Résistance aux parasites dans les cellules photovoltaïques organiques : simulation des caractéristiques courant-tension en série, en parallèle et dans l’obscurité.

Cette section explique comment la résistance parasite affecte les simulations des cellules solaires organiques. La résistance série, la résistance de dérivation et les courbes courant-tension dans l’obscurité sont des outils de diagnostic utiles, car ils permettent de distinguer les pertes de contact, les chemins de fuite et les zones où la recombinaison est prédominante dans la réponse du dispositif.

1. Résistance en série, résistance de dérivation et courbe courant-tension (J-V) de la cellule photovoltaïque organique.

Les simulations de dérive-diffusion décrivent en détail la couche photoactive, où sont présents à la fois des électrons et des trous, et où ils interagissent. Cependant, les dispositifs réels présentent également des effets non idéaux, dus aux couches de contact et aux imperfections de fabrication. L’un des effets importants est la résistance série (Rs), une résistance globale en série avec la diode, qui provient des contacts, des couches de transport (HTL/ETL) et de la résistance des connexions ou des feuilles conductrices. Elle produit la caractéristique « chute » à haute tension, limitant le courant à des tensions directes élevées et réduisant le facteur de remplissage.

Un deuxième effet est la résistance de dérivation (Rshunt), qui représente une voie de fuite parallèle à la couche active. Cette résistance est due à des imperfections telles que des micro-trous, des impuretés, des fuites sur les bords ou des courts-circuits, qui créent des chemins conducteurs non désirés à travers le dispositif. Elle dégrade principalement la région de faible polarisation de la courbe J-V, en réduisant la pente près de l’origine et en diminuant le courant de court-circuit (JSC) et le facteur de remplissage.

Ces éléments sont généralement désignés sous le nom de composants parasites et peuvent être représentés dans un modèle de circuit simplifié, comme illustré dans ??. Dans ce modèle, la diode idéale (dont le comportement est régi par les équations de dérive-diffusion) apparaît en parallèle avec Rshunt et en série avec Rs. Un condensateur parasite est également inclus pour représenter la capacité géométrique des contacts ; ce terme n’est pertinent que dans les simulations transitoires.

Vous pouvez modifier les composants parasites dans OghmaNano en allant dans le ruban « Électrique » de la fenêtre principale et en sélectionnant « Composants parasites ». Cela ouvre l’éditeur de composants parasites, où vous pouvez définir à la fois la résistance de dérivation et la résistance en série. Vous pouvez voir cela dans ?? : la résistance de dérivation (Rshunt) est saisie sous forme de valeur normalisée par rapport à la surface (Ω·m2). Cela garantit que la résistance de dérivation effective varie en fonction de la surface du dispositif. La résistance en série (Rs) est spécifiée en ohms (Ω) en tant que résistance globale, indépendante de la surface du dispositif. Ensemble, Rshunt et Rs vous permettent de prendre en compte les pertes de fuite et de conduction réelles, en plus de la physique de dérive-diffusion de la couche active.

2. Simulation des caractéristiques en régime sombre et extraction des valeurs de résistance.

Jusqu’à présent, toutes les simulations ont été réalisées en conditions d’éclairage, sous un rayonnement AM1.5G. C’est tout à fait normal, car nous nous intéressons généralement à la quantité d’énergie qu’une cellule solaire peut produire. Cependant, mesurer un dispositif dans l’obscurité révèle souvent des informations encore plus précises sur sa physique interne, et explique pourquoi il pourrait ne pas fonctionner comme prévu. Une erreur courante consiste à caractériser un nouveau dispositif uniquement en conditions d’éclairage ; en réalité, la courbe courant-tension obtenue dans l’obscurité peut fournir des informations diagnostiques plus complètes que la courbe obtenue en conditions d’éclairage.

Dans cette section, nous utiliserons le mode sombre JV pour étudier comment les valeurs de Rshunt et de Rs peuvent être déterminées. Pour commencer, passez le simulateur en mode sombre : allez dans « Ruban optique » → « Intensité lumineuse (en unités solaires) » et définissez la valeur sur 0,0. Les photons verts dans la vue 3D du dispositif disparaîtront, ce qui confirmera que la simulation s’exécute sans éclairage. Vous pouvez le constater dans ??.

Nous allons maintenant examiner comment les résistances parasites influencent la courbe courant-tension dans l’obscurité. Commençons par définir les paramètres. R_{dérivation, court-circuit, dévier.} attribuez une valeur élevée (par exemple, 1 MΩ·m²) et effectuez une mesure de balayage en jonction, puis réduisez cette valeur à une valeur beaucoup plus faible (par exemple, 1 Ω·m²) et comparez les courbes. Observez comment la pente aux basses tensions est affectée par les fuites de shunt. Répétez ensuite le processus pour la résistance en série : définissez R_s d’abord à 0 Ω, puis à une valeur plus élevée (par exemple, 20 Ω). Comparez la zone de haute tension de la courbe J-V et notez comment la pente change. Représentez graphiquement chaque cas sur des axes linéaires en abscisse et logarithmiques en ordonnée (appuyez sur lafin que les différences soient clairement visibles. ?? explique comment les résistances devraient influencer les différentes parties de la courbe courant-tension (JV). Il est important de noter que la simple modification des résistances parasites n’affecte pas directement la région où la recombinaison est prédominante ; cette région est contrôlée par le paramètres des matériaux électriques abordés dans la partie E.