Λογισμικό προσομοίωσης ηλιακών κυψελών για οργανικές φωτοβολταϊκές (OPV) και λεπτοφυείς φωτοβολταϊκές συσκευές.
1. Εισαγωγή
Το OghmaNano είναι μια πλατφόρμα λογισμικού προσομοίωσης ηλιακών κυψελών γενικής χρήσης, η οποία χρησιμοποιείται για τη μοντελοποίηση λεπτόφυλλων φωτοβολταϊκών συσκευών, συμπεριλαμβανομένων των οργανικών φωτοβολταϊκών (OPV), των ηλιακών κυψελών περοβσκίτη και σχετικών δομών, όπως οι συσκευές πυριτίου με σύνδεση PN. Συνδυάζει οπτική μοντελοποίηση με μεταφορά μέσω διάχυσης και φυσική των καταστάσεων παγίδευσης, παρέχοντας μια φυσικά ρεαλιστική περιγραφή της συμπεριφοράς της συσκευής, με προηγμένες τεχνικές χαρακτηρισμού, όπως η ανάλυση Sun-Voc, για τη διάγνωση των μηχανισμών ανασύνθεσης.
Για τα διαταραγμένα ημιαγωγά, όπως τα OPV, ο προσομοιωτής επιλύει με αυτοσυνέπεια τις ακόλουθες παραμέτρους: οπτική λεπτής μεμβράνης, μεταφορά μέσω διάχυσης-παρασυρμού και μη ισορροπημένη παγίδευση φορέων, αποτυπώνοντας τον τρόπο με τον οποίο οι τοπικές καταστάσεις επηρεάζουν τη μεταφορά φορτίου, την ανασυνδυασμό και την ηλεκτροστατική.
Αυτή η ενοποιημένη προσέγγιση επιτρέπει την ανάλυση της απορρόφησης φωτός, της ανάκλασης, της μεταφοράς φορτίου, της παγίδευσης, της ανασύνθεσης, της ενεργειακής συμπεριφοράς και των επαφών εντός ενός ενιαίου μοντέλου. Αντί απλώς να προσαρμόζει ένα ισοδύναμο κύκλωμα ή να αναπαράγει μια καμπύλη JV, το OghmaNano καθιστά δυνατή την κατανόηση του γιατί μια συσκευή λειτουργεί όπως λειτουργεί και ποιες φυσικές διεργασίες περιορίζουν την απόδοσή της. Η κύρια διεπαφή εμφανίζεται στο Εικόνα ??, ενώ ο επεξεργαστής στρώσεων στο Εικόνα ?? χρησιμοποιείται για τον ορισμό της στοίβας, των υλικών και των πάχων.
Το ίδιο πλαίσιο υποστηρίζει προσομοιώσεις σταθερής κατάστασης, μεταβατικών φαινομένων και στον τομέα της συχνότητας, συμπεριλαμβανομένων των JV, TPV, CELIV, φασματοσκοπίας σύνθετης αντίστασης, IMPS και IMVS. Τα προφίλ οπτικής παραγωγής μπορούν να υπολογιστούν απευθείας από την οπτική των πολυεπίπεδων λεπτών υμενίων, όπως απεικονίζεται στο Εικόνα ??, και η προκύπτουσα ηλεκτρική απόκριση αναλύεται μέσω εξόδων όπως η καμπύλη JV που εμφανίζεται στο Εικόνα ??.
Αν και αυτή η σελίδα επικεντρώνεται στις OPV, ο ίδιος αλγόριθμος επίλυσης επεκτείνεται σε ηλιακά κύτταρα περοβσκίτη, αμορφοποιημένες δομές πυριτίου και συσκευές μεγάλης επιφάνειας, συμπεριλαμβανομένων μοντέλων σε επίπεδο κυκλώματος για τη μελέτη των χωρικών ανομοιομορφιών και την κλιμάκωση από μεμονωμένα κύτταρα σε μονάδες.
2. Τι μπορείτε να κάνετε με το OghmaNano.
- Δημιουργήστε ρεαλιστικές στοίβες συσκευών: ορίστε τα υλικά του δότη, του αποδέκτη, της μεταφοράς, της ενδιάμεσης στρώσης και του ηλεκτροδίου με ιδιότητες που διαφέρουν ανάλογα με τη θέση.
- Μοντελοποίηση οπτικής και μεταφοράς με συνδυασμένη προσέγγιση: συνδυασμός υπολογισμών οπτικής λεπτών υμενίων με πλήρη προσομοίωση ηλεκτρικής συσκευής.
- Συμπεριλάβετε τη φυσική που περιορίζεται από τις παγίδες: αναλύστε πώς οι τοπικές καταστάσεις, η παγίδευση και η ανασυνδυασμός που διευκολύνεται από τις παγίδες επηρεάζουν την απόδοση της συσκευής.
- Οπτικοποιήστε τη λειτουργία της εσωτερικής δομής της συσκευής: εξετάστε τα ηλεκτρικά πεδία, τις πυκνότητες φορέων, την ανασύνθεση, τα επίπεδα quasi-Fermi και τα προφίλ δημιουργίας σε 1D, 2D ή 3D.
- Συγκρίνετε απευθείας με το πείραμα: προσομοιώστε και ερμηνεύστε τα αποτελέσματα των μετρήσεων JV, TPV, CELIV, φασματοσκοπίας σύνθετης αντίστασης, IMPS και IMVS.
- Κατανοήστε τους μηχανισμούς απώλειας: διαχωρίστε τις οπτικές, τις μεταφορικές, τις παγιδευτικές και τις επαφιακές επιδράσεις, αντί να τις ενσωματώνετε σε εμπειρικές παραμέτρους προσαρμογής.
- Βελτιστοποιήστε εικονικά: εκτελέστε σειρές παραμετρικών δοκιμών και εξερευνήστε αλλαγές στο σχεδιασμό της συσκευής πριν από την κατασκευή.
Δοκιμάστε ένα παράδειγμα OPV.
Ξεκινήστε με το γρήγορο εγχειρίδιο εκμάθησης OPV, και στη συνέχεια προχωρήστε στα οπτικά και απορρόφηση, δομή της συσκευής και ενεργά στρώματα, φασματοσκοπία σύνθετης αντίστασης, IMPS, IMVS ή προσομοιώσεις μεγάλης επιφάνειας PM6:Y6.
3. Ο βασικός επιλυτής του προβλήματος βελτιστοποίησης της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας.
Για την προσομοίωση των συσκευών OPV και άλλων αταξιακών ηλιακών κυψελών, ξεκινάμε με το τυπικό πλαίσιο διάχυσης-μεταφοράςΑυτό περιγράφει τον τρόπο με τον οποίο το ηλεκτρικό φορτίο κινείται μέσα σε μια συσκευή υπό την επίδραση ηλεκτρικών πεδίων και κλίσεων συγκέντρωσης.
Τα ηλεκτρόνια και οι οπές μεταφέρονται σύμφωνα με τις εξισώσεις μεταφοράς-διάχυσης.
$$ \mathbf{J}_n = \mu_n n \nabla E_c + q D_n \nabla n $$ $$ \mathbf{J}_p = \mu_p p \nabla E_v - q D_p \nabla p, $$μαζί με τις εξισώσεις συνέχειας,
$$ \frac{\partial n}{\partial t} = \frac{1}{q}\nabla \cdot \mathbf{J}_n + G - R $$ $$ \frac{\partial p}{\partial t} = -\frac{1}{q}\nabla \cdot \mathbf{J}_p + G - R. $$Το ηλεκτροστατικό δυναμικό προκύπτει από την εξίσωση του Poisson.
$$ \nabla \cdot \left( \varepsilon \nabla \phi \right) = -q \left( p - n + N_D^+ - N_A^- + \rho_{\mathrm{trap}} + \rho_{\mathrm{ion}} \right), $$η οποία συνδέει την κατανομή των φορτίων με το εσωτερικό ηλεκτρικό πεδίο.
Ωστόσο, για τις συσκευές OPV και άλλους διαταραγμένους ημιαγωγούς, αυτή η εικόνα είναι ελλιπής. Σε αυτά τα υλικά, ένα μεγάλο ποσοστό των φορτίων βρίσκεται σε τοπικά ενεργειακά επίπεδα και η ανασύνθεση συμβαίνει συχνά μέσω αυτών των επιπέδων και όχι απευθείας μεταξύ των ελεύθερων φορέων.
Για να περιγράψει αυτό το φαινόμενο, το OghmaNano περιλαμβάνει συγκεκριμένες συγκεντρώσεις παγίδων και επιλύει μια μη ισορροπημένη μορφή της ανασυνδυωτικής διαδικασίας Shockley–Read–Hall (SRH). Η φυσική απεικόνιση παρουσιάζεται στην Εικόνα ??: τα ηλεκτρόνια και οι οπές παγιδεύονται σε καταστάσεις παγίδων και μπορούν αργότερα να εκπεμφθούν ξανά. Η ανασυνδυωτική διαδικασία συμβαίνει όταν φορείς αντίθετου τύπου συναντώνται μέσω αυτής της πολλαπλής παγίδας, παρέχοντας μια έμμεση διαδρομή μεταξύ των ενεργειακών ζωνών.
Για να περιγράψει την ανασυνδυασμό σε μη ομοιογενή υλικά, όπως τα OPV, το OghmaNano δεν χρησιμοποιεί μια κλειστή μαθηματική έκφραση SRH. Αντίθετα, ξεκινά από τη θεμελιώδη δυναμική των καταστάσεων παγίδευσης, όπως παρουσιάζεται στο Figure ??. Τα ηλεκτρόνια και οι οπές συλλαμβάνονται και εκπέμπονται συνεχώς από μια κατανομή τοπικών καταστάσεων, σχηματίζοντας ένα δίκτυο μεταβάσεων μεταξύ των ελεύθερων και των παγιδευμένων πληθυσμών.
Για μια δεδομένη ενέργεια παγίδευσης, η πληρότητα εξελίσσεται σύμφωνα με:
$$ \frac{dn_t}{dt} = r_{ec} - r_{ee} - r_{hc} + r_{he}, $$όπου \(r_{ec}\) και \(r_{hc}\) είναι οι ρυθμοί σύλληψης ηλεκτρονίων και οπών στην περιοχή παγίδευσης, και \(r_{ee}\) και \(r_{he}\) είναι οι αντίστοιχες διαδικασίες εκπομπής. Η ανασύνθεση συμβαίνει όταν φορείς αντίθετου τύπου συναντιούνται μέσω αυτών των καταστάσεων παγίδευσης.
Ως εκ τούτου, η συνολική ανασυνδυωμένη διαδικασία που μεσολαβείται από τις παγίδες προκύπτει αθροίζοντας όλες αυτές τις μεταπτώσεις σε ολόκληρη την περιοχή της πυκνότητας των καταστάσεων.
$$ R_{\mathrm{trap}} = \sum_i R_i \;\;\;\; \text{with} \;\;\;\; R_i \sim r_{ec,i} \cdot p_{t,i} \;\; \text{or} \;\; r_{hc,i} \cdot n_{t,i}, $$όπου κάθε συνεισφορά \(R_i\) αντιστοιχεί στην ανασυνδυασμό μέσω μιας συγκεκριμένης περιοχής της κατανομής των παγίδων. Εάν υποθέσουμε σταθερές συνθήκες και ένα μόνο αποτελεσματικό επίπεδο παγίδων, αυτή η πλήρης περιγραφή απλοποιείται στην γνωστή εξίσωση Shockley–Read–Hall.
$$ R_{\mathrm{trap}} \sim \frac{np - n_i^2}{\tau_p (n + n_t) + \tau_n (p + p_t)}, $$ωστόσο, αυτή η απλοποιημένη μορφή δεν διατηρεί τη δυναμική εξέλιξη της πληρότητας των παγίδων ούτε παρακολουθεί ρητά τη φορτίο που αποθηκεύεται στις παγίδες. Στους αταξιακούς ημιαγωγούς, αυτή η παγιδευμένη φορτίο συμβάλλει άμεσα στην ηλεκτροστατική μέσω της εξίσωσης του Poisson, τροποποιώντας το εσωτερικό πεδίο και την κάμψη της ζώνης. Για αυτόν τον λόγο, το OghmaNano επιλύει το πλήρες δυναμικό σύστημα παγίδων αντί να βασίζεται αποκλειστικά στον αναλυτικό όριο SRH.
Επιλύοντας αυτές τις διαδικασίες με αυτοσυνεπή τρόπο, ο αλγόριθμος επίλυσης για τις οργανικές φωτοβολταϊκές συσκευές (OPV) δεν προβλέπει απλώς την απόδοση της συσκευής, αλλά εξηγεί και γιατί αυτή αλλάζει. Για παράδειγμα, η μείωση του συντελεστή πλήρωσης μπορεί να οφείλεται στη συσσώρευση παγίδων, στην ανισορροπία της κινητικότητας ή στα εμπόδια επαφής, ενώ οι απώλειες ρεύματος μπορεί να προέρχονται από τα όρια οπτικής απορρόφησης ή την αναποτελεσματική εξαγωγή.
