Logiciel de simulation de cellules solaires pour les dispositifs photovoltaïques organiques (OPV) et les dispositifs photovoltaïques à couches minces.
1. Introduction
OghmaNano est une plateforme logicielle de simulation de cellules solaires à usage général, conçue pour la modélisation d’appareils photovoltaïques à couches minces, notamment : cellules photovoltaïques organiques, cellules solaires à pérovskite et les structures connexes, telles que dispositifs à jonction PN en siliciumIl combine la modélisation optique avec le transport par dérive-diffusion. physique des états de piégeage afin de fournir une description physiquement réaliste du comportement d’un dispositif, en utilisant des techniques de caractérisation avancées telles que Analyse Suns-Voc pour identifier les mécanismes de recombinaison.
Pour les semi-conducteurs désordonnés, comme les cellules photovoltaïques organiques, le simulateur permet de déterminer optique à couches minces, transport par dérive et diffusionet en tenant compte de manière cohérente du piégeage des porteurs hors équilibre, ce qui permet de comprendre comment les états localisés influencent le transport des charges, la recombinaison et l’électrostatique.
Cette approche unifiée permet d’analyser l’absorption, la réflexion, le transport des charges, le piégeage, la recombinaison, les aspects énergétiques et les contacts au sein d’un seul modèle. Au lieu de se contenter d’ajuster un circuit équivalent ou de reproduire une courbe J-V, OghmaNano permet de comprendre. pourquoi un appareil fonctionne de la manière dont il fonctionne et quels processus physiques limitent ses performances. L’interface principale est présentée dans Figure ??tandis que l’éditeur de calques dans Figure ?? permet de définir l’empilement, les matériaux et les épaisseurs.
Le même modèle est utilisé pour les simulations en régime permanent, les simulations transitoires et les simulations dans le domaine fréquentiel, notamment pour les simulations JV, TPV et CELIV. spectroscopie d’impédance, IMPSet IMVSLes profils de génération optique peuvent être calculés directement à partir des propriétés optiques des couches minces multicouches, comme l’illustre Figure ??et la réponse électrique obtenue est analysée à l’aide de données telles que la courbe J-V présentée dans Figure ??.
Bien que cette page porte principalement sur les OPV, le même algorithme de résolution s’applique également à cellules solaires à pérovskite, structures en silicium amorpheet dispositifs à grande surfacey compris modèles au niveau du circuit pour étudier les variations spatiales et les effets d’échelle, en partant des cellules individuelles pour aller jusqu’aux modules.
2. Les possibilités offertes par OghmaNano.
- Concevez des structures d’appareils réalistes : définissez les matériaux donneurs, accepteurs, de transport, intermédiaires et d’électrode, en spécifiant leurs propriétés en fonction de leur position.
- Modélisation couplée de l’optique et du transport : combinez les calculs optiques sur couches minces avec une simulation complète du dispositif électrique.
- Intégrez la physique des pièges : analysez comment les états localisés, le piégeage et la recombinaison assistée par les pièges affectent les performances du dispositif.
- Visualisez le fonctionnement interne du dispositif : examinez les champs, les densités de porteurs, la recombinaison, les niveaux quasi-Fermi et les profils de génération en 1D, 2D ou 3D.
- Effectuez une comparaison directe avec les résultats expérimentaux : simulez et interprétez les résultats obtenus pour les mesures de courant-tension (JV), de puissance en fonction de la tension (TPV), de capacité en fonction de la tension (CELIV), de spectroscopie d’impédance, d’IMPS et d’IMVS.
- Il est important de comprendre les différents mécanismes de perte : il faut les distinguer (pertes optiques, pertes dues au transport, pertes dues au piégeage et pertes dues aux contacts) plutôt que de les regrouper dans des paramètres empiriques utilisés pour l’ajustement.
- Optimisez en utilisant des simulations : effectuez des analyses paramétriques et explorez différentes options de conception avant la fabrication.
Essayez un exemple d’OPV.
Commencez par guide de démarrage rapide pour les OPVpuis passez à optique et absorption, structure du dispositif et couches actives, spectroscopie d’impédance, IMPS, IMVSou simulations de PM6:Y6 sur de grandes surfaces.
3. Le solveur principal pour les cellules photovoltaïques organiques.
Pour simuler les dispositifs OPV et d’autres cellules solaires désordonnées, on commence par utiliser le modèle standard. modèle de dérive-diffusionCela décrit la manière dont une charge électrique se déplace à travers un dispositif sous l’influence de champs électriques et de gradients de concentration.
Les électrons et les trous sont transportés selon les principes suivants : les équations de dérive-diffusion,
$$ \mathbf{J}_n = \mu_n n \nabla E_c + q D_n \nabla n $$ $$ \mathbf{J}_p = \mu_p p \nabla E_v - q D_p \nabla p, $$ainsi que les équations de continuité,
$$ \frac{\partial n}{\partial t} = \frac{1}{q}\nabla \cdot \mathbf{J}_n + G - R $$ $$ \frac{\partial p}{\partial t} = -\frac{1}{q}\nabla \cdot \mathbf{J}_p + G - R. $$Le potentiel électrostatique est obtenu à partir de L’équation de Poisson,
$$ \nabla \cdot \left( \varepsilon \nabla \phi \right) = -q \left( p - n + N_D^+ - N_A^- + \rho_{\mathrm{trap}} + \rho_{\mathrm{ion}} \right), $$qui établit un lien entre la distribution des charges et le champ électrique interne.
Cependant, pour les dispositifs OPV et les autres semi-conducteurs désordonnés, cette description est incomplète. Dans ces matériaux, une grande partie des charges se trouve dans des états localisés, et la recombinaison se produit souvent par l’intermédiaire de ces états plutôt que directement entre les porteurs de charge libres.
Pour décrire ce phénomène, OghmaNano prend en compte des populations de pièges explicites et résout une équation de type non équilibre. Recombinaison de Shockley-Read-Hall (SRH)L’image physique est présentée dans Figure ??: les électrons et les trous sont capturés dans des états de piégeage et peuvent ensuite être réémis. La recombinaison se produit lorsque des porteurs de polarité opposée se rencontrent dans cet ensemble de pièges, ce qui crée une voie indirecte entre les bandes d’énergie.
Pour décrire la recombinaison dans les matériaux désordonnés, tels que les OPV, OghmaNano ne part pas d’une équation SRH sous forme close. Au lieu de cela, il commence par les dynamiques sous-jacentes des états de piégeage, telles qu’elles sont présentées dans Figure ??Les électrons et les trous sont captés et émis en continu par une distribution d’états localisés, ce qui forme un réseau de transitions entre les populations libres et celles qui sont piégées.
Pour une énergie de piège donnée, le taux d’occupation évolue en fonction de :
$$ \frac{dn_t}{dt} = r_{ec} - r_{ee} - r_{hc} + r_{he}, $$où \(r_{ec}\) et \(r_{hc}\) représentent les taux de capture des électrons et des trous dans le réseau de pièges, et \(r_{ee}\) et \(r_{he}\) représentent les processus d’émission correspondants. La recombinaison se produit lorsque des porteurs de polarité opposée se rencontrent au sein de ces états de piège.
La recombinaison totale induite par les pièges est donc obtenue en effectuant la somme de toutes ces transitions sur l’ensemble de la densité d’états.
$$ R_{\mathrm{trap}} = \sum_i R_i \;\;\;\; \text{with} \;\;\;\; R_i \sim r_{ec,i} \cdot p_{t,i} \;\; \text{or} \;\; r_{hc,i} \cdot n_{t,i}, $$où chaque contribution \(R_i\) correspond à une recombinaison qui se produit dans une région spécifique de la distribution des pièges. Si l’on suppose des conditions d’état stationnaire et un seul niveau de piège efficace, cette description complète se réduit à la formule bien connue. Formule de Shockley-Read-Hall,
$$ R_{\mathrm{trap}} \sim \frac{np - n_i^2}{\tau_p (n + n_t) + \tau_n (p + p_t)}, $$Cependant, cette forme simplifiée ne prend pas en compte l’évolution dynamique de l’occupation des pièges, ni ne suit explicitement la charge accumulée dans ces pièges. Dans les semiconducteurs désordonnés, cette charge piégée contribue directement à l’électrostatique par le biais de l’équation de Poisson, modifiant ainsi le champ interne et la courbure des bandes d’énergie. Pour cette raison, OghmaNano résout le système dynamique complet des pièges plutôt que de se fier uniquement à la limite analytique de SRH.
En résolvant ces processus de manière cohérente, le solveur d’OPV ne se contente pas de prédire les performances de l’appareil, mais explique également pourquoi celles-ci évoluent. Par exemple, la diminution du facteur de remplissage peut être due au piégeage des charges, à un déséquilibre de la mobilité ou à des barrières de contact, tandis que les pertes de courant peuvent provenir de limites d’absorption optique ou d’une extraction inefficace.
