Tutoriel sur les cellules solaires à pérovskite (PSC) – Partie D : Composants parasites et courbe courant-tension en l’absence de lumière.

1. Effets parasites dans les dispositifs à base de pérovskite.

La modélisation par dérive-diffusion permet d’obtenir une description détaillée de l’absorbeur de pérovskite, où sont présents à la fois des électrons et des trous, et où se produisent la recombinaison, le piégeage et la photogénération. Cependant, les cellules solaires à pérovskite réelles présentent également un comportement non idéal, dû à leurs couches de transport, à leurs contacts et aux imperfections de fabrication. Ces effets se manifestent sous forme de composants parasites qui modifient la courbe J-V.

L’une des résistances parasites les plus courantes est la résistance série (Rs), qui provient de la conductivité limitée de l’électrode transparente (par exemple, le FTO), des couches de transport de charges telles que le TiO₂ ou le Spiro-OMeTAD, et même des connexions et de la résistance de la feuille conductrice. Elle affecte principalement la zone de haute tension de la courbe J-V, où le courant commence à diminuer, ce qui réduit le facteur de remplissage et diminue le point de puissance maximale.

Une autre perte importante est la résistance de dérivation (Rshunt). Elle représente les voies de fuite qui court-circuitent la pérovskite active, souvent dues à des micro-trous, à une surface irrégulière, à une couverture incomplète ou à des défauts de fabrication. Sur une courbe courant-tension (J-V), la dérivation se manifeste par une pente aplatie autour de 0 V, ce qui réduit le courant de court-circuit (JSC), le facteur de remplissage et la stabilité du dispositif.

Ces contributions sont prises en compte dans un modèle de circuit équivalent compact, présenté dans ??. Dans ce modèle, la diode à dérive-diffusion (qui représente la pérovskite) est placée en parallèle avec Rshunt et en série avec Rs. Un terme de capacité optionnel peut être ajouté pour décrire la capacité géométrique, qui devient importante dans les études de phénomènes transitoires.

Dans OghmaNano, les paramètres parasites sont modifiés à l’aide de l’éditeur de composants parasites, accessible dans le ruban « Électrique » (voir ??). La résistance de shunt est saisie sous forme de valeur normalisée par rapport à la surface (Ω·m²), de sorte que le courant de fuite effectif varie en fonction de la taille du dispositif. La résistance série est donnée sous forme de valeur globale en ohms (Ω), indépendamment de la surface. Ensemble, Rs et Rshunt vous permettent de reproduire les principales non-idéalités que présentent les dispositifs MAPbI₃ réels lors des expériences.

2. Analyse des dispositifs à base de pérovskite dans l’obscurité.

Jusqu’à présent, chaque simulation a été effectuée en utilisant le spectre AM1.5G comme source d’éclairage. Cela est logique si l’objectif est de prédire la puissance de sortie, mais les chercheurs en cellules solaires savent que les courbes courant-tension (JV) obtenues dans l’obscurité fournissent souvent des informations plus approfondies. Mesurer ou simuler un dispositif sans lumière permet d’éliminer le photocourant et d’isoler les pertes électroniques de la pile. Dans de nombreux cas, la courbe obtenue dans l’obscurité est plus révélatrice que celle obtenue sous éclairage pour déterminer pourquoi une cellule à pérovskite ne parvient pas à atteindre ses performances théoriques.

Dans cet exercice, vous déterminerez les valeurs de Rshunt et de Rs directement à partir d’une courbe courant-tension obtenue dans l’obscurité. Pour désactiver l’éclairage dans OghmaNano, accédez à « Ruban optique » → « Intensité lumineuse (en unités solaires) » et définissez la valeur sur 0,0. Les marqueurs de photons verts dans le panneau de l’appareil 3D disparaissent, ce qui confirme que le modèle fonctionne dans des conditions d’obscurité (??).

Examinons maintenant comment les résistances parasites modifient la forme de la courbe. Commençons par R_{dérivation, court-circuit, dévier.} définir une valeur très élevée (par exemple, 1 MΩ·m²) et effectuer une série de mesures. Ensuite, réduire cette valeur à une valeur faible (par exemple, 1 Ω·m²). Comparer la façon dont la pente près de l’origine change : une faible résistance de dérivation entraîne des fuites et réduit V._OC. Ensuite, ajustez. R_s: commencez par régler la valeur à 0 Ω, puis augmentez-la jusqu’à 20 Ω. Comparez les variations de la pente et du facteur de remplissage en polarisation directe. Représentez graphiquement les résultats sur un graphique dont l’axe des abscisses est linéaire et l’axe des ordonnées est logarithmique.l) afin de rendre les modifications plus claires. Figure ?? met en évidence les régions de la courbe courant-tension (JV) qui correspondent aux fuites de shunt, à la recombinaison et à la résistance série. N’oubliez pas : les pertes dues à la recombinaison dans la région de tension moyenne ne sont pas contrôlées par R._{dérivation, court-circuit, dévier.} ou R_s; Ces opérations nécessitent de modifier les paramètres de recombinaison, ce que nous aborderons plus tard.