Simulación de una célula solar tándem de perovskita y silicio con recombinación en la interfaz.Simulación de una célula solar tándem de perovskita y silicio con recombinación en la interfaz.
1. Introducción: ¿por qué combinar la perovskita y el silicio?1. Introducción: ¿por qué combinar la perovskita y el silicio?
Una célula solar tándem de perovskita y silicio combina un material absorbente de perovskita con una banda prohibida amplia con un material absorbente de silicio cristalino con una banda prohibida más estrecha. La perovskita absorbe los fotones de mayor energía, mientras que la luz que atraviesa la célula superior puede ser absorbida por el silicio. Esto permite aprovechar el espectro solar de manera más eficiente que si se utilizara cada una de las células por separado.Una célula solar tándem de perovskita y silicio combina un material absorbente de perovskita con una banda prohibida amplia con un material absorbente de silicio cristalino con una banda prohibida más estrecha. La perovskita absorbe los fotones de mayor energía, mientras que la luz que atraviesa la célula superior puede ser absorbida por el silicio. Esto permite aprovechar el espectro solar de manera más eficiente que si se utilizara cada una de las células por separado.
Este ejemplo corresponde a una estructura monolítica en tándem con dos terminales (2T). Las dos subcélulas comparten una corriente común en el terminal, mientras que sus fotovoltajes contribuyen al voltaje total. En lugar de definir explícitamente un semiconductor de interconexión delgado, la simulación utiliza una frontera de recombinación de espesor cero entre las regiones de perovskita y silicio.Este ejemplo corresponde a una estructura monolítica en tándem con dos terminales (2T). Las dos subcélulas comparten una corriente común en el terminal, mientras que sus fotovoltajes contribuyen al voltaje total. En lugar de definir explícitamente un semiconductor de interconexión delgado, la simulación utiliza una frontera de recombinación de espesor cero entre las regiones de perovskita y silicio.
La estructura que se presenta es un modelo de enseñanza simplificado, y no un dispositivo industrial de perovskita/silicio totalmente calibrado. Sus parámetros de contacto, recombinación y banda efectivos se han elegido para demostrar cómo funcionan conjuntamente la interconexión eléctrica y la generación óptica.La estructura que se presenta es un modelo de enseñanza simplificado, y no un dispositivo industrial de perovskita/silicio totalmente calibrado. Sus parámetros de contacto, recombinación y banda efectivos se han elegido para demostrar cómo funcionan conjuntamente la interconexión eléctrica y la generación óptica.
💡 Consejo: Modelado de células solares en tándem. Las células solares en tándem son más difíciles de simular que los dispositivos convencionales de unión única, ya que las subcélulas superior e inferior deben estar eléctricamente conectadas a través de una unión de recombinación. El objetivo es permitir que los electrones de una subcélula se recombinen con los huecos de la otra, conectando las dos células en serie para que sus voltajes se sumen. Hay dos formas principales de modelar esto en OghmaNano:💡 Consejo: Modelado de células solares en tándem. Las células solares en tándem son más difíciles de simular que los dispositivos convencionales de unión única, ya que las subcélulas superior e inferior deben estar eléctricamente conectadas a través de una unión de recombinación. El objetivo es permitir que los electrones de una subcélula se recombinen con los huecos de la otra, conectando las dos células en serie para que sus voltajes se sumen. Hay dos formas principales de modelar esto en OghmaNano:
1. Capa de recombinación masiva: Introduzca una capa física de grosor finito entre las dos subcélulas, con un alto coeficiente de recombinación bimolecular. Esto permite modelar explícitamente la unión de recombinación, pero unas tasas de recombinación muy elevadas pueden introducir términos grandes en la matriz jacobiana de Newton, lo que a veces puede provocar inestabilidad numérica. Este enfoque se demuestra en el tutorial sobre células tándem de perovskita y silicio que utilizan una capa de recombinación masiva. 1. Capa de recombinación masiva: Introduzca una capa física de grosor finito entre las dos subcélulas, con un alto coeficiente de recombinación bimolecular. Esto permite modelar explícitamente la unión de recombinación, pero unas tasas de recombinación muy elevadas pueden introducir términos grandes en la matriz jacobiana de Newton, lo que a veces puede provocar inestabilidad numérica. Este enfoque se demuestra en el tutorial sobre células tándem de perovskita y silicio que utilizan una capa de recombinación masiva.
2. Recombinación entre interfaces: En lugar de añadir una capa adicional, se introduce una interfaz de recombinación de grosor nulo entre las dos subcélulas. Se desactiva el transporte convencional por deriva y difusión a través de la interfaz, por lo que los electrones y las huecas no pueden pasar directamente entre las subcélulas. En su lugar, las células se conectan eléctricamente mediante la recombinación de electrones y huecas a través de la interfaz. Esto evita la necesidad de una capa de recombinación artificial, aunque un fuerte acoplamiento de la interfaz aún puede generar dificultades de convergencia numérica. Este enfoque se demuestra en el tutorial sobre células tándem de perovskita y silicio que utilizan la recombinación en la interfaz y el tutorial sobre células solares orgánicas en tándem. 2. Recombinación entre interfaces: En lugar de añadir una capa adicional, se introduce una interfaz de recombinación de grosor nulo entre las dos subcélulas. Se desactiva el transporte convencional por deriva y difusión a través de la interfaz, por lo que los electrones y las huecas no pueden pasar directamente entre las subcélulas. En su lugar, las células se conectan eléctricamente mediante la recombinación de electrones y huecas a través de la interfaz. Esto evita la necesidad de una capa de recombinación artificial, aunque un fuerte acoplamiento de la interfaz aún puede generar dificultades de convergencia numérica. Este enfoque se demuestra en el tutorial sobre células tándem de perovskita y silicio que utilizan la recombinación en la interfaz y el tutorial sobre células solares orgánicas en tándem.
Ambos enfoques tienen como objetivo reproducir el comportamiento eléctrico de una celda solar tándem conectada en serie. Sin embargo, las simulaciones de celdas tándem suelen ser más complejas desde el punto de vista numérico que las simulaciones de celdas de unión simple, ya que las poblaciones de portadores, las tasas de recombinación y los potenciales electrostáticos en las dos subceldas están fuertemente interrelacionados. Por lo tanto, es importante controlar la convergencia y verificar que la corriente total sea la misma en ambos contactos eléctricos.Ambos enfoques tienen como objetivo reproducir el comportamiento eléctrico de una celda solar tándem conectada en serie. Sin embargo, las simulaciones de celdas tándem suelen ser más complejas desde el punto de vista numérico que las simulaciones de celdas de unión simple, ya que las poblaciones de portadores, las tasas de recombinación y los potenciales electrostáticos en las dos subceldas están fuertemente interrelacionados. Por lo tanto, es importante controlar la convergencia y verificar que la corriente total sea la misma en ambos contactos eléctricos.
2. Análisis del ejemplo de la célula solar tándem de perovskita y silicio.2. Análisis del ejemplo de la célula solar tándem de perovskita y silicio.
Inicie OghmaNano y seleccione «Nueva simulación» (??). En los ejemplos de perovskita, elija la celda tándem de perovskita y silicio (capa de recombinación en la interfaz), que se muestra en ??. No la confunda con el ejemplo de la capa de recombinación masiva independiente, que utiliza una capa intermedia con propiedades eléctricas específicas.Inicie OghmaNano y seleccione «Nueva simulación» (??). En los ejemplos de perovskita, elija la celda tándem de perovskita y silicio (capa de recombinación en la interfaz), que se muestra en ??. No la confunda con el ejemplo de la capa de recombinación masiva independiente, que utiliza una capa intermedia con propiedades eléctricas específicas.
Guarde una copia antes de modificar los parámetros. La pestaña «Eléctrica» permite acceder a los editores de capas, contactos e interfaces. Los modos de simulación disponibles se pueden seleccionar desde la pestaña «Tipo de simulación» (??).Guarde una copia antes de modificar los parámetros. La pestaña «Eléctrica» permite acceder a los editores de capas, contactos e interfaces. Los modos de simulación disponibles se pueden seleccionar desde la pestaña «Tipo de simulación» (??).
💡 Consejo: Para obtener el mejor rendimiento, guarde la simulación en una unidad local, como C:\. Las carpetas de red, USB y las carpetas de la nube sincronizadas pueden ser más lentas debido a las frecuentes operaciones de lectura y escritura de archivos.💡 Consejo: Para obtener el mejor rendimiento, guarde la simulación en una unidad local, como C:\. Las carpetas de red, USB y las carpetas de la nube sincronizadas pueden ser más lentas debido a las frecuentes operaciones de lectura y escritura de archivos.
3. Estructura del dispositivo y ejecución de la simulación en tándem.3. Estructura del dispositivo y ejecución de la simulación en tándem.
La estructura tridimensional del dispositivo de perovskita/silicio se muestra en ??. El ejemplo consta de cinco capas, que incluyen una capa superior de perovskita de 500 nm que actúa como absorbente y una capa inferior de silicio de 10 µm que también actúa como absorbente. Las dos regiones semiconductoras activas están conectadas mediante una zona de recombinación en la interfaz.La estructura tridimensional del dispositivo de perovskita/silicio se muestra en ??. El ejemplo consta de cinco capas, que incluyen una capa superior de perovskita de 500 nm que actúa como absorbente y una capa inferior de silicio de 10 µm que también actúa como absorbente. Las dos regiones semiconductoras activas están conectadas mediante una zona de recombinación en la interfaz.
Haga clic en «Capas» en la cinta de opciones de «Eléctrico» para abrir el editor de capas, que se muestra en ??. Las capas marcadas como «Activas» se incluyen en la solución de deriva-difusión. Las capas marcadas como «Otras» permanecen en la pila óptica, pero no se resuelven por separado como regiones semiconductoras eléctricas. Las capas de contacto proporcionan condiciones de contorno eléctricas y también pueden representarse en la pila óptica. Los contactos deben estar en los lados apropiados de la pila activa.Haga clic en «Capas» en la cinta de opciones de «Eléctrico» para abrir el editor de capas, que se muestra en ??. Las capas marcadas como «Activas» se incluyen en la solución de deriva-difusión. Las capas marcadas como «Otras» permanecen en la pila óptica, pero no se resuelven por separado como regiones semiconductoras eléctricas. Las capas de contacto proporcionan condiciones de contorno eléctricas y también pueden representarse en la pila óptica. Los contactos deben estar en los lados apropiados de la pila activa.
| Capa (de adelante hacia atrás)Capa (de adelante hacia atrás) | GrosorGrosor | Función eléctrica.Función eléctrica. |
|---|---|---|
| Capa frontal de contacto (capa óptica)Capa frontal de contacto (capa óptica) | 110 nm110 nm | Otros: incluye elementos ópticos, pero no una región semiconductora definida.Otros: incluye elementos ópticos, pero no una región semiconductora definida. |
| Contacto frontalContacto frontal | 40 nanómetros40 nanómetros | Contacto: define la condición de contorno eléctrica en la superficie frontal.Contacto: define la condición de contorno eléctrica en la superficie frontal. |
| PerovskitaPerovskita | 500 nm500 nm | Activo: absorbente superior con gran separación entre sus componentes.Activo: absorbente superior con gran separación entre sus componentes. |
| SilicioSilicio | 10 micrómetros10 micrómetros | Tipo activo: amortiguador inferior con menor espacio.Tipo activo: amortiguador inferior con menor espacio. |
| Contacto trasero.Contacto trasero. | 500 nm500 nm | Contacto: define las condiciones de contorno eléctrico en la parte trasera.Contacto: define las condiciones de contorno eléctrico en la parte trasera. |
Ejecute la simulación utilizando el botón azul «Ejecutar simulación» o la tecla F9. La ventana de resultados muestra el progreso del solucionador de Newton (??). Este ejemplo en particular utiliza un perfil de generación de matriz de transferencia para el cálculo eléctrico de la curva J-V y aplica un barrido de voltaje desde -0,1 hasta 2,4 V.Ejecute la simulación utilizando el botón azul «Ejecutar simulación» o la tecla F9. La ventana de resultados muestra el progreso del solucionador de Newton (??). Este ejemplo en particular utiliza un perfil de generación de matriz de transferencia para el cálculo eléctrico de la curva J-V y aplica un barrido de voltaje desde -0,1 hasta 2,4 V.
💡 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. En el ejemplo proporcionado, el VOC reportado es de aproximadamente 1,71 V, el JSC es de aproximadamente −72,4 A m−2 (−7,24 mA cm−2), el factor de llenado es de alrededor de 0,402 y la eficiencia de conversión de energía es de aproximadamente el 4,97 %. Estos son resultados de demostración y no cifras de rendimiento validadas experimentalmente.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. En el ejemplo proporcionado, el VOC reportado es de aproximadamente 1,71 V, el JSC es de aproximadamente −72,4 A m−2 (−7,24 mA cm−2), el factor de llenado es de alrededor de 0,402 y la eficiencia de conversión de energía es de aproximadamente el 4,97 %. Estos son resultados de demostración y no cifras de rendimiento validadas experimentalmente.
jv.csv.Curva característica de corriente-voltaje calculada, obtenida al hacer doble clic en jv.csv.
sim_info.dat.Información sobre la simulación y parámetros de rendimiento, obtenidos de sim_info.dat.4. Parámetros eléctricos y recombinación en volumen.4. Parámetros eléctricos y recombinación en volumen.
Haga clic en «Parámetros eléctricos» en la ventana principal de OghmaNano para examinar las movilidades de los portadores, las densidades de estados efectivas, las bandas prohibidas y las afinidades electrónicas. Las dos pestañas correspondientes a las regiones de perovskita y silicio se muestran en ?? y ??.Haga clic en «Parámetros eléctricos» en la ventana principal de OghmaNano para examinar las movilidades de los portadores, las densidades de estados efectivas, las bandas prohibidas y las afinidades electrónicas. Las dos pestañas correspondientes a las regiones de perovskita y silicio se muestran en ?? y ??.
El modelo simplificado utiliza los siguientes parámetros. La región de silicio se representa mediante parámetros efectivos de transporte en masa; la simulación no incluye la secuencia completa de procesamiento de la oblea, las interfaces texturizadas ni cada capa de contacto selectiva.El modelo simplificado utiliza los siguientes parámetros. La región de silicio se representa mediante parámetros efectivos de transporte en masa; la simulación no incluye la secuencia completa de procesamiento de la oblea, las interfaces texturizadas ni cada capa de contacto selectiva.
| ParámetroParámetro | PerovskitaPerovskita | SilicioSilicio |
|---|---|---|
| GrosorGrosor | 500 nm500 nm | 10 micrómetros10 micrómetros |
| Ancho de banda prohibida, EgAncho de banda prohibida, Eg | 1,63 eV1,63 eV | 1,12 eV1,12 eV |
| Afinidad electrónica, χAfinidad electrónica, χ | 4,12 eV4,12 eV | 4,05 eV4,05 eV |
| Movilidad electrónica, μnMovilidad electrónica, μn | 3,5 × 10⁻³ m⁻² V⁻¹ s⁻¹3,5 × 10⁻³ m⁻² V⁻¹ s⁻¹ | 0,135 m² V⁻¹ s⁻¹0,135 m² V⁻¹ s⁻¹ |
| Movilidad de los huecos, μpMovilidad de los huecos, μp | 3,5 × 10⁻³ m⁻² V⁻¹ s⁻¹3,5 × 10⁻³ m⁻² V⁻¹ s⁻¹ | 0,045 m² V⁻¹ s⁻¹0,045 m² V⁻¹ s⁻¹ |
| Densidad de estados efectiva de electrones, NcDensidad de estados efectiva de electrones, Nc | 1 × 1026 m−31 × 1026 m−3 | 2,8 × 1025 m−32,8 × 1025 m−3 |
| Densidad de estados efectiva de los huecos, NvDensidad de estados efectiva de los huecos, Nv | 1 × 1025 m−31 × 1025 m−3 | 1,7 × 1025 m−31,7 × 1025 m−3 |
| Coeficiente de recombinación de estado libre a estado libre.Coeficiente de recombinación de estado libre a estado libre. | 1 × 10⁻¹⁷ m³/s1 × 10⁻¹⁷ m³/s | 1 × 10⁻¹⁷ m³/s1 × 10⁻¹⁷ m³/s |
En ambos casos, las regiones activas utilizan la recombinación mayoritaria de tipo «libre a libre» (bimolecular). El coeficiente asociado se establece en 10−17 m³ s−1 en cada material. La opción de un solo nivel de SRH no está habilitada en la configuración proporcionada, y el modelo eléctrico no incluye una malla de trampas SRH multibanda.En ambos casos, las regiones activas utilizan la recombinación mayoritaria de tipo «libre a libre» (bimolecular). El coeficiente asociado se establece en 10−17 m³ s−1 en cada material. La opción de un solo nivel de SRH no está habilitada en la configuración proporcionada, y el modelo eléctrico no incluye una malla de trampas SRH multibanda.
\[ R_{\mathrm{bulk}}=B\left(np-n^{eq}p^{eq}\right). \]El término «recombinación en el volumen» describe la recombinación que se produce en el interior de cada semiconductor. Se diferencia de la recombinación que se produce en la interfaz entre las dos subcélulas y que las conecta eléctricamente. En un modelo de dispositivo más detallado o calibrado, los mecanismos de pérdida en el volumen, la concentración de impurezas, los coeficientes de recombinación y las propiedades de la interfaz deben seleccionarse a partir de datos experimentales.El término «recombinación en el volumen» describe la recombinación que se produce en el interior de cada semiconductor. Se diferencia de la recombinación que se produce en la interfaz entre las dos subcélulas y que las conecta eléctricamente. En un modelo de dispositivo más detallado o calibrado, los mecanismos de pérdida en el volumen, la concentración de impurezas, los coeficientes de recombinación y las propiedades de la interfaz deben seleccionarse a partir de datos experimentales.
5. La unión de recombinación de grosor nulo.5. La unión de recombinación de grosor nulo.
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 Perovskita/Silicio 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 Perovskita/Silicio 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, el canal dominante conecta los electrones en el silicio (a la derecha) con los huecos en la perovskita (a la izquierda). En la configuración proporcionada, los coeficientes son \(K_{r2l}=10^{-2}\,\mathrm{m^4\,s^{-1}}\) y \(K_{l2r}=10^{-25}\,\mathrm{m^4\,s^{-1}}\). La gran diferencia entre estos valores hace que la recombinación sea fuertemente direccional, tal como lo requiere la disposición de las dos uniones fotovoltaicas.En este ejemplo, el canal dominante conecta los electrones en el silicio (a la derecha) con los huecos en la perovskita (a la izquierda). En la configuración proporcionada, los coeficientes son \(K_{r2l}=10^{-2}\,\mathrm{m^4\,s^{-1}}\) y \(K_{l2r}=10^{-25}\,\mathrm{m^4\,s^{-1}}\). La gran diferencia entre estos valores hace que la recombinación sea fuertemente direccional, tal como lo requiere 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.
\[FF=\frac{|J_{mpp}V_{mpp}|}{|J_{SC}|V_{OC}},\qquad \eta=\frac{|J_{mpp}V_{mpp}|}{P_{in}}.\]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.
💡 Consejo: en este ejemplo, se establece que la movilidad de los electrones y los huecos en la interfaz es cero. Esto desactiva el transporte convencional por deriva y difusión a través de la interfaz, y lo reemplaza por un mecanismo de recombinación entre las dos subcélulas, que las conecta eléctricamente. Ambos mecanismos también pueden utilizarse juntos asignando valores de movilidad distintos de cero a la interfaz, aunque esto puede mejorar o empeorar la estabilidad numérica, según la configuración del dispositivo.💡 Consejo: en este ejemplo, se establece que la movilidad de los electrones y los huecos en la interfaz es cero. Esto desactiva el transporte convencional por deriva y difusión a través de la interfaz, y lo reemplaza por un mecanismo de recombinación entre las dos subcélulas, que las conecta eléctricamente. Ambos mecanismos también pueden utilizarse juntos asignando valores de movilidad distintos de cero a la interfaz, aunque esto puede mejorar o empeorar la estabilidad numérica, según la configuración del dispositivo.
El coeficiente de recombinación entre los electrones de la subcelda derecha y los huecos de la subcelda izquierda controla el acoplamiento eléctrico principal entre las dos subceldas, lo que permite que los electrones de la subcelda derecha se recombinen con los huecos de la subcelda izquierda. En general, aumentar este coeficiente fortalece el acoplamiento. Sin embargo, la tasa de recombinación depende del producto de las concentraciones de electrones y huecos, multiplicado por el coeficiente de recombinación. En consecuencia, valores muy grandes, como el 1e-2 que se utiliza en el ejemplo proporcionado, pueden introducir términos muy grandes en la matriz jacobiana de Newton y provocar inestabilidad numérica.El coeficiente de recombinación entre los electrones de la subcelda derecha y los huecos de la subcelda izquierda controla el acoplamiento eléctrico principal entre las dos subceldas, lo que permite que los electrones de la subcelda derecha se recombinen con los huecos de la subcelda izquierda. En general, aumentar este coeficiente fortalece el acoplamiento. Sin embargo, la tasa de recombinación depende del producto de las concentraciones de electrones y huecos, multiplicado por el coeficiente de recombinación. En consecuencia, valores muy grandes, como el 1e-2 que se utiliza en el ejemplo proporcionado, pueden introducir términos muy grandes en la matriz jacobiana de Newton y provocar inestabilidad numérica.
Al ajustar los parámetros de la interfaz, compruebe que las corrientes de los terminales izquierdo y derecho coincidan en los resultados de la simulación. En una simulación estable y convergente, la corriente total debe ser la misma en ambos contactos. Una diferencia significativa indica un problema de convergencia o de conservación de la corriente.Al ajustar los parámetros de la interfaz, compruebe que las corrientes de los terminales izquierdo y derecho coincidan en los resultados de la simulación. En una simulación estable y convergente, la corriente total debe ser la misma en ambos contactos. Una diferencia significativa indica un problema de convergencia o de conservación de la corriente.
El coeficiente de recombinación entre los electrones del lado izquierdo y los huecos del lado derecho controla la vía de recombinación opuesta, lo que permite que los electrones de la subcelda izquierda se recombinen con los huecos de la subcelda derecha. En este dispositivo, actúa principalmente como un mecanismo adicional de pérdida por recombinación. Aumentar este coeficiente puede reducir significativamente el voltaje de circuito abierto (VOC) y disminuir la ventaja de voltaje de la estructura en tándem. Por el contrario, reducir este coeficiente suprime la recombinación no deseada y puede aumentar el VOC.El coeficiente de recombinación entre los electrones del lado izquierdo y los huecos del lado derecho controla la vía de recombinación opuesta, lo que permite que los electrones de la subcelda izquierda se recombinen con los huecos de la subcelda derecha. En este dispositivo, actúa principalmente como un mecanismo adicional de pérdida por recombinación. Aumentar este coeficiente puede reducir significativamente el voltaje de circuito abierto (VOC) y disminuir la ventaja de voltaje de la estructura en tándem. Por el contrario, reducir este coeficiente suprime la recombinación no deseada y puede aumentar el VOC.
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 variación del voltaje. Los cuatro ejemplos que se muestran en ??–?? ilustran la evolución de la estructura de bandas a medida que aumenta el voltaje aplicado en el rango de polarización simulado. Los gráficos abarcan una pila eléctrica de aproximadamente 10 µm, de la cual los 500 nm superiores corresponden a perovskita y el resto de la región activa es de silicio.La barra deslizante que se encuentra en la parte inferior de la ventana nos permite desplazarnos a lo largo del rango de variación del voltaje. Los cuatro ejemplos que se muestran en ??–?? ilustran la evolución de la estructura de bandas a medida que aumenta el voltaje aplicado en el rango de polarización simulado. Los gráficos abarcan una pila eléctrica de aproximadamente 10 µm, de la cual los 500 nm superiores corresponden a perovskita y el resto de la región activa es de silicio.
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 celda solar en tándem, las dos uniones fotovoltaicas están conectadas en serie. En consecuencia, las contribuciones de voltaje de las dos subceldas 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 celda en tándem produzca un voltaje de circuito abierto de aproximadamente 1,71 V en la salida proporcionada, lo que refleja las contribuciones de ambas regiones semiconductoras.En una celda solar en tándem, las dos uniones fotovoltaicas están conectadas en serie. En consecuencia, las contribuciones de voltaje de las dos subceldas 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 celda en tándem produzca un voltaje de circuito abierto de aproximadamente 1,71 V en la salida proporcionada, lo que refleja las contribuciones de ambas regiones semiconductoras.
Otra característica importante es el marcado cambio en los niveles cuasi-Fermi, que se produce aproximadamente a los 0,5 µm, en la región eléctricamente activa, y que corresponde a la frontera entre el material de perovskita y el silicio. Es en este punto donde 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 forma 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 0,5 µm, en la región eléctricamente activa, y que corresponde a la frontera entre el material de perovskita y el silicio. Es en este punto donde 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 forma 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, la de perovskita y la de silicio. Abra el archivo.
instantáneas carpeta de la pestaña de salida y utilice
+ botón para añadir Jn.csv y
Jp.csv en el visor de instantáneas. Estos archivos contienen las densidades de corriente de electrones y huecos, respectivamente. A continuación, se puede utilizar el control deslizante para examinar cómo cambian las corrientes a medida que aumenta el voltaje aplicado. Puede encontrar más información sobre cómo utilizar esta herramienta en Documentación del visor de imágenes..
Las densidades de corriente de electrones y huecos ofrecen otra forma útil de comprender cómo están conectadas las dos subcélulas, la de perovskita y la de silicio. Abra el archivo.
instantáneas carpeta de la pestaña de salida y utilice
+ botón para añadir Jn.csv y
Jp.csv en el visor de instantáneas. Estos archivos contienen las densidades de corriente de electrones y huecos, respectivamente. A continuación, se puede utilizar el control deslizante para examinar cómo cambian las corrientes a medida que aumenta el voltaje aplicado. Puede encontrar más información sobre cómo utilizar esta herramienta en Documentación del visor de imágenes..
Las cuatro imágenes que se muestran en ??–?? representan las distribuciones actuales en cuatro puntos durante el barrido de voltaje aplicado. 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 cuatro puntos durante el barrido de voltaje aplicado. La curva azul representa la densidad de corriente de electrones, mientras que la curva roja representa la densidad de corriente de huecos.
En este ejemplo, con voltajes aplicados bajos, la corriente se debe principalmente al flujo de electrones en la perovskita, que se encuentra a la izquierda, y al flujo de huecos en el silicio, que se encuentra a la derecha. Aproximadamente a 0,5 µm de profundidad en la pila activa, 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.En este ejemplo, con voltajes aplicados bajos, la corriente se debe principalmente al flujo de electrones en la perovskita, que se encuentra a la izquierda, y al flujo de huecos en el silicio, que se encuentra a la derecha. Aproximadamente a 0,5 µm de profundidad en la pila activa, 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:
\[ J_{\mathrm{total}}=J_n+J_p. \]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 1,71 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 ayuda a explicar por qué algunas imágenes muestran 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 1,71 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 ayuda a explicar por qué algunas imágenes muestran variaciones notables en los componentes individuales de la corriente cerca de la interfaz de recombinación, aunque la corriente total en los terminales sea pequeña.
Además del voltaje en circuito abierto, la estructura en tándem se polariza directamente y la corriente en los terminales cambia de signo. La magnitud de la corriente de inyección aumenta con la polarización. El mismo mecanismo interfacial sigue operando: la corriente predominante cambia entre el transporte de electrones y el de huecos en el centro del dispositivo, mientras que la corriente total permanece continua en toda la estructura en tándem.Además del voltaje en circuito abierto, la estructura en tándem se polariza directamente y la corriente en los terminales cambia de signo. La magnitud de la corriente de inyección aumenta con la polarización. El mismo mecanismo interfacial sigue operando: la corriente predominante cambia entre el transporte de electrones y el de huecos en el centro del dispositivo, mientras que la corriente total permanece continua en toda la estructura en tándem.
Los picos estrechos que se observan en los componentes individuales de la corriente cerca de la unión perovskita/silicio (aproximadamente a 0,5 µm de la pila activa) 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 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 la unión perovskita/silicio (aproximadamente a 0,5 µm de la pila activa) 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 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.
La celda superior de perovskita, con su gran separación de bandas, absorbe una parte considerable de los fotones solares de mayor energía, mientras que la celda inferior de silicio, con una menor separación de bandas, puede absorber la luz de mayor longitud de onda que se transmite a través de la perovskita. El cálculo mediante la matriz de transferencia tiene en cuenta la absorción y la interferencia en toda la estructura óptica.La celda superior de perovskita, con su gran separación de bandas, absorbe una parte considerable de los fotones solares de mayor energía, mientras que la celda inferior de silicio, con una menor separación de bandas, puede absorber la luz de mayor longitud de onda que se transmite a través de la perovskita. El cálculo mediante la matriz de transferencia tiene en cuenta la absorción y la interferencia en toda la estructura óptica.
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. Las regiones de perovskita y silicio tienen diferentes ventanas de absorción espectral. La perovskita absorbe preferentemente fotones de mayor energía, mientras que el silicio puede utilizar longitudes de onda más largas que atraviesan la celda superior. Este comportamiento de absorción complementaria es una de las principales razones para combinar estos materiales en una celda 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. Las regiones de perovskita y silicio tienen diferentes ventanas de absorción espectral. La perovskita absorbe preferentemente fotones de mayor energía, mientras que el silicio puede utilizar longitudes de onda más largas que atraviesan la celda superior. Este comportamiento de absorción complementaria es una de las principales razones para combinar estos materiales en una celda 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. El perfil de generación se extiende a lo largo de la delgada capa superior de perovskita y de la capa inferior de silicio, que es mucho más gruesa. Observe que la tasa de generación cambia bruscamente en la frontera entre ambas capas, 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. El perfil de generación se extiende a lo largo de la delgada capa superior de perovskita y de la capa inferior de silicio, que es mucho más gruesa. Observe que la tasa de generación cambia bruscamente en la frontera entre ambas capas, 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:
\[ G(y)=\int \alpha(\lambda,y)\Phi(\lambda,y)\,d\lambda, \]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 de salida óptica siminfo.dat contiene información sobre la simulación óptica, incluido el 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. En el caso de una célula en tándem de dos terminales, la fotocorriente óptica combinada no es, en sí misma, la corriente esperada de la célula conectada en serie: esta última está limitada por la correspondencia de corriente entre las subcélulas. Por lo tanto, estos valores ópticos proporcionan una referencia para la generación de fotones, en lugar de una predicción directa de la corriente de cortocircuito (JSC) de la célula en tándem.El archivo de salida óptica siminfo.dat contiene información sobre la simulación óptica, incluido el 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. En el caso de una célula en tándem de dos terminales, la fotocorriente óptica combinada no es, en sí misma, la corriente esperada de la célula conectada en serie: esta última está limitada por la correspondencia de corriente entre las subcélulas. Por lo tanto, estos valores ópticos proporcionan una referencia para la generación de fotones, en lugar de una predicción directa de la corriente de cortocircuito (JSC) de la célula en tándem.
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:
\[ V_{OC} = \frac{n_{\mathrm{id}}k_BT}{q} \ln\left( \frac{J_{\mathrm{ph}}}{J_0}+1 \right), \]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,
\[ V_{OC,\mathrm{tandem}} \simeq V_{OC,1}+V_{OC,2}-V_{\mathrm{loss}}, \]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 característica calculada de Suns-Voc se muestra en ??. El gráfico ilustra cómo cambia el voltaje en tándem en función de la intensidad de la luz. Esta variación está determinada por la recombinación combinada y la división del nivel cuasi-Fermi de las dos subcélulas; los valores numéricos exactos deben obtenerse del archivo de salida correspondiente.La curva característica calculada de Suns-Voc se muestra en ??. El gráfico ilustra cómo cambia el voltaje en tándem en función de la intensidad de la luz. Esta variación está determinada por la recombinación combinada y la división del nivel cuasi-Fermi de las dos subcélulas; los valores numéricos exactos deben obtenerse del archivo de salida correspondiente.
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,
\[ |J_{SC}|\propto P_{\mathrm{sun}}, \]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:
\[ |J_{SC}| \simeq q\int G(y)\eta_{\mathrm{col}}(y)\,dy, \]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 varía en función de la intensidad de la iluminación. Examine los valores numéricos que se muestran en la gráfica para cuantificar la relación. El signo negativo que aparece en la curva de corriente refleja 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 varía en función de la intensidad de la iluminación. Examine los valores numéricos que se muestran en la gráfica para cuantificar la relación. El signo negativo que aparece en la curva de corriente refleja la convención de corriente fotovoltaica utilizada por el programa de cálculo.
suns_jsc.csv para examinar la corriente de cortocircuito calculada.Pestaña de resultados después de ejecutar la simulación Suns-Jsc. Haga doble clic en suns_jsc.csv para examinar la corriente de cortocircuito calculada.
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.
10. Pruebas complementarias recomendadas.10. Pruebas complementarias recomendadas.
La lección fundamental es que el apilamiento óptico y la interconexión eléctrica deben analizarse en conjunto. El filtro de perovskita modula el espectro que llega al silicio, mientras que el mecanismo de recombinación en la interfaz permite la conexión en serie de dos terminales sin necesidad de un semiconductor intermedio artificial que actúe como aislante eléctrico.La lección fundamental es que el apilamiento óptico y la interconexión eléctrica deben analizarse en conjunto. El filtro de perovskita modula el espectro que llega al silicio, mientras que el mecanismo de recombinación en la interfaz permite la conexión en serie de dos terminales sin necesidad de un semiconductor intermedio artificial que actúe como aislante eléctrico.