta Perovskite cells está resaltada como objetivo de este tutorial. — En la ventana *New simulation*, elija **Perovskite cells**.

Lista de ejemplos de Perovskite cells con ‘Perovskite solar cell (MAPI)’ resaltado. — Seleccione **Perovskite solar cell (MAPI)** y guarde el proyecto en disco.

Paso 2: Seleccionar el modo de simulación

Después de guardar, se abre la ventana principal de simulación. Cambie el simulador al modo Suns–Voc yendo a Simulation type y haciendo clic en el botón Suns–Voc—asegúrese de que el botón aparece presionado (??). Cuando ejecute la simulación en este modo, generará una curva Suns–Voc.

Para configurar el experimento Suns–Voc, abra la cinta Editors y seleccione Suns–Voc (no se muestra aquí en la cinta). Esto abre la ventana de configuración (??), donde puede especificar la intensidad inicial, la intensidad final (en Suns), y el multiplicador de paso. El multiplicador de paso (por ejemplo 1.2) aumenta la intensidad de luz por un factor fijo en cada paso, muestreando efectivamente la curva en una escala logarítmica, lo cual es adecuado para el análisis Suns–Voc. En este ejemplo la intensidad final se establece en 1.1 Suns (un valor relativamente bajo, ya que las simulaciones a menudo se extienden hasta alrededor de 10 Suns) y la intensidad inicial es ligeramente alta, pero los valores predeterminados suelen ser adecuados para la mayoría de los casos.

Ventana principal de OghmaNano mostrando un dispositivo de perovskita; la cinta Simulation type incluye un botón Suns-Voc para seleccionar el modo correcto. — En la ventana principal, en *Simulation type*, haga clic en **Suns-Voc** para entrar en el modo correcto.

Panel de configuración Suns–Voc con intensidad inicial/final y ajustes de paso. — Ajuste la configuración de *Suns–Voc* (por ejemplo intensidad inicial/final y multiplicador de paso) según sea necesario, y luego ejecute la simulación.

Paso 3: Examinar los resultados

Una vez confirmados los ajustes, vuelva a la ventana principal y haga clic en Play (o presione F9). Cuando la ejecución termine, abra la pestaña Output (??) y localice suns_voc.csv. Al abrirlo se produce la gráfica Suns vs. V_oc (??).

Pestaña Output después de ejecutar la simulación mostrando los archivos generados incluyendo suns_voc.csv. — Después de la ejecución, abra la pestaña *Output* y localice `suns_voc.csv`.

Gráfica Suns–Voc que muestra el voltaje en circuito abierto (Voc) frente a la intensidad de iluminación (Suns). — Al abrir `suns_voc.csv` se muestra la curva **Suns vs. Voc**.

Esto completa la simulación básica Suns–Voc. Ha visto cómo configurar una célula solar de perovskita, cambiar el simulador al modo Suns–Voc y generar la curva característica. En esta etapa se le anima a experimentar con las opciones de simulación: pequeños cambios en los parámetros eléctricos pueden tener un gran efecto en la forma y la pendiente de la curva Suns–Voc, tal como ocurre en datos experimentales reales. Explorar estos ajustes le dará una intuición más profunda sobre lo que Suns–Voc puede revelar acerca de la recombinación en sus dispositivos.

📚 Tareas:

Tarea 1: Abra el Electrical parameter editor desde la ventana principal. Localice los parámetros de trampas Shockley–Read–Hall (SRH) y desactívelos off. Vuelva a ejecutar la simulación Suns–Voc y observe cómo cambia la pendiente de la curva.

Resultado esperado

Con las trampas desactivadas, el factor de idealidad debería acercarse a n ≈ 1, produciendo una curva más recta coherente con la recombinación banda a banda.
Tarea 2: Vuelva a activar las trampas SRH on y aumente su densidad en un orden de magnitud. Ejecute de nuevo la simulación y compárela con el caso sin trampas.

Resultado esperado

Con una mayor densidad de trampas, la curva Suns–Voc se vuelve más pronunciada en niveles de luz bajos a moderados, correspondiente a un factor de idealidad efectivo más cercano a n ≈ 2. Esto resalta cómo las trampas aumentan las pérdidas por recombinación y modifican el valor diagnóstico de Suns–Voc.

📈 Avanzado: Cómo analizar su curva experimental Suns–Voc — haga clic aquí para expandir

Objetivo; A partir de una gráfica de voltaje en circuito abierto V_oc frente a iluminación (Suns), el objetivo principal es extraer el factor de idealidad n y estimar la corriente de saturación en oscuridad J₀. Estas dos cantidades revelan qué procesos de recombinación dominan en el dispositivo y cuán severos son.

Qué necesita; los datos utilizados para dibujar su curva Suns–Voc (pares de Suns, Voc), normalmente guardados en suns_voc.csv. También asumimos temperatura ambiente (≈300 K), donde k_BT/q es aproximadamente 25.85 mV.

Paso 1 — Preparar una gráfica semi-logarítmica; represente V_oc frente al logaritmo natural de la intensidad, ln(Suns). En la región ideal de Suns–Voc, la curva se aproxima a una línea recta cuya pendiente está determinada por el factor de idealidad del diodo:

\[ \text{slope} \;=\; \frac{\Delta V_{\text{oc}}}{\Delta \ln(\text{Suns})} \;\;\Rightarrow\;\; n \;=\; \frac{q}{k_\mathrm{B}T}\,\frac{\Delta V_{\text{oc}}}{\Delta \ln(\text{Suns})}. \]

Un enfoque práctico consiste en ajustar una línea recta a la parte central de los datos (normalmente 0.2–0.8 Suns) y evitar intensidades muy bajas o muy altas donde las fugas, los efectos de derivación o la resistencia en serie distorsionan la curva.

Paso 2 — Leer el factor de idealidad; a 300 K, k_BT/q es aproximadamente 25.85 mV. Si la pendiente corresponde a n ≈ 1, la recombinación está dominada por procesos banda a banda como recombinación radiativa o de superficie. Si n ≈ 2, entonces domina la recombinación asistida por trampas (Shockley–Read–Hall). Si n se sitúa entre 1 y 2, ambos canales pueden contribuir o el régimen puede variar con la intensidad de luz.

Paso 3 — Estimar la corriente de saturación en oscuridad; la relación Suns–Voc en circuito abierto es

\[ V_\mathrm{oc} \;=\; \frac{n k_\mathrm{B}T}{q}\; \ln\!\left(\frac{J_\mathrm{ph}}{J_0}+1\right) \quad\Rightarrow\quad J_0 \;\approx\; J_\mathrm{ph}\,\exp\!\left(-\frac{q V_\mathrm{oc}}{n k_\mathrm{B}T}\right). \]

Una elección conveniente es evaluar esto alrededor de 1 Sun, ya que la fotocorriente en este punto es cercana a la densidad de corriente de cortocircuito, J_sc. Si J_sc no se conoce, aún se pueden comparar valores relativos de J₀ entre dispositivos utilizando Suns como aproximación de la fotocorriente.

Qué buscar en la curva; a Suns muy bajos, una curvatura descendente suele indicar fugas por derivación o en los contactos y debe ignorarse para el ajuste. A Suns altos, una tendencia a aplanarse indica resistencia en serie o recombinación de orden superior como procesos Auger, que también deben excluirse. Si la pendiente cambia gradualmente con Suns, esto suele indicar una transición entre regímenes de recombinación, por ejemplo efectos de llenado de trampas.

Lista rápida; represente Voc frente a ln(Suns) y ajuste la región lineal; calcule n a partir de la pendiente usando la relación anterior; y con n en mano, estime J₀ alrededor de 1 Sun.

👉 Siguiente paso: Ahora continúe con Suns-Jsc.