Simulation de cellules solaires organiques en tandem : PCDTBT:PC70BM / PM6:Y6 et recombinaison à l’interface.Simulation de cellules solaires organiques en tandem : PCDTBT:PC70BM / PM6:Y6 et recombinaison à l’interface.
1. Introduction : pourquoi combiner deux cellules solaires organiques ?1. Introduction : pourquoi combiner deux cellules solaires organiques ?
Les matériaux organiques photovoltaïques utilisés comme absorbeurs présentent des spectres optiques dont les propriétés peuvent être ajustées chimiquement et peuvent être déposés sous forme de couches minces. Une cellule solaire en tandem place deux absorbeurs sur le trajet optique de manière à ce que le premier intercepte une partie du spectre incident et que le second utilise les photons qui le traversent. Dans ce cas, l’absorbeur avant est constitué de PCDTBT:PC70BM, tandis que l’absorbeur arrière est constitué de PM6:Y6. Ces mélanges présentent des caractéristiques d’absorption optique différentes et des écarts électriques efficaces différents.Les matériaux organiques photovoltaïques utilisés comme absorbeurs présentent des spectres optiques dont les propriétés peuvent être ajustées chimiquement et peuvent être déposés sous forme de couches minces. Une cellule solaire en tandem place deux absorbeurs sur le trajet optique de manière à ce que le premier intercepte une partie du spectre incident et que le second utilise les photons qui le traversent. Dans ce cas, l’absorbeur avant est constitué de PCDTBT:PC70BM, tandis que l’absorbeur arrière est constitué de PM6:Y6. Ces mélanges présentent des caractéristiques d’absorption optique différentes et des écarts électriques efficaces différents.
L’exemple présenté est une cellule tandem monolithique à deux bornes (2T). Les sous-cellules partagent un courant externe commun et leurs tensions contribuent à la tension aux bornes. Une jonction interne doit permettre aux électrons provenant d’une sous-cellule de se recombiner avec les trous provenant de l’autre. Au lieu d’insérer un mince semi-conducteur artificiel pour favoriser la recombinaison, cet exemple utilise une condition limite de recombinaison à l’interface entre les deux régions absorbantes.L’exemple présenté est une cellule tandem monolithique à deux bornes (2T). Les sous-cellules partagent un courant externe commun et leurs tensions contribuent à la tension aux bornes. Une jonction interne doit permettre aux électrons provenant d’une sous-cellule de se recombiner avec les trous provenant de l’autre. Au lieu d’insérer un mince semi-conducteur artificiel pour favoriser la recombinaison, cet exemple utilise une condition limite de recombinaison à l’interface entre les deux régions absorbantes.
Les paramètres électriques sont délibérément définis comme des valeurs représentatives du milieu effectif, ce qui permet de valider le modèle couplé plutôt que de prétendre fournir une description calibrée d’un dispositif spécifique. Les ensembles de données optiques et les paramètres de bande sont traités séparément.Les paramètres électriques sont délibérément définis comme des valeurs représentatives du milieu effectif, ce qui permet de valider le modèle couplé plutôt que de prétendre fournir une description calibrée d’un dispositif spécifique. Les ensembles de données optiques et les paramètres de bande sont traités séparément.
💡 Astuce : Modélisation des cellules solaires en tandem. Les cellules solaires en tandem sont plus difficiles à simuler que les dispositifs conventionnels à jonction unique, car les sous-cellules supérieure et inférieure doivent être couplées électriquement par une jonction de recombinaison. L’objectif est de permettre aux électrons d’une sous-cellule de se recombiner avec les trous de l’autre, en connectant les deux cellules en série afin que leurs tensions s’additionnent. Il existe deux principales méthodes pour modéliser cela dans OghmaNano :💡 Astuce : Modélisation des cellules solaires en tandem. Les cellules solaires en tandem sont plus difficiles à simuler que les dispositifs conventionnels à jonction unique, car les sous-cellules supérieure et inférieure doivent être couplées électriquement par une jonction de recombinaison. L’objectif est de permettre aux électrons d’une sous-cellule de se recombiner avec les trous de l’autre, en connectant les deux cellules en série afin que leurs tensions s’additionnent. Il existe deux principales méthodes pour modéliser cela dans OghmaNano :
1. Couche de recombinaison massive : Introduire une couche physique de faible épaisseur entre les deux sous-cellules, avec un coefficient de recombinaison bimoléculaire élevé. Cela permet de modéliser explicitement la jonction de recombinaison, mais des taux de recombinaison très élevés peuvent introduire des termes importants dans la matrice jacobienne de Newton, ce qui peut parfois entraîner une instabilité numérique. Cette approche est illustrée dans le guide pratique sur la fabrication de cellules tandem pérovskite/silicium utilisant une couche de recombinaison volumique. 1. Couche de recombinaison massive : Introduire une couche physique de faible épaisseur entre les deux sous-cellules, avec un coefficient de recombinaison bimoléculaire élevé. Cela permet de modéliser explicitement la jonction de recombinaison, mais des taux de recombinaison très élevés peuvent introduire des termes importants dans la matrice jacobienne de Newton, ce qui peut parfois entraîner une instabilité numérique. Cette approche est illustrée dans le guide pratique sur la fabrication de cellules tandem pérovskite/silicium utilisant une couche de recombinaison volumique.
2. Recombinaison inter-interfaces : Au lieu d’ajouter une couche distincte, introduisez une interface de recombinaison de faible épaisseur entre les deux sous-cellules. Le transport conventionnel par dérive et diffusion à travers l’interface est désactivé, de sorte que les électrons et les trous ne peuvent pas passer directement d’une sous-cellule à l’autre. Au lieu de cela, les cellules sont connectées électriquement par le biais d’une recombinaison électron-trou à travers l’interface. Cela évite la nécessité d’une couche de recombinaison artificielle, bien qu’un fort couplage interfacial puisse toujours entraîner des difficultés de convergence numérique. Cette approche est illustrée dans le guide pratique sur les cellules tandem à base de pérovskite et de silicium, axé sur la recombinaison à l’interface et tutoriel sur les cellules solaires organiques en tandem. 2. Recombinaison inter-interfaces : Au lieu d’ajouter une couche distincte, introduisez une interface de recombinaison de faible épaisseur entre les deux sous-cellules. Le transport conventionnel par dérive et diffusion à travers l’interface est désactivé, de sorte que les électrons et les trous ne peuvent pas passer directement d’une sous-cellule à l’autre. Au lieu de cela, les cellules sont connectées électriquement par le biais d’une recombinaison électron-trou à travers l’interface. Cela évite la nécessité d’une couche de recombinaison artificielle, bien qu’un fort couplage interfacial puisse toujours entraîner des difficultés de convergence numérique. Cette approche est illustrée dans le guide pratique sur les cellules tandem à base de pérovskite et de silicium, axé sur la recombinaison à l’interface et tutoriel sur les cellules solaires organiques en tandem.
Les deux approches visent à reproduire le comportement électrique d’une cellule solaire tandem à jonction en série. Cependant, les simulations de cellules tandem sont généralement plus complexes sur le plan numérique que les simulations de cellules à jonction unique, car les populations de porteurs, les taux de recombinaison et les potentiels électrostatiques dans les deux sous-cellules sont fortement liés. Il est donc important de surveiller la convergence et de vérifier que le courant total est le même aux deux contacts électriques.Les deux approches visent à reproduire le comportement électrique d’une cellule solaire tandem à jonction en série. Cependant, les simulations de cellules tandem sont généralement plus complexes sur le plan numérique que les simulations de cellules à jonction unique, car les populations de porteurs, les taux de recombinaison et les potentiels électrostatiques dans les deux sous-cellules sont fortement liés. Il est donc important de surveiller la convergence et de vérifier que le courant total est le même aux deux contacts électriques.
2. Ouverture de l’exemple de tandem organique.2. Ouverture de l’exemple de tandem organique.
Lancez OghmaNano et sélectionnez « Nouvelle simulation » (??). Localisez l’exemple de structure tandem organique dans le navigateur de simulation (??) et ouvrez-le. La vue de la structure du dispositif (??) affiche l’ensemble de la pile optique.Lancez OghmaNano et sélectionnez « Nouvelle simulation » (??). Localisez l’exemple de structure tandem organique dans le navigateur de simulation (??) et ouvrez-le. La vue de la structure du dispositif (??) affiche l’ensemble de la pile optique.
Enregistrez une copie avant de modifier les paramètres. Le ruban « Électrique » contient les éditeurs de paramètres pour les calques, les contacts, les interfaces et les paramètres électriques (??).Enregistrez une copie avant de modifier les paramètres. Le ruban « Électrique » contient les éditeurs de paramètres pour les calques, les contacts, les interfaces et les paramètres électriques (??).
💡 Conseil : Pour obtenir les meilleures performances, enregistrez les données sur un disque local, par exemple :
C:\Les simulations enregistrées dans des dossiers réseau, sur une clé USB ou dans le cloud (par exemple, OneDrive) peuvent être exécutées. lent en raison du grand nombre d’opérations de lecture/écriture..💡 Conseil : Pour obtenir les meilleures performances, enregistrez les données sur un disque local, par exemple :
C:\Les simulations enregistrées dans des dossiers réseau, sur une clé USB ou dans le cloud (par exemple, OneDrive) peuvent être exécutées. lent en raison du grand nombre d’opérations de lecture/écriture..
3. Lancer la simulation de la cellule solaire organique en tandem.3. Lancer la simulation de la cellule solaire organique en tandem.
La représentation tridimensionnelle de la cellule solaire organique tandem est présentée dans ??. Le dispositif est constitué de six couches, dont deux couches organiques actives absorbant la lumière, PCDTBT:PC70BM et PM6:Y6, placées entre les électrodes avant et arrière. Cliquez sur le bouton « Couches » dans le ruban « Électrique » pour ouvrir l’éditeur de couches, présenté dans ??. Cette fenêtre affiche les matériaux, les épaisseurs et la configuration électrique de chaque couche. Les couches marquées « Actives » sont incluses dans la simulation électrique, ce qui signifie que les équations de dérive-diffusion sont résolues dans ces régions. Les couches marquées « Autres » sont incluses dans la pile optique, mais ne sont pas explicitement incluses dans la simulation de dérive-diffusion électrique. Dans cet exemple, les couches de ZnO et de MoOx sont désignées comme « Autres ». Les couches marquées « Contact » sont incluses dans la pile optique et définissent les conditions aux limites électriques pour les régions actives du semi-conducteur. Leur position exacte dans la pile de couches n’est pas essentielle, à condition qu’elles soient placées du côté approprié des couches électriquement actives. La configuration de couches résultante doit correspondre au tableau présenté ci-dessous.La représentation tridimensionnelle de la cellule solaire organique tandem est présentée dans ??. Le dispositif est constitué de six couches, dont deux couches organiques actives absorbant la lumière, PCDTBT:PC70BM et PM6:Y6, placées entre les électrodes avant et arrière. Cliquez sur le bouton « Couches » dans le ruban « Électrique » pour ouvrir l’éditeur de couches, présenté dans ??. Cette fenêtre affiche les matériaux, les épaisseurs et la configuration électrique de chaque couche. Les couches marquées « Actives » sont incluses dans la simulation électrique, ce qui signifie que les équations de dérive-diffusion sont résolues dans ces régions. Les couches marquées « Autres » sont incluses dans la pile optique, mais ne sont pas explicitement incluses dans la simulation de dérive-diffusion électrique. Dans cet exemple, les couches de ZnO et de MoOx sont désignées comme « Autres ». Les couches marquées « Contact » sont incluses dans la pile optique et définissent les conditions aux limites électriques pour les régions actives du semi-conducteur. Leur position exacte dans la pile de couches n’est pas essentielle, à condition qu’elles soient placées du côté approprié des couches électriquement actives. La configuration de couches résultante doit correspondre au tableau présenté ci-dessous.
Notez que la tension en circuit ouvert (\(V_{OC}\)) indiquée dans ?? est d’environ 1,37 V, ce qui est considérablement plus élevé que ce que l’on pourrait normalement attendre d’une cellule solaire organique à une seule jonction. Cela illustre l’un des principaux avantages d’une structure en tandem : les phototensions générées par les deux sous-cellules s’additionnent, ce qui permet d’obtenir une tension en circuit ouvert globale plus élevée.Notez que la tension en circuit ouvert (\(V_{OC}\)) indiquée dans ?? est d’environ 1,37 V, ce qui est considérablement plus élevé que ce que l’on pourrait normalement attendre d’une cellule solaire organique à une seule jonction. Cela illustre l’un des principaux avantages d’une structure en tandem : les phototensions générées par les deux sous-cellules s’additionnent, ce qui permet d’obtenir une tension en circuit ouvert globale plus élevée.
| Couches (de l’avant vers l’arrière)Couches (de l’avant vers l’arrière) | ÉpaisseurÉpaisseur | RôleRôle |
|---|---|---|
| ITOITO | 100 nanomètres100 nanomètres | Électrode frontale transparente.Électrode frontale transparente. |
| ZnOZnO | 30 milles nautiques30 milles nautiques | Matériau optique/de la couche de transport situé à l’avant.Matériau optique/de la couche de transport situé à l’avant. |
| PCDTBT:PC70BMPCDTBT:PC70BM | 100 nanomètres100 nanomètres | Absorbeur organique frontal à hétérojonction en masse, doté d’une bande interdite électrique plus importante.Absorbeur organique frontal à hétérojonction en masse, doté d’une bande interdite électrique plus importante. |
| PM6 : Y6PM6 : Y6 | 100 nanomètres100 nanomètres | Absorbeur organique à hétérojonction volumique placé à l’arrière, avec une bande interdite électrique effective plus faible.Absorbeur organique à hétérojonction volumique placé à l’arrière, avec une bande interdite électrique effective plus faible. |
| MoOxMoOx | 10 milles nautiques10 milles nautiques | Matériau constituant la couche optique/de transport arrière.Matériau constituant la couche optique/de transport arrière. |
| AgAg | 100 nanomètres100 nanomètres | Électrode métallique arrière.Électrode métallique arrière. |
Pour lancer la simulation, cliquez sur le bouton bleu « Lancer la simulation » ou appuyez sur la touche F9. Le solveur numérique calcule la caractéristique courant-tension (J-V) de l’ensemble du dispositif en tandem. Les résultats du solveur sont affichés dans ??. Notez que le courant croise l’axe à environ 1,38 V, ce qui correspond à la tension en circuit ouvert \(V_{OC}\) de la cellule solaire en tandem.Pour lancer la simulation, cliquez sur le bouton bleu « Lancer la simulation » ou appuyez sur la touche F9. Le solveur numérique calcule la caractéristique courant-tension (J-V) de l’ensemble du dispositif en tandem. Les résultats du solveur sont affichés dans ??. Notez que le courant croise l’axe à environ 1,38 V, ce qui correspond à la tension en circuit ouvert \(V_{OC}\) de la cellule solaire en tandem.
💡 Astuce : Bien que la sortie du terminal puisse sembler complexe, elle est en réalité assez facile à interpréter. « Gauche » et « Droite » font référence aux contacts électriques gauche et droit. Les valeurs de tension indiquent la tension appliquée à chaque contact, tandis que les valeurs de courant indiquent le courant qui traverse chaque contact. La valeur entre les crochets d’erreur indique la qualité de la convergence de la simulation. Un exposant d’erreur compris entre environ -6 et -11 indique une bonne convergence, tandis que des valeurs comprises entre -2 et 1 suggèrent une mauvaise convergence. Enfin, le temps en millisecondes (ms) indique la durée nécessaire pour effectuer une itération de Newton particulière.💡 Astuce : Bien que la sortie du terminal puisse sembler complexe, elle est en réalité assez facile à interpréter. « Gauche » et « Droite » font référence aux contacts électriques gauche et droit. Les valeurs de tension indiquent la tension appliquée à chaque contact, tandis que les valeurs de courant indiquent le courant qui traverse chaque contact. La valeur entre les crochets d’erreur indique la qualité de la convergence de la simulation. Un exposant d’erreur compris entre environ -6 et -11 indique une bonne convergence, tandis que des valeurs comprises entre -2 et 1 suggèrent une mauvaise convergence. Enfin, le temps en millisecondes (ms) indique la durée nécessaire pour effectuer une itération de Newton particulière.
Une fois le calcul terminé, ouvrez l’onglet « Résultats », illustré dans l’image ??. Il contient les fichiers générés par la simulation, notamment la courbe caractéristique courant-tension calculée, la distribution interne des porteurs de charge et les informations relatives à la simulation.Une fois le calcul terminé, ouvrez l’onglet « Résultats », illustré dans l’image ??. Il contient les fichiers générés par la simulation, notamment la courbe caractéristique courant-tension calculée, la distribution interne des porteurs de charge et les informations relatives à la simulation.
Double-cliquez sur jv.csv pour afficher la courbe caractéristique tension-courant calculée (??). Les deux sous-cellules sont connectées électriquement en série, de sorte qu’elles conduisent le même courant, tandis que leurs tensions photovoltaïques contribuent à la tension totale aux bornes.Double-cliquez sur jv.csv pour afficher la courbe caractéristique tension-courant calculée (??). Les deux sous-cellules sont connectées électriquement en série, de sorte qu’elles conduisent le même courant, tandis que leurs tensions photovoltaïques contribuent à la tension totale aux bornes.
Faites un double-clic sur sim_info.dat pour ouvrir les informations sur la simulation (??). Ce fichier contient des informations sur les performances calculées de l’appareil et les paramètres de la simulation.Faites un double-clic sur sim_info.dat pour ouvrir les informations sur la simulation (??). Ce fichier contient des informations sur les performances calculées de l’appareil et les paramètres de la simulation.
jv.csv.Courbe caractéristique tension-courant calculée, obtenue en double-cliquant sur jv.csv.
sim_info.dat.Informations sur la simulation et paramètres de performance, tirés de sim_info.dat.4. Paramètres électriques et recombinaison en volume.4. Paramètres électriques et recombinaison en volume.
Les propriétés électriques des deux matériaux organiques absorbants peuvent être vérifiées en cliquant sur le bouton « Paramètres électriques » dans la fenêtre principale d’OghmaNano. Cela ouvre l’éditeur de paramètres électriques, où il est possible de configurer les largeurs de bande des matériaux, les affinités électroniques, les mobilités des porteurs de charge, les densités d’états et les mécanismes de recombinaison. Les fenêtres de paramètres pour PCDTBT:PC70BM et PM6:Y6 sont présentées respectivement dans ?? et ??.Les propriétés électriques des deux matériaux organiques absorbants peuvent être vérifiées en cliquant sur le bouton « Paramètres électriques » dans la fenêtre principale d’OghmaNano. Cela ouvre l’éditeur de paramètres électriques, où il est possible de configurer les largeurs de bande des matériaux, les affinités électroniques, les mobilités des porteurs de charge, les densités d’états et les mécanismes de recombinaison. Les fenêtres de paramètres pour PCDTBT:PC70BM et PM6:Y6 sont présentées respectivement dans ?? et ??.
L’exemple utilise des paramètres électriques représentatifs et pertinents pour les deux matériaux organiques absorbants à hétérojonction volumique. Les mobilités et les densités d’états sont choisies de manière à obtenir un comportement de transport de charge physiquement plausible, tandis que les largeurs de bande et les affinités électroniques permettent d’illustrer l’alignement énergétique entre les sous-cellules. Ces paramètres décrivent un modèle de dérive-diffusion efficace plutôt que la structure électronique microscopique complète des matériaux donneurs et accepteurs individuels.L’exemple utilise des paramètres électriques représentatifs et pertinents pour les deux matériaux organiques absorbants à hétérojonction volumique. Les mobilités et les densités d’états sont choisies de manière à obtenir un comportement de transport de charge physiquement plausible, tandis que les largeurs de bande et les affinités électroniques permettent d’illustrer l’alignement énergétique entre les sous-cellules. Ces paramètres décrivent un modèle de dérive-diffusion efficace plutôt que la structure électronique microscopique complète des matériaux donneurs et accepteurs individuels.
| ParamètreParamètre | PCDTBT:PC70BMPCDTBT:PC70BM | PM6 : Y6PM6 : Y6 |
|---|---|---|
| Distance électrique efficace, EgDistance électrique efficace, Eg | 1,60 eV1,60 eV | 1,35 eV1,35 eV |
| Affinité électronique, χAffinité électronique, χ | 1,60 eV1,60 eV | 1,65 eV1,65 eV |
| Mobilité des électrons, μnMobilité des électrons, μn | 1 × 10⁻⁷ m⁻² V⁻¹ s⁻¹1 × 10⁻⁷ m⁻² V⁻¹ s⁻¹ | 2 × 10⁻⁸ m²/V/s2 × 10⁻⁸ m²/V/s |
| Mobilité des trous, μpMobilité des trous, μp | 3 × 10⁻⁹ m²/V/s3 × 10⁻⁹ m²/V/s | 1 × 10⁻⁸ m⁻² V⁻¹ s⁻¹1 × 10⁻⁸ m⁻² V⁻¹ s⁻¹ |
| Densités d’états effectives, Nc et Nv.Densités d’états effectives, Nc et Nv. | 5 × 1025 m⁻³5 × 1025 m⁻³ | 5 × 1025 m⁻³5 × 1025 m⁻³ |
| Recombinaison massiveRecombinaison massive | Équilibre en matière de santé sexuelle et reproductiveÉquilibre en matière de santé sexuelle et reproductive | Équilibre en matière de santé sexuelle et reproductiveÉquilibre en matière de santé sexuelle et reproductive |
La capture de charges et la recombinaison assistée par des pièges sont particulièrement importantes dans les semi-conducteurs organiques désordonnés, où le désordre structurel, les défauts énergétiques et les états électroniques localisés peuvent fortement influencer le transport et la recombinaison des porteurs de charge. Pour cette raison, l’exemple utilise la recombinaison de Shockley–Read–Hall (SRH) plutôt qu’un simple modèle de recombinaison bimoléculaire. La recombinaison SRH fournit une description efficace et pratique de la recombinaison médiée par des états de piège localisés, bien que d’autres mécanismes de recombinaison puissent également être importants dans les dispositifs photovoltaïques organiques réels.La capture de charges et la recombinaison assistée par des pièges sont particulièrement importantes dans les semi-conducteurs organiques désordonnés, où le désordre structurel, les défauts énergétiques et les états électroniques localisés peuvent fortement influencer le transport et la recombinaison des porteurs de charge. Pour cette raison, l’exemple utilise la recombinaison de Shockley–Read–Hall (SRH) plutôt qu’un simple modèle de recombinaison bimoléculaire. La recombinaison SRH fournit une description efficace et pratique de la recombinaison médiée par des états de piège localisés, bien que d’autres mécanismes de recombinaison puissent également être importants dans les dispositifs photovoltaïques organiques réels.
Les deux absorbeurs utilisent le modèle SRH à l’équilibre, avec une densité de pièges efficace de 5 × 1022 m−3 et des sections efficaces de capture des électrons et des trous de 10−19 m². Dans l’approximation conventionnelle à un seul niveau, le taux de recombinaison s’écrit comme suit :Les deux absorbeurs utilisent le modèle SRH à l’équilibre, avec une densité de pièges efficace de 5 × 1022 m−3 et des sections efficaces de capture des électrons et des trous de 10−19 m². Dans l’approximation conventionnelle à un seul niveau, le taux de recombinaison s’écrit comme suit :
\[ R_{\mathrm{SRH}} = \frac{np-n^{eq}p^{eq}} {\tau_p(n+n_1)+\tau_n(p+p_1)}. \]Ici, \(n\) et \(p\) représentent les densités de porteurs libres (électrons et trous), \(n^{eq}\) et \(p^{eq}\) leurs valeurs d’équilibre, \(\tau_n\) et \(\tau_p\) les durées de vie de capture des électrons et des trous, et \(n_1\) et \(p_1\) décrivent les concentrations de porteurs associées à l’énergie du piège. Le taux de recombinaison dépend des populations de porteurs disponibles et devient nul à l’équilibre thermique. Ce processus de recombinaison dans le volume est distinct du mécanisme de recombinaison interfaciale utilisé pour relier les deux sous-cellules photovoltaïques.Ici, \(n\) et \(p\) représentent les densités de porteurs libres (électrons et trous), \(n^{eq}\) et \(p^{eq}\) leurs valeurs d’équilibre, \(\tau_n\) et \(\tau_p\) les durées de vie de capture des électrons et des trous, et \(n_1\) et \(p_1\) décrivent les concentrations de porteurs associées à l’énergie du piège. Le taux de recombinaison dépend des populations de porteurs disponibles et devient nul à l’équilibre thermique. Ce processus de recombinaison dans le volume est distinct du mécanisme de recombinaison interfaciale utilisé pour relier les deux sous-cellules photovoltaïques.
5. La couche de recombinaison.5. La couche de recombinaison.
Dans une cellule solaire tandem réelle, les deux jonctions photovoltaïques sont reliées par une couche d’interconnexion ou de recombinaison. Cette région permet aux électrons provenant d’une sous-cellule de se recombiner avec les trous provenant de l’autre, assurant ainsi une connexion électrique entre les deux jonctions. En pratique, l’interconnexion peut être constituée de plusieurs couches minces, sélectives pour les électrons et les trous, ainsi que d’un matériau favorisant la recombinaison, tel qu’un métal fin ou un oxyde conducteur.Dans une cellule solaire tandem réelle, les deux jonctions photovoltaïques sont reliées par une couche d’interconnexion ou de recombinaison. Cette région permet aux électrons provenant d’une sous-cellule de se recombiner avec les trous provenant de l’autre, assurant ainsi une connexion électrique entre les deux jonctions. En pratique, l’interconnexion peut être constituée de plusieurs couches minces, sélectives pour les électrons et les trous, ainsi que d’un matériau favorisant la recombinaison, tel qu’un métal fin ou un oxyde conducteur.
Une façon de modéliser cette région consiste à insérer une couche explicite de semi-conducteur mince, dotée d’un coefficient de recombinaison bimoléculaire très élevé. Bien que cette approche puisse reproduire le comportement de recombinaison souhaité, la combinaison de couches extrêmement minces avec des taux de recombinaison très élevés peut rendre les équations numériques instables et difficiles à résoudre. Une approche plus efficace, en particulier lorsque la structure interne de l’interconnexion n’est pas pertinente, consiste à la remplacer par une interface de recombinaison infiniment mince. C’est l’approche utilisée dans la simulation en tandem présentée ici.Une façon de modéliser cette région consiste à insérer une couche explicite de semi-conducteur mince, dotée d’un coefficient de recombinaison bimoléculaire très élevé. Bien que cette approche puisse reproduire le comportement de recombinaison souhaité, la combinaison de couches extrêmement minces avec des taux de recombinaison très élevés peut rendre les équations numériques instables et difficiles à résoudre. Une approche plus efficace, en particulier lorsque la structure interne de l’interconnexion n’est pas pertinente, consiste à la remplacer par une interface de recombinaison infiniment mince. C’est l’approche utilisée dans la simulation en tandem présentée ici.
L’interface est configurée à l’aide de Éditeur d’interfacecomme illustré dans ??Pour en savoir plus sur les équations fondamentales qui régissent le transport, veuillez consulter le document suivant. théorie des interfaces des semi-conducteursSélectionnez PCDTBT : PC70BM/PM6 : Y6 interface permettant d’examiner les paramètres de recombinaison et de transport. L’interface est configurée à l’aide de Éditeur d’interfacecomme illustré dans ??Pour en savoir plus sur les équations fondamentales qui régissent le transport, veuillez consulter le document suivant. théorie des interfaces des semi-conducteursSélectionnez PCDTBT : PC70BM/PM6 : Y6 interface permettant d’examiner les paramètres de recombinaison et de transport.
Dans ce modèle, la mobilité des électrons et des trous à l’interface est fixée à zéro. Cela désactive le transport conventionnel des électrons et des trous par dérive et diffusion à travers la frontière, ce qui revient à supprimer les termes de transport classiques reliant les points de maillage voisins. Au lieu de cela, les deux sous-cellules sont couplées électriquement par un mécanisme de recombinaison interfaciale, qui permet à un électron d’un côté de l’interface de se recombiner directement avec un trou de l’autre côté.Dans ce modèle, la mobilité des électrons et des trous à l’interface est fixée à zéro. Cela désactive le transport conventionnel des électrons et des trous par dérive et diffusion à travers la frontière, ce qui revient à supprimer les termes de transport classiques reliant les points de maillage voisins. Au lieu de cela, les deux sous-cellules sont couplées électriquement par un mécanisme de recombinaison interfaciale, qui permet à un électron d’un côté de l’interface de se recombiner directement avec un trou de l’autre côté.
Le mécanisme de recombinaison élimine un électron d’un côté de l’interface et une lacune de l’autre. Les deux associations possibles de porteurs sont décrites par :Le mécanisme de recombinaison élimine un électron d’un côté de l’interface et une lacune de l’autre. Les deux associations possibles de porteurs sont décrites par :
\[ R_{l2r}=K_{l2r}\left(n_Lp_R-n_L^{eq}p_R^{eq}\right), \] \[ R_{r2l}=K_{r2l}\left(n_Rp_L-n_R^{eq}p_L^{eq}\right). \]Ici, \(L\) et \(R\) désignent les points du maillage situés immédiatement à gauche et à droite de l’interface, tandis que l’indice \(eq\) indique les concentrations d’équilibre des porteurs de charge. Les coefficients \(K_{l2r}\) et \(K_{r2l}\) sont exprimés en m4 s−1, ce qui donne les taux de recombinaison par unité de surface en m−2 s−1. Le courant de recombinaison correspondant est \(J_{\mathrm{rec}}=qR\). En soustrayant le produit des porteurs de charge à l’équilibre, on s’assure que le taux de recombinaison net est nul à l’équilibre thermique.Ici, \(L\) et \(R\) désignent les points du maillage situés immédiatement à gauche et à droite de l’interface, tandis que l’indice \(eq\) indique les concentrations d’équilibre des porteurs de charge. Les coefficients \(K_{l2r}\) et \(K_{r2l}\) sont exprimés en m4 s−1, ce qui donne les taux de recombinaison par unité de surface en m−2 s−1. Le courant de recombinaison correspondant est \(J_{\mathrm{rec}}=qR\). En soustrayant le produit des porteurs de charge à l’équilibre, on s’assure que le taux de recombinaison net est nul à l’équilibre thermique.
Dans cet exemple, la voie de recombinaison prédominante se produit entre les électrons présents dans le PM6:Y6, à droite, et les trous présents dans le PCDTBT:PC70BM, à gauche. Les coefficients sont \(K_{r2l}=10^{-7}\,\mathrm{m^4\,s^{-1}}\) et \(K_{l2r}=10^{-29}\,\mathrm{m^4\,s^{-1}}\). La grande différence entre ces valeurs rend la recombinaison fortement directionnelle, ce qui est nécessaire compte tenu de la disposition des deux jonctions photovoltaïques.Dans cet exemple, la voie de recombinaison prédominante se produit entre les électrons présents dans le PM6:Y6, à droite, et les trous présents dans le PCDTBT:PC70BM, à gauche. Les coefficients sont \(K_{r2l}=10^{-7}\,\mathrm{m^4\,s^{-1}}\) et \(K_{l2r}=10^{-29}\,\mathrm{m^4\,s^{-1}}\). La grande différence entre ces valeurs rend la recombinaison fortement directionnelle, ce qui est nécessaire compte tenu de la disposition des deux jonctions photovoltaïques.
L’objectif de l’interface de recombinaison est de fournir une connexion électrique entre les sous-cellules tout en permettant l’addition de leurs phototensions individuelles. Une interconnexion efficace rapproche les niveaux quasi-Fermi des électrons et des trous au centre du dispositif, ce qui minimise la perte de tension au niveau de la jonction de recombinaison.L’objectif de l’interface de recombinaison est de fournir une connexion électrique entre les sous-cellules tout en permettant l’addition de leurs phototensions individuelles. Une interconnexion efficace rapproche les niveaux quasi-Fermi des électrons et des trous au centre du dispositif, ce qui minimise la perte de tension au niveau de la jonction de recombinaison.
Selon la statistique de Boltzmann, la densité d’électrons à droite et la densité de trous à gauche sont liées à leur écart par rapport au niveau quasi-Fermi par :Selon la statistique de Boltzmann, la densité d’électrons à droite et la densité de trous à gauche sont liées à leur écart par rapport au niveau quasi-Fermi par :
\[ n_Rp_L=n_R^{eq}p_L^{eq} \exp\left(\frac{E_{Fn,R}-E_{Fp,L}}{k_BT}\right). \]On peut donc écrire l’expression du courant de recombinaison comme suit :On peut donc écrire l’expression du courant de recombinaison comme suit :
\[ J_{\mathrm{rec}}= qK_{r2l}n_R^{eq}p_L^{eq} \left[ \exp\left(\frac{E_{Fn,R}-E_{Fp,L}}{k_BT}\right)-1 \right]. \]À mesure que le coefficient de recombinaison augmente, une distance plus faible entre \(E_{Fn,R}\) et \(E_{Fp,L}\) est nécessaire pour maintenir le même courant. Dans le régime de recombinaison élevée, ces deux quasi-niveaux de Fermi se rapprochent, créant ainsi un contact de recombinaison efficace entre les sous-cellules. Cela permet à la phototension générée par chaque absorbeur de contribuer à la tension globale de la cellule tandem, tout en réduisant la perte de tension associée à l’interconnexion.À mesure que le coefficient de recombinaison augmente, une distance plus faible entre \(E_{Fn,R}\) et \(E_{Fp,L}\) est nécessaire pour maintenir le même courant. Dans le régime de recombinaison élevée, ces deux quasi-niveaux de Fermi se rapprochent, créant ainsi un contact de recombinaison efficace entre les sous-cellules. Cela permet à la phototension générée par chaque absorbeur de contribuer à la tension globale de la cellule tandem, tout en réduisant la perte de tension associée à l’interconnexion.
Pour deux sous-cellules connectées électriquement en série, la densité de courant est la même pour les deux sous-cellules ; il ne s’agit pas de la somme de leurs photor courants individuels. Une courbe J-V photovoltaïque est généralement caractérisée par sa densité de courant de court-circuit, sa tension en circuit ouvert et son point de puissance maximale, à condition que la plage de polarisation simulée inclue ces points de fonctionnement.Pour deux sous-cellules connectées électriquement en série, la densité de courant est la même pour les deux sous-cellules ; il ne s’agit pas de la somme de leurs photor courants individuels. Une courbe J-V photovoltaïque est généralement caractérisée par sa densité de courant de court-circuit, sa tension en circuit ouvert et son point de puissance maximale, à condition que la plage de polarisation simulée inclue ces points de fonctionnement.
\[FF=\frac{|J_{mpp}V_{mpp}|}{|J_{SC}|V_{OC}},\qquad \eta=\frac{|J_{mpp}V_{mpp}|}{P_{in}}.\]Interprétez la forme et le signe de la courbe J-V affichée en vous basant sur les conventions de simulation en vigueur. L’exemple présenté illustre la réponse électrique couplée ; il ne doit pas être considéré comme une valeur d’efficacité calibrée expérimentalement. Vérifiez le fichier CSV sous-jacent avant de communiquer les données de performance numériques.Interprétez la forme et le signe de la courbe J-V affichée en vous basant sur les conventions de simulation en vigueur. L’exemple présenté illustre la réponse électrique couplée ; il ne doit pas être considéré comme une valeur d’efficacité calibrée expérimentalement. Vérifiez le fichier CSV sous-jacent avant de communiquer les données de performance numériques.
💡 Astuce : dans cet exemple, les mobilités des électrons et des trous à l’interface sont fixées à zéro. Cela désactive le transport conventionnel par dérive et diffusion à travers l’interface, et le remplace par un mécanisme de recombinaison inter-interfaces qui assure un couplage électrique entre les deux sous-cellules. Les deux mécanismes peuvent également être utilisés ensemble en attribuant des valeurs non nulles aux mobilités à l’interface, bien que cela puisse améliorer ou détériorer la stabilité numérique en fonction de la configuration du dispositif.💡 Astuce : dans cet exemple, les mobilités des électrons et des trous à l’interface sont fixées à zéro. Cela désactive le transport conventionnel par dérive et diffusion à travers l’interface, et le remplace par un mécanisme de recombinaison inter-interfaces qui assure un couplage électrique entre les deux sous-cellules. Les deux mécanismes peuvent également être utilisés ensemble en attribuant des valeurs non nulles aux mobilités à l’interface, bien que cela puisse améliorer ou détériorer la stabilité numérique en fonction de la configuration du dispositif.
Le coefficient de recombinaison entre les électrons de la sous-cellule droite et les trous de la sous-cellule gauche contrôle le couplage électrique principal entre les deux sous-cellules, permettant aux électrons de la sous-cellule droite de se recombiner avec les trous de la sous-cellule gauche. L’augmentation de ce coefficient renforce généralement le couplage. Cependant, le taux de recombinaison dépend du produit des concentrations d’électrons et de trous, multiplié par le coefficient de recombinaison. Par conséquent, des valeurs excessivement élevées, comme 1e-3 dans cet exemple, peuvent introduire des termes très importants dans la matrice jacobienne de Newton et entraîner une instabilité numérique.Le coefficient de recombinaison entre les électrons de la sous-cellule droite et les trous de la sous-cellule gauche contrôle le couplage électrique principal entre les deux sous-cellules, permettant aux électrons de la sous-cellule droite de se recombiner avec les trous de la sous-cellule gauche. L’augmentation de ce coefficient renforce généralement le couplage. Cependant, le taux de recombinaison dépend du produit des concentrations d’électrons et de trous, multiplié par le coefficient de recombinaison. Par conséquent, des valeurs excessivement élevées, comme 1e-3 dans cet exemple, peuvent introduire des termes très importants dans la matrice jacobienne de Newton et entraîner une instabilité numérique.
Lors du réglage des paramètres de l’interface, vérifiez que les courants aux bornes gauche et droite correspondent dans les résultats de la simulation. Dans une simulation à l’état stationnaire convergente, le courant total doit être identique aux deux contacts. Une différence significative indique un problème de convergence ou de conservation du courant.Lors du réglage des paramètres de l’interface, vérifiez que les courants aux bornes gauche et droite correspondent dans les résultats de la simulation. Dans une simulation à l’état stationnaire convergente, le courant total doit être identique aux deux contacts. Une différence significative indique un problème de convergence ou de conservation du courant.
Le coefficient de recombinaison entre les électrons du côté gauche et les trous du côté droit contrôle le processus de recombinaison inverse, permettant aux électrons de la sous-cellule gauche de se recombiner avec les trous de la sous-cellule droite. Dans ce dispositif, il agit principalement comme un mécanisme de perte de recombinaison supplémentaire. Son augmentation peut réduire considérablement la tension en circuit ouvert (VOC) et diminuer l’avantage en termes de tension de la structure en tandem. Inversement, la réduction de ce coefficient supprime la recombinaison indésirable et peut augmenter la VOC.Le coefficient de recombinaison entre les électrons du côté gauche et les trous du côté droit contrôle le processus de recombinaison inverse, permettant aux électrons de la sous-cellule gauche de se recombiner avec les trous de la sous-cellule droite. Dans ce dispositif, il agit principalement comme un mécanisme de perte de recombinaison supplémentaire. Son augmentation peut réduire considérablement la tension en circuit ouvert (VOC) et diminuer l’avantage en termes de tension de la structure en tandem. Inversement, la réduction de ce coefficient supprime la recombinaison indésirable et peut augmenter la VOC.
6. Structure de bande et niveaux quasi-Fermi.6. Structure de bande et niveaux quasi-Fermi.
Pour étudier le fonctionnement électrique des deux sous-cellules, ouvrez le
instantanés dossier dans l’onglet « Sortie ». Cela lance
Visionneuse d’images, ce qui permet d’examiner les propriétés électriques internes de l’appareil à différentes tensions appliquées.
Cliquez sur + cliquez sur le bouton et ajoutez les fichiers.
Ec.csv, Ev.csv, Fn.csv et
Fp.csv pour afficher respectivement le bord de la bande de conduction, le bord de la bande de valence, le niveau quasi-Fermi des électrons et le niveau quasi-Fermi des trous. Pour obtenir des instructions supplémentaires, consultez le document suivant.
Documentation de l’outil de visualisation d’images..
Pour étudier le fonctionnement électrique des deux sous-cellules, ouvrez le
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La barre de défilement située en bas de la fenêtre nous permet de parcourir la plage de tensions. Les quatre exemples présentés dans ?? à ?? illustrent l’évolution de la structure de bande lorsque la tension appliquée augmente de 0 V à 2 V. Les images intermédiaires correspondent approximativement à 0,67 V et 1,33 V, la dernière valeur étant proche de la tension en circuit ouvert de la cellule tandem.La barre de défilement située en bas de la fenêtre nous permet de parcourir la plage de tensions. Les quatre exemples présentés dans ?? à ?? illustrent l’évolution de la structure de bande lorsque la tension appliquée augmente de 0 V à 2 V. Les images intermédiaires correspondent approximativement à 0,67 V et 1,33 V, la dernière valeur étant proche de la tension en circuit ouvert de la cellule tandem.
Les courbes bleue et rouge représentent les limites de mobilité de conduction et de valence, tandis que les courbes verte et cyan représentent les niveaux quasi-Fermi des électrons et des trous. Sous l’effet de l’éclairage, la séparation entre les niveaux quasi-Fermi des électrons et des trous reflète les populations locales de porteurs hors équilibre et est étroitement liée à la phototension générée par chaque sous-cellule.Les courbes bleue et rouge représentent les limites de mobilité de conduction et de valence, tandis que les courbes verte et cyan représentent les niveaux quasi-Fermi des électrons et des trous. Sous l’effet de l’éclairage, la séparation entre les niveaux quasi-Fermi des électrons et des trous reflète les populations locales de porteurs hors équilibre et est étroitement liée à la phototension générée par chaque sous-cellule.
Dans une cellule solaire en tandem, les deux jonctions photovoltaïques sont connectées en série. Par conséquent, les contributions de tension des deux sous-cellules s’additionnent. On peut observer ce phénomène de manière particulièrement claire dans ??, qui correspond à une condition de circuit ouvert. La séparation du niveau quasi-Fermi à l’intérieur de chaque matériau absorbant contribue à la tension totale aux bornes, ce qui permet à la cellule en tandem de produire une tension de circuit ouvert d’environ 1,37 V, ce qui est considérablement plus élevé que ce que l’on pourrait normalement attendre d’une seule jonction organique.Dans une cellule solaire en tandem, les deux jonctions photovoltaïques sont connectées en série. Par conséquent, les contributions de tension des deux sous-cellules s’additionnent. On peut observer ce phénomène de manière particulièrement claire dans ??, qui correspond à une condition de circuit ouvert. La séparation du niveau quasi-Fermi à l’intérieur de chaque matériau absorbant contribue à la tension totale aux bornes, ce qui permet à la cellule en tandem de produire une tension de circuit ouvert d’environ 1,37 V, ce qui est considérablement plus élevé que ce que l’on pourrait normalement attendre d’une seule jonction organique.
Une autre caractéristique importante est le changement marqué des niveaux quasi-Fermi à environ 100 nm, ce qui correspond à la limite entre le PCDTBT:PC70BM et le PM6:Y6. C’est à cet endroit que le modèle de recombinaison interfaciale relie les deux sous-cellules. Le coefficient de recombinaison élevé permet aux électrons situés à droite de se recombiner efficacement avec les trous situés à gauche, ce qui tend à rapprocher leurs niveaux quasi-Fermi respectifs et à les amener vers la même énergie.Une autre caractéristique importante est le changement marqué des niveaux quasi-Fermi à environ 100 nm, ce qui correspond à la limite entre le PCDTBT:PC70BM et le PM6:Y6. C’est à cet endroit que le modèle de recombinaison interfaciale relie les deux sous-cellules. Le coefficient de recombinaison élevé permet aux électrons situés à droite de se recombiner efficacement avec les trous situés à gauche, ce qui tend à rapprocher leurs niveaux quasi-Fermi respectifs et à les amener vers la même énergie.
Ce comportement est particulièrement important pour le fonctionnement en tandem. Un processus de recombinaison efficace permet à l’interface de conduire le courant avec une faible séparation entre les niveaux quasi-Fermi pertinents, ce qui minimise la perte de tension au niveau de l’interconnexion. Les profils des niveaux quasi-Fermi sont également contraints par les courants porteurs locaux et les propriétés de transport au sein de chaque absorbeur. Par conséquent, les deux sous-cellules restent connectées électriquement tout en conservant leur séparation individuelle des niveaux quasi-Fermi et leur contribution à la tension globale du tandem.Ce comportement est particulièrement important pour le fonctionnement en tandem. Un processus de recombinaison efficace permet à l’interface de conduire le courant avec une faible séparation entre les niveaux quasi-Fermi pertinents, ce qui minimise la perte de tension au niveau de l’interconnexion. Les profils des niveaux quasi-Fermi sont également contraints par les courants porteurs locaux et les propriétés de transport au sein de chaque absorbeur. Par conséquent, les deux sous-cellules restent connectées électriquement tout en conservant leur séparation individuelle des niveaux quasi-Fermi et leur contribution à la tension globale du tandem.
7. Profils des courants d’électrons et de trous.7. Profils des courants d’électrons et de trous.
Les densités de courant des électrons et des trous offrent un autre moyen utile de comprendre comment les deux sous-cellules organiques sont connectées. Ouvrez le
instantanés dossier de l’onglet « Sortie » et utilisez
+ bouton pour ajouter Jn.csv et
Jp.csv dans l’outil « Visualiseur d’instantanés ». Ces fichiers contiennent les densités de courant des électrons et des trous, respectivement. Le curseur peut ensuite être utilisé pour examiner comment les courants évoluent lorsque la tension appliquée augmente. Vous trouverez de plus amples informations sur l’utilisation de cet outil dans le document suivant. Documentation de l’outil de visualisation d’images..
Les densités de courant des électrons et des trous offrent un autre moyen utile de comprendre comment les deux sous-cellules organiques sont connectées. Ouvrez le
instantanés dossier de l’onglet « Sortie » et utilisez
+ bouton pour ajouter Jn.csv et
Jp.csv dans l’outil « Visualiseur d’instantanés ». Ces fichiers contiennent les densités de courant des électrons et des trous, respectivement. Le curseur peut ensuite être utilisé pour examiner comment les courants évoluent lorsque la tension appliquée augmente. Vous trouverez de plus amples informations sur l’utilisation de cet outil dans le document suivant. Documentation de l’outil de visualisation d’images..
Les quatre captures d’écran présentées dans ?? à ?? illustrent les distributions actuelles pour des tensions d’environ 0 V, 0,67 V, 1,33 V et 1,99 V. La courbe bleue représente la densité de courant électronique, tandis que la courbe rouge représente la densité de courant des trous.Les quatre captures d’écran présentées dans ?? à ?? illustrent les distributions actuelles pour des tensions d’environ 0 V, 0,67 V, 1,33 V et 1,99 V. La courbe bleue représente la densité de courant électronique, tandis que la courbe rouge représente la densité de courant des trous.
À basse tension appliquée, le courant est principalement assuré par les électrons dans le PCDTBT:PC70BM, situé à gauche, et par les trous dans le PM6:Y6, situé à droite. À environ 80 nm, la limite entre les deux matériaux absorbants est marquée par une forte diminution du courant d’électrons et une augmentation du courant de trous. Il s’agit du comportement caractéristique de la jonction de recombinaison présentée dans la section précédente.À basse tension appliquée, le courant est principalement assuré par les électrons dans le PCDTBT:PC70BM, situé à gauche, et par les trous dans le PM6:Y6, situé à droite. À environ 80 nm, la limite entre les deux matériaux absorbants est marquée par une forte diminution du courant d’électrons et une augmentation du courant de trous. Il s’agit du comportement caractéristique de la jonction de recombinaison présentée dans la section précédente.
Le mécanisme de recombinaison interfaciale retire un électron d’un côté de l’interface et une lacune de l’autre. Bien que les courants d’électrons et de lacunes individuels puissent varier brusquement à cette limite, leur somme reste approximativement constante :Le mécanisme de recombinaison interfaciale retire un électron d’un côté de l’interface et une lacune de l’autre. Bien que les courants d’électrons et de lacunes individuels puissent varier brusquement à cette limite, leur somme reste approximativement constante :
\[ J_{\mathrm{total}}=J_n+J_p. \]Il s’agit d’un résultat important. À l’état stationnaire, le courant électrique total doit être maintenu constant dans l’ensemble du dispositif en tandem, même si les contributions relatives des électrons et des trous varient entre les deux sous-cellules. L’interface de recombinaison assure la connexion électrique sans nécessiter que les porteurs de charge se déplacent ou se diffusent directement à travers la frontière.Il s’agit d’un résultat important. À l’état stationnaire, le courant électrique total doit être maintenu constant dans l’ensemble du dispositif en tandem, même si les contributions relatives des électrons et des trous varient entre les deux sous-cellules. L’interface de recombinaison assure la connexion électrique sans nécessiter que les porteurs de charge se déplacent ou se diffusent directement à travers la frontière.
Près de la tension en circuit ouvert, qui est d’environ 1,37 V, le courant externe tend vers zéro. Cependant, la photogénération et la recombinaison se poursuivent à l’intérieur du dispositif, de sorte que les courants locaux d’électrons et de trous n’ont pas besoin de disparaître individuellement. Cela explique pourquoi la troisième image montre des variations marquées dans les différentes composantes du courant près de l’interface de recombinaison, même si le courant total aux bornes est faible.Près de la tension en circuit ouvert, qui est d’environ 1,37 V, le courant externe tend vers zéro. Cependant, la photogénération et la recombinaison se poursuivent à l’intérieur du dispositif, de sorte que les courants locaux d’électrons et de trous n’ont pas besoin de disparaître individuellement. Cela explique pourquoi la troisième image montre des variations marquées dans les différentes composantes du courant près de l’interface de recombinaison, même si le courant total aux bornes est faible.
À 1,99 V, la cellule tandem est fortement polarisée en direct et le sens du courant s’est inversé. L’amplitude du courant est maintenant considérablement plus importante, atteignant environ 28 A m−2. Néanmoins, le même mécanisme interfacial continue de fonctionner : le courant dominant oscille entre le transport des électrons et celui des trous au centre de la cellule, tandis que le courant total reste continu dans toute la cellule tandem.À 1,99 V, la cellule tandem est fortement polarisée en direct et le sens du courant s’est inversé. L’amplitude du courant est maintenant considérablement plus importante, atteignant environ 28 A m−2. Néanmoins, le même mécanisme interfacial continue de fonctionner : le courant dominant oscille entre le transport des électrons et celui des trous au centre de la cellule, tandis que le courant total reste continu dans toute la cellule tandem.
Les pics étroits que l’on observe dans les différentes composantes du courant, aux alentours de 80 nm, apparaissent dans la région où la condition limite de recombinaison fortement localisée est appliquée. Leur forme précise peut dépendre de la discrétisation spatiale et de la représentation numérique de l’interface. L’observation physique la plus importante est que les deux sous-cellules restent électriquement connectées, avec un courant total constant malgré la redistribution brutale entre les courants d’électrons et de trous.Les pics étroits que l’on observe dans les différentes composantes du courant, aux alentours de 80 nm, apparaissent dans la région où la condition limite de recombinaison fortement localisée est appliquée. Leur forme précise peut dépendre de la discrétisation spatiale et de la représentation numérique de l’interface. L’observation physique la plus importante est que les deux sous-cellules restent électriquement connectées, avec un courant total constant malgré la redistribution brutale entre les courants d’électrons et de trous.
8. Génération optique et analyse par la méthode de la matrice de transfert.8. Génération optique et analyse par la méthode de la matrice de transfert.
Les propriétés optiques des deux matériaux organiques absorbants sont importantes, car chaque sous-cellule est conçue pour absorber une partie différente du spectre solaire incident. Dans cet exemple, les matériaux PCDTBT:PC70BM et PM6:Y6 présentent des spectres d’absorption différents, ce qui permet à la structure en tandem d’utiliser une gamme de longueurs d’onde plus large que ce que chaque matériau pourrait absorber individuellement.Les propriétés optiques des deux matériaux organiques absorbants sont importantes, car chaque sous-cellule est conçue pour absorber une partie différente du spectre solaire incident. Dans cet exemple, les matériaux PCDTBT:PC70BM et PM6:Y6 présentent des spectres d’absorption différents, ce qui permet à la structure en tandem d’utiliser une gamme de longueurs d’onde plus large que ce que chaque matériau pourrait absorber individuellement.
Pour examiner le comportement optique, sélectionnez l’onglet « Optique » dans la fenêtre principale d’OghmaNano, comme illustré dans ??, puis cliquez sur « Matrice de transfert ». Cela ouvre l’éditeur de simulation optique. Cliquez sur le bouton bleu « Lecture » pour lancer le calcul optique. Les résultats peuvent être consultés à l’aide des onglets situés en haut de la fenêtre de simulation optique, comme illustré dans ?? à ??.Pour examiner le comportement optique, sélectionnez l’onglet « Optique » dans la fenêtre principale d’OghmaNano, comme illustré dans ??, puis cliquez sur « Matrice de transfert ». Cela ouvre l’éditeur de simulation optique. Cliquez sur le bouton bleu « Lecture » pour lancer le calcul optique. Les résultats peuvent être consultés à l’aide des onglets situés en haut de la fenêtre de simulation optique, comme illustré dans ?? à ??.
La méthode de la matrice de transfert calcule la manière dont la lumière se propage à travers le dispositif multicouche, en tenant compte des réflexions et des interférences aux interfaces des matériaux. Chaque couche est décrite par son indice de réfraction complexe, qui dépend de la longueur d’onde, \(\tilde{n}=n+ik\), où \(n\) détermine la vitesse de phase optique et \(k\) décrit l’absorption. Par conséquent, l’intensité optique dépend à la fois de la longueur d’onde et de la position à l’intérieur du dispositif.La méthode de la matrice de transfert calcule la manière dont la lumière se propage à travers le dispositif multicouche, en tenant compte des réflexions et des interférences aux interfaces des matériaux. Chaque couche est décrite par son indice de réfraction complexe, qui dépend de la longueur d’onde, \(\tilde{n}=n+ik\), où \(n\) détermine la vitesse de phase optique et \(k\) décrit l’absorption. Par conséquent, l’intensité optique dépend à la fois de la longueur d’onde et de la position à l’intérieur du dispositif.
?? illustre la densité de photons dans l’ensemble de la structure multicouche. L’axe horizontal représente la position dans le dispositif, tandis que l’axe vertical représente la longueur d’onde. Les zones claires correspondent à des densités de photons élevées, tandis que les zones sombres indiquent des densités de photons faibles. Ces variations sont dues à une combinaison d’absorption en fonction de la longueur d’onde et d’interférences optiques, ce qui peut créer des motifs d’ondes stationnaires dans la pile de couches minces.?? illustre la densité de photons dans l’ensemble de la structure multicouche. L’axe horizontal représente la position dans le dispositif, tandis que l’axe vertical représente la longueur d’onde. Les zones claires correspondent à des densités de photons élevées, tandis que les zones sombres indiquent des densités de photons faibles. Ces variations sont dues à une combinaison d’absorption en fonction de la longueur d’onde et d’interférences optiques, ce qui peut créer des motifs d’ondes stationnaires dans la pile de couches minces.
La distribution des photons absorbés est présentée dans ??. Contrairement à la densité de photons, cette quantité indique les endroits où les photons sont réellement absorbés. Les deux matériaux organiques absorbants présentent des réponses spectrales sensiblement différentes. La couche PCDTBT:PC70BM absorbe fortement une partie du spectre visible, tandis que la couche PM6:Y6 présente une absorption importante aux longueurs d’onde plus élevées, s’étendant jusqu’au proche infrarouge. Ce comportement d’absorption complémentaire est l’une des principales raisons qui motivent la combinaison de ces matériaux dans une cellule solaire en tandem.La distribution des photons absorbés est présentée dans ??. Contrairement à la densité de photons, cette quantité indique les endroits où les photons sont réellement absorbés. Les deux matériaux organiques absorbants présentent des réponses spectrales sensiblement différentes. La couche PCDTBT:PC70BM absorbe fortement une partie du spectre visible, tandis que la couche PM6:Y6 présente une absorption importante aux longueurs d’onde plus élevées, s’étendant jusqu’au proche infrarouge. Ce comportement d’absorption complémentaire est l’une des principales raisons qui motivent la combinaison de ces matériaux dans une cellule solaire en tandem.
Le profil de génération des porteurs de charge dans l’espace est présenté dans ??. La courbe bleue représente le taux de génération calculé, tandis que les niveaux d’énergie horizontaux indiquent la position des différents matériaux dans le dispositif. Les deux principales régions de génération correspondent aux matériaux absorbants PCDTBT:PC70BM et PM6:Y6. On observe que le taux de génération change brusquement à la frontière entre ces deux matériaux, ce qui reflète leurs différentes propriétés d’absorption optique.Le profil de génération des porteurs de charge dans l’espace est présenté dans ??. La courbe bleue représente le taux de génération calculé, tandis que les niveaux d’énergie horizontaux indiquent la position des différents matériaux dans le dispositif. Les deux principales régions de génération correspondent aux matériaux absorbants PCDTBT:PC70BM et PM6:Y6. On observe que le taux de génération change brusquement à la frontière entre ces deux matériaux, ce qui reflète leurs différentes propriétés d’absorption optique.
Le taux de génération de courant électrique s’obtient en intégrant l’absorption des photons en fonction de la longueur d’onde sur l’ensemble du spectre incident :Le taux de génération de courant électrique s’obtient en intégrant l’absorption des photons en fonction de la longueur d’onde sur l’ensemble du spectre incident :
\[ G(y)=\int \alpha(\lambda,y)\Phi(\lambda,y)\,d\lambda, \]où \(\alpha(\lambda,y)\) est le coefficient d’absorption et \(\Phi(\lambda,y)\) est le flux spectral local de photons, défini par unité de longueur d’onde. Le taux de génération résultant est exprimé en m−3 s−1 et représente le terme source pour les électrons et les trous générés par la lumière dans les équations de dérive-diffusion. La conversion des photons absorbés en porteurs libres dépend également de l’efficacité de génération de porteurs à partir de photons, telle qu’elle est utilisée par le modèle.où \(\alpha(\lambda,y)\) est le coefficient d’absorption et \(\Phi(\lambda,y)\) est le flux spectral local de photons, défini par unité de longueur d’onde. Le taux de génération résultant est exprimé en m−3 s−1 et représente le terme source pour les électrons et les trous générés par la lumière dans les équations de dérive-diffusion. La conversion des photons absorbés en porteurs libres dépend également de l’efficacité de génération de porteurs à partir de photons, telle qu’elle est utilisée par le modèle.
Un élément important à prendre en compte lors de la conception de cellules solaires tandem est l’adaptation des courants. Étant donné que les deux sous-cellules sont connectées électriquement en série, elles doivent conduire le même courant aux bornes. L’augmentation de l’absorption dans la sous-cellule avant peut réduire le nombre de photons atteignant la sous-cellule arrière, ce qui pourrait limiter le courant de l’ensemble du dispositif. Par conséquent, les épaisseurs optimales des matériaux absorbants dépendent des propriétés combinées de génération optique et de collecte électrique des deux sous-cellules, plutôt que de la simple maximisation de l’absorption dans l’un ou l’autre des matériaux pris isolément.Un élément important à prendre en compte lors de la conception de cellules solaires tandem est l’adaptation des courants. Étant donné que les deux sous-cellules sont connectées électriquement en série, elles doivent conduire le même courant aux bornes. L’augmentation de l’absorption dans la sous-cellule avant peut réduire le nombre de photons atteignant la sous-cellule arrière, ce qui pourrait limiter le courant de l’ensemble du dispositif. Par conséquent, les épaisseurs optimales des matériaux absorbants dépendent des propriétés combinées de génération optique et de collecte électrique des deux sous-cellules, plutôt que de la simple maximisation de l’absorption dans l’un ou l’autre des matériaux pris isolément.
Pour une explication plus détaillée de la méthode optique, veuillez consulter le document suivant. Transfert Tutoriel sur le modèle matriciel et théorie de la matrice de transfert. Pour une explication plus détaillée de la méthode optique, veuillez consulter le document suivant. Transfert Tutoriel sur le modèle matriciel et théorie de la matrice de transfert.
Le fichier siminfo.dat contient des informations sur la simulation optique, notamment le photCourant et la densité de photCourant, comme indiqué dans ??. Ces valeurs représentent le courant théorique maximal qui pourrait être généré si 100 % des porteurs de charge photo-générés étaient collectés aux contacts, sans recombinaison ni perte de transport de charge. Elles fournissent donc une limite supérieure utile pour comparer le courant de court-circuit simulé électriquement (JSC).Le fichier siminfo.dat contient des informations sur la simulation optique, notamment le photCourant et la densité de photCourant, comme indiqué dans ??. Ces valeurs représentent le courant théorique maximal qui pourrait être généré si 100 % des porteurs de charge photo-générés étaient collectés aux contacts, sans recombinaison ni perte de transport de charge. Elles fournissent donc une limite supérieure utile pour comparer le courant de court-circuit simulé électriquement (JSC).
9. Simulations Suns-Voc et Suns-Jsc.9. Simulations Suns-Voc et Suns-Jsc.
OghmaNano propose plusieurs modes de simulation pour étudier la manière dont un dispositif réagit à différentes conditions électriques et optiques. Ces modes peuvent être sélectionnés dans le ruban « Type de simulation » de la fenêtre principale, comme illustré dans ??. Il suffit de cliquer sur le mode de simulation souhaité et d’appuyer sur le bouton bleu « Lancer la simulation » ou sur la touche F9 pour effectuer le calcul.OghmaNano propose plusieurs modes de simulation pour étudier la manière dont un dispositif réagit à différentes conditions électriques et optiques. Ces modes peuvent être sélectionnés dans le ruban « Type de simulation » de la fenêtre principale, comme illustré dans ??. Il suffit de cliquer sur le mode de simulation souhaité et d’appuyer sur le bouton bleu « Lancer la simulation » ou sur la touche F9 pour effectuer le calcul.
Deux simulations particulièrement utiles pour les cellules solaires sont Suns-Voc et Suns-Jsc. Elles permettent d’étudier l’évolution de la tension en circuit ouvert et de la densité de courant en court-circuit en fonction de l’intensité de l’éclairage. Elles fournissent des informations complémentaires sur la génération, la recombinaison et la collecte des porteurs de charge à l’intérieur du dispositif.Deux simulations particulièrement utiles pour les cellules solaires sont Suns-Voc et Suns-Jsc. Elles permettent d’étudier l’évolution de la tension en circuit ouvert et de la densité de courant en court-circuit en fonction de l’intensité de l’éclairage. Elles fournissent des informations complémentaires sur la génération, la recombinaison et la collecte des porteurs de charge à l’intérieur du dispositif.
La simulation Suns-Voc calcule la tension en circuit ouvert pour différentes intensités d’éclairage. En circuit ouvert, le courant externe est nul, de sorte que la photogénération doit être équilibrée par la recombinaison à l’intérieur du dispositif. À mesure que l’intensité de l’éclairage augmente, les concentrations de porteurs augmentent généralement, ce qui entraîne une plus grande séparation entre les quasi-niveaux de Fermi des électrons et des trous, et donc une tension en circuit ouvert plus élevée.La simulation Suns-Voc calcule la tension en circuit ouvert pour différentes intensités d’éclairage. En circuit ouvert, le courant externe est nul, de sorte que la photogénération doit être équilibrée par la recombinaison à l’intérieur du dispositif. À mesure que l’intensité de l’éclairage augmente, les concentrations de porteurs augmentent généralement, ce qui entraîne une plus grande séparation entre les quasi-niveaux de Fermi des électrons et des trous, et donc une tension en circuit ouvert plus élevée.
Pour une simple diode électroluminescente, la relation entre la tension en circuit ouvert et l’intensité de l’éclairage peut être approximée par :Pour une simple diode électroluminescente, la relation entre la tension en circuit ouvert et l’intensité de l’éclairage peut être approximée par :
\[ V_{OC} = \frac{n_{\mathrm{id}}k_BT}{q} \ln\left( \frac{J_{\mathrm{ph}}}{J_0}+1 \right), \]où \(n_{\mathrm{id}}\) est le facteur d’idéalité de la diode, \(k_B\) est la constante de Boltzmann, \(T\) est la température, \(q\) est la charge élémentaire, \(J_{\mathrm{ph}}\) est la densité de courant photogénéré et \(J_0\) est la densité de courant de saturation dans l’obscurité. Étant donné que le courant photogénéré est approximativement proportionnel à l’intensité de l’éclairage, la tension en circuit ouvert augmente généralement de manière logarithmique avec le nombre de sources lumineuses.où \(n_{\mathrm{id}}\) est le facteur d’idéalité de la diode, \(k_B\) est la constante de Boltzmann, \(T\) est la température, \(q\) est la charge élémentaire, \(J_{\mathrm{ph}}\) est la densité de courant photogénéré et \(J_0\) est la densité de courant de saturation dans l’obscurité. Étant donné que le courant photogénéré est approximativement proportionnel à l’intensité de l’éclairage, la tension en circuit ouvert augmente généralement de manière logarithmique avec le nombre de sources lumineuses.
Dans le cas d’une cellule solaire tandem, la tension mesurée est la somme des contributions des deux sous-cellules photovoltaïques. En première approximation,Dans le cas d’une cellule solaire tandem, la tension mesurée est la somme des contributions des deux sous-cellules photovoltaïques. En première approximation,
\[ V_{OC,\mathrm{tandem}} \simeq V_{OC,1}+V_{OC,2}-V_{\mathrm{loss}}, \]où \(V_{\mathrm{loss}}\) représente toute perte de tension supplémentaire liée à l’interconnexion. Pour une jonction de recombinaison efficace, cette perte est faible, ce qui permet aux phototensions des deux sous-cellules de s’additionner.où \(V_{\mathrm{loss}}\) représente toute perte de tension supplémentaire liée à l’interconnexion. Pour une jonction de recombinaison efficace, cette perte est faible, ce qui permet aux phototensions des deux sous-cellules de s’additionner.
La courbe caractéristique Suns-Voc calculée est présentée dans ??. La tension augmente d’environ 1,22 V à faible intensité lumineuse à environ 1,39 V sous un éclairage solaire standard. Cette augmentation progressive correspond à la dépendance logarithmique attendue de la tension en circuit ouvert par rapport à la photogénération. On observe que la tension reste relativement élevée même à faible intensité lumineuse, ce qui reflète la contribution des deux sous-cellules.La courbe caractéristique Suns-Voc calculée est présentée dans ??. La tension augmente d’environ 1,22 V à faible intensité lumineuse à environ 1,39 V sous un éclairage solaire standard. Cette augmentation progressive correspond à la dépendance logarithmique attendue de la tension en circuit ouvert par rapport à la photogénération. On observe que la tension reste relativement élevée même à faible intensité lumineuse, ce qui reflète la contribution des deux sous-cellules.
La simulation Suns-Jsc calcule plutôt la densité de courant de court-circuit en fonction de l’intensité de l’éclairage. En cas de court-circuit, la tension appliquée aux bornes est nulle, et le courant mesuré dépend du nombre de porteurs photo-générés qui peuvent être collectés.La simulation Suns-Jsc calcule plutôt la densité de courant de court-circuit en fonction de l’intensité de l’éclairage. En cas de court-circuit, la tension appliquée aux bornes est nulle, et le courant mesuré dépend du nombre de porteurs photo-générés qui peuvent être collectés.
Si le rendement de la collecte reste approximativement constant, le courant de court-circuit est proportionnel au flux de photons incidents. Par conséquent,Si le rendement de la collecte reste approximativement constant, le courant de court-circuit est proportionnel au flux de photons incidents. Par conséquent,
\[ |J_{SC}|\propto P_{\mathrm{sun}}, \]où \(P_{\mathrm{sun}}\) représente l’intensité d’illumination relative, exprimée en unités solaires. De manière plus générale, le photocourant collecté dépend du profil de génération spatiale et de la probabilité que les porteurs générés par la lumière atteignent les contacts :où \(P_{\mathrm{sun}}\) représente l’intensité d’illumination relative, exprimée en unités solaires. De manière plus générale, le photocourant collecté dépend du profil de génération spatiale et de la probabilité que les porteurs générés par la lumière atteignent les contacts :
\[ |J_{SC}| \simeq q\int G(y)\eta_{\mathrm{col}}(y)\,dy, \]où \(G(y)\) représente le taux de photogénération local et \(\eta_{\mathrm{col}}(y)\) représente un rendement de collecte efficace qui varie en fonction de la position.où \(G(y)\) représente le taux de photogénération local et \(\eta_{\mathrm{col}}(y)\) représente un rendement de collecte efficace qui varie en fonction de la position.
Les résultats obtenus avec le modèle Suns-Jsc sont présentés dans ??, et la courbe caractéristique correspondante est présentée dans ??. La densité de courant calculée augmente de manière presque linéaire en fonction de l’intensité de l’éclairage, atteignant environ 8 A m−2 sous un éclairage équivalent à neuf fois l’intensité solaire. Le signe négatif de la courbe de courant indique la convention utilisée pour le courant photovoltaïque dans le modèle.Les résultats obtenus avec le modèle Suns-Jsc sont présentés dans ??, et la courbe caractéristique correspondante est présentée dans ??. La densité de courant calculée augmente de manière presque linéaire en fonction de l’intensité de l’éclairage, atteignant environ 8 A m−2 sous un éclairage équivalent à neuf fois l’intensité solaire. Le signe négatif de la courbe de courant indique la convention utilisée pour le courant photovoltaïque dans le modèle.
suns_jsc.csv pour afficher le courant de court-circuit calculé.Onglet « Résultats » après l’exécution de la simulation Suns-Jsc. Double-cliquez sur suns_jsc.csv pour afficher le courant de court-circuit calculé.
Les deux simulations mettent en évidence différents aspects du fonctionnement en tandem. Suns-Voc est particulièrement sensible aux processus de recombinaison qui déterminent la phototension réalisable, tandis que Suns-Jsc fournit des informations sur la photogénération et la collecte des charges. Étant donné que les deux sous-cellules sont connectées en série, elles doivent supporter le même courant de sortie, de sorte que le courant généré par l’ensemble du dispositif en tandem est limité par les performances électriques et optiques des deux absorbeurs. Ensemble, ces calculs offrent un moyen utile d’étudier le comportement du dispositif en tandem dans différentes conditions d’éclairage.Les deux simulations mettent en évidence différents aspects du fonctionnement en tandem. Suns-Voc est particulièrement sensible aux processus de recombinaison qui déterminent la phototension réalisable, tandis que Suns-Jsc fournit des informations sur la photogénération et la collecte des charges. Étant donné que les deux sous-cellules sont connectées en série, elles doivent supporter le même courant de sortie, de sorte que le courant généré par l’ensemble du dispositif en tandem est limité par les performances électriques et optiques des deux absorbeurs. Ensemble, ces calculs offrent un moyen utile d’étudier le comportement du dispositif en tandem dans différentes conditions d’éclairage.
12. Examens complémentaires recommandés.12. Examens complémentaires recommandés.
La principale leçon à retenir est que l’empilement optique et l’interconnexion électrique doivent être résolus conjointement. La couche avant façonne le spectre qui atteint la couche arrière, tandis que la zone de recombinaison de faible épaisseur assure le couplage du transport des électrons et des trous sans nécessiter une couche électrique intermédiaire artificielle.La principale leçon à retenir est que l’empilement optique et l’interconnexion électrique doivent être résolus conjointement. La couche avant façonne le spectre qui atteint la couche arrière, tandis que la zone de recombinaison de faible épaisseur assure le couplage du transport des électrons et des trous sans nécessiter une couche électrique intermédiaire artificielle.