Ηλιακός συλλέκτης αμορφωμένης πυριτίου (a-Si:H) (1D) — Λεπτού στρώματος p/i/n (με περιορισμούς λόγω ελαττωμάτων)

1. Εισαγωγή

Τα ηλιακά κύτταρα από υδρογονωμένο άμορφο πυρίτιο (a-Si:H) αποτελούν μια τυπική τεχνολογία λεπτών υμενών φωτοβολταϊκών. Σε αντίθεση με το κρυσταλλικό πυρίτιο, το a-Si:H είναι δομικά αταξινόμητο και περιέχει υψηλή συγκέντρωση ελαττωμάτων και καταστάσεων ουράς. Ως αποτέλεσμα, η συμπεριφορά της συσκευής περιορίζεται συνήθως από την ανασυνδυασμό λόγω ελαττωμάτων (διαδικασίες τύπου Shockley–Read–Hall) και από τη μεταφορά λόγω χαμηλότερης κινητικότητας. Αυτό καθιστά το a-Si:H ένα εξαιρετικό σύστημα για τη μελέτη του τρόπου με τον οποίο η ανασυνδυασμός και η πυκνότητα φορέων καθορίζουν το Voc και πώς η οπτική των λεπτών υμενών επηρεάζει το Jsc.

Αυτό το εκπαιδευτικό υλικό παρέχει μια πρακτική, βασισμένη στη φυσική, μεθοδολογία για την προσομοίωση μιας ηλιακής κυψέλης a-Si:H σε μία διάσταση χρησιμοποιώντας το OghmaNano. Το μοντέλο επιλύει τη μεταφορά φορέων μέσω της εξίσωσης μεταφοράς-διάχυσης, σε συνδυασμό με την ηλεκτροστατική Poisson, με οπτική παραγωγή που εξαρτάται από το βάθος και φυσικά τεκμηριωμένη ανασυνδυασμό, ο οποίος κυριαρχείται από την ανασυνδυασμό ελαττωμάτων τύπου SRH. Ο στόχος είναι να συσχετιστούν οι τυπικές έξοδοι – καμπύλες JV, Voc και η συμπεριφορά Suns–Voc – με τις εσωτερικές μεταβλητές (ζώνες, επίπεδα σχετικής Fermi, φορτίο και αποτελεσματικός χρόνος ανασυνδυασμού).

Θα κατασκευάσετε και θα προσομοιώσετε ένα μονοδιάστατο φωτοβολταϊκό στοιχείο λεπτής μεμβράνης a-Si:H με μια τυπική αρχιτεκτονική p/i/n (βλ. ??). Η συσκευή ορίζεται ως εξής: Δομή (από εμπρός προς τα πίσω): p a-Si:H / i a-Si:H / n a-Si:H / μεταλλική επαφή. Χρησιμοποιώντας αυτή τη βασική συσκευή, θα δημιουργήσετε μια καμπύλη JV υπό φωτισμό, θα εξαγάγετε βασικές μετρικές απόδοσης και θα εκτελέσετε σαρώσεις Voc και Suns–Voc για να προσδιορίσετε την απώλεια τάσης που περιορίζεται από την ανασύνθεση και την εξάρτησή της από την πυκνότητα φορέων.

2. Δημιουργία μιας νέας προσομοίωσης.

Για να ξεκινήσετε, δημιουργήστε μια νέα προσομοίωση από το κύριο παράθυρο του OghmaNano. Κάντε κλικ στο κουμπί "Νέα προσομοίωση" στη γραμμή εργαλείων. Αυτό θα ανοίξει το παράθυρο διαλόγου επιλογής τύπου προσομοίωσης (δείτε ??).

Στο παράθυρο διαλόγου τύπου προσομοίωσης, κάντε διπλό κλικ στο «Si demos» και, στη συνέχεια, κάντε διπλό κλικ στο «Amorphous silicon (a-Si:H)» (δείτε ??). Το OghmaNano θα φορτώσει μια προκαθορισμένη προσομοίωση λεπτόφυλλης ηλιακής κυψέλης a-Si:H.

Το κύριο παράθυρο (δείτε ??) παρέχει μια τρισδιάστατη απεικόνιση της δομής της συσκευής. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε το ποντίκι για να περιστρέψετε, να μετακινήσετε και να κάνετε ζουμ στην εικόνα, ώστε να εξετάσετε τη γεωμετρία. Παρόλο που αυτό το εκπαιδευτικό πρόγραμμα χρησιμοποιεί ένα μονοδιάστατο ηλεκτρικό μοντέλο, η τρισδιάστατη προβολή παρέχει έναν εύκολο τρόπο για να απεικονίσετε τη λεπτή στοιβαγή υμενίων και τις επαφές.

Κάντε κλικ στην καρτέλα "Επεξεργαστής επιπέδων" για να ανοίξετε τον πίνακα επιπέδων (δείτε ??). Εδώ μπορείτε να εξετάσετε την κάθετη δομή της συσκευής, συμπεριλαμβανομένου του επιπέδου τύπου p, του εσωτερικού απορροφητή (επίπεδο i), του επιπέδου τύπου n και της οπίσθιας επαφής, καθώς και τα πάχη και τα υλικά που έχουν εκχωρηθεί σε αυτά.

3. Εξέταση του προφίλ χρήσης απαγορευμένων ουσιών.

Το προφίλ προσθήκης καθορίζει την ηλεκτροστατική δομή της συσκευής πριν από την εφαρμογή φωτισμού και τάσης. Σε ένα λεπτόστρωτο αμορφοποιημένο πυριτίου (a-Si:H) ηλιακό στοιχείο, η προσθήκη χρησιμοποιείται κυρίως για τη δημιουργία επαφών που επιλέγουν τους φορείς, και όχι για τη δημιουργία μιας ευρείας περιοχής εξάντλησης μέσα σε ένα προσθετικό απορροφητή. Η κεντρική αρχή λειτουργίας είναι το ενσωματωμένο ηλεκτρικό πεδίο σε μια εγγενή στρώση, το οποίο διαχωρίζει και μεταφέρει τους φωτοπαραγόμενους φορείς.

Για να δείτε την προσθήκη προσμείξεων στο OghmaNano, ανοίξτε την καρτέλα "Ηλεκτρικά" στο κύριο παράθυρο και κάντε κλικ στην επιλογή "Προσμείξεις / Ιόντα" (δείτε ??). Αυτό ανοίγει τον επεξεργαστή προφίλ (δείτε ??), ο οποίος απεικονίζει γραφικά την πυκνότητα φορτίου των δοτών και των αποδεκτών σε σχέση με το βάθος και εμφανίζει τις αριθμητικές τιμές που έχουν εκχωρηθεί σε κάθε στρώση.

Η συσκευή χρησιμοποιεί μια τυπική αρχιτεκτονική p+/i/n+ a-Si:H. Μια λεπτή, έντονα ντοπαρισμένη στρώση p+ τοποθετείται στην φωτιζόμενη μπροστινή επιφάνεια (πυκνότητα δεκτών της τάξης του \(10^{24}\,\mathrm{m^{-3}}\)), παρέχοντας μια επαφή επιλεκτική για τις οπές και καθορίζοντας την κάμψη της ζώνης στην μπροστινή πλευρά. Ακολουθεί μια πολύ παχύτερη ενδογενής στρώση απορροφητή a-Si:H, η οποία είναι μόνο ελαφρώς ντοπαρισμένη (εδώ \(\sim 10^{20}\,\mathrm{m^{-3}}\)) και περιέχει το μεγαλύτερο μέρος της οπτικής παραγωγής. Στο πίσω μέρος της συσκευής, μια λεπτή, έντονα ντοπαρισμένη στρώση n+ (πυκνότητα δοτών και πάλι \(\sim 10^{24}\,\mathrm{m^{-3}}\)) σχηματίζει μια οπίσθια επαφή επιλεκτική για τα ηλεκτρόνια, η οποία βρίσκεται δίπλα στο μέταλλο.

Το βασικό χαρακτηριστικό που πρέπει να αναγνωρίσουμε στον επεξεργαστή προφίλ είναι ότι το ισχυρό ενσωματωμένο ηλεκτρικό πεδίο εκτείνεται στην εσωτερική στρώση και όχι στις περιοχές με προσθήκη προσμίξεων. Οι φωτοπαραγόμενοι φορείς δημιουργούνται κυρίως στην εσωτερική στρώση a-Si:H και διαχωρίζονται από αυτό το εσωτερικό πεδίο: τα ηλεκτρόνια ωθούνται προς την οπίσθια επαφή n+, ενώ οι οπές ωθούνται προς την πρόσθια επαφή p+. Οι στρώσεις με προσθήκη προσμίξεων διατηρούνται λεπτές για να ελαχιστοποιηθεί η ανασυνδυασμός που προκαλείται από ελαττώματα, ενώ παράλληλα παρέχουν καλή ηλεκτρική εκλεκτικότητα και αγωγιμότητα επαφής.

4. Ηλεκτρικές παράμετροι: μεταφορά, ηλεκτροστατική και ανασυνδυασμός στο α-Si:H.

Ανοίξτε τον επεξεργαστή ηλεκτρικών παραμέτρων από το κύριο παράθυρο: Δομή συσκευής → Ηλεκτρικές παράμετροι. Οι παράμετροι ορίζονται ανά περιοχή χρησιμοποιώντας τις καρτέλες p+, i και n+, οι οποίες αντιστοιχούν στην μπροστινή στρώση επαφής, στην εσωτερική απορροφητική στρώση και στην οπίσθια στρώση επαφής της στοίβας a-Si:H. Οι ρυθμίσεις σε αυτόν τον επεξεργαστή καθορίζουν τους συντελεστές μεταφοράς μέσω διάχυσης, την ενεργειακή ευθυγράμμιση και τους μηχανισμούς ανασύνθεσης που χρησιμοποιούνται κατά τη διάρκεια των μετρήσεων JV και Suns–Voc.

Η μεταφορά σε άμορφο πυρίτιο χαρακτηρίζεται από χαμηλή κινητικότητα λόγω της έλλειψης τάξης και της έντονης σκέδασης. Ως εκ τούτου, η επίδειξη χρησιμοποιεί κινητικότητες πολύ χαμηλότερες από αυτές του κρυσταλλικού πυριτίου. Στην εσωτερική στρώση (βλ. ??), η κινητικότητα των ηλεκτρονίων ορίζεται σε μn = 7×10−4 m2V−1s−1 και η κινητικότητα των οπών σε μp = 7×10−6 m2V−1s−1. Οι στρώσεις που βρίσκονται κοντά στις επαφές χρησιμοποιούν διαφορετικές (συνήθως χαμηλότερες) κινητικότητες (βλ. ?? και ??), γεγονός που αντικατοπτρίζει το ότι οι στρώσεις με προσθήκη προσμίξεων/επιλεκτικές στρώσεις λειτουργούν κυρίως ως λεπτές περιοχές εξαγωγής και όχι ως απορροφητές υψηλής κινητικότητας. Στην προσέγγιση μεταφοράς-διάχυσης, η μειωμένη κινητικότητα αυξάνει τον χρόνο παραμονής των φορέων και καθιστά την ανασυνδυασμό πιο σημαντικό κοντά στο ανοιχτό κύκλωμα.

Η ηλεκτροστατική βασική γραμμή που χρησιμοποιείται σε όλη τη στοίβα είναι ορατή σε κάθε καρτέλα: ηλεκτρονιακή συγγένεια χ = 4,05 eV, ενεργειακό χάσμα Eg = 1,75 eV και σχετική διηλεκτρική σταθερά εr = 11. Το ευρύτερο ενεργειακό χάσμα αντικατοπτρίζει το οπτικό χάσμα του a-Si:H και καθορίζει το ανώτατο όριο της επιτεύξιμης φωτοτάσης, ενώ η ηλεκτρονιακή συγγένεια και η διηλεκτρική σταθερά καθορίζουν την ευθυγράμμιση των ζωνών και τη διείσδυση του πεδίου. Μαζί με το προφίλ τύπου p+/i/n+ στην ενότητα ??, αυτές οι παράμετροι δημιουργούν ένα ισχυρό ενσωματωμένο ηλεκτρικό πεδίο σε όλη την εγγενή στρώση, η οποία είναι ο κύριος μηχανισμός διαχωρισμού φορέων σε λεπτές μεμβράνες p–i–n.

Η ανασύνθεση στο α-Si:H κυριαρχείται από διαδικασίες που μεσολαβούνται από ελαττώματα, επομένως το κεντρικό μοντέλο απώλειας είναι η ανασύνθεση Shockley–Read–Hall (SRH) μέσω τοπικών καταστάσεων παγίδευσης. Αυτό ενεργοποιείται σε όλες τις περιοχές μέσω του μπλοκ ισορροπημένων παγίδων SRH (δείτε τα πεδία παραμέτρων SRH στα ??, ?? και ??). Σε αυτή τη διατύπωση, η πυκνότητα παγίδων Nt, οι διατομές σύλληψης σn και σp και η ενεργειακή στάθμη της παγίδας Et καθορίζουν τους ρυθμούς σύλληψης φορέων και, επομένως, τη διάρκεια ζωής: \[ \tau_n = \frac{1}{\sigma_n v_{\mathrm{th}} N_t}, \qquad \tau_p = \frac{1}{\sigma_p v_{\mathrm{th}} N_t}, \] όπου \(v_{\mathrm{th}}\) είναι η θερμική ταχύτητα. Ο αντίστοιχος ρυθμός ανασύνθεσης SRH παίρνει τη συνήθη μορφή \[ R_{\mathrm{SRH}} = \frac{np - n_i^2}{\tau_p (n+n_1) + \tau_n (p+p_1)}, \] με τις \(n_1\) και \(p_1\) να καθορίζονται από την ενεργειακή στάθμη της παγίδας \(E_t\). Δεδομένου ότι η πλειονότητα της φωτογένεσης συμβαίνει στον ενδογενή απορροφητή, η ανασύνθεση SRH στο στρώμα i είναι ο κύριος μηχανισμός που περιορίζει τη διαφορά της σχετικής στάθμης Fermi και, κατά συνέπεια, το Voc σε αυτό το εκπαιδευτικό πρόγραμμα.

Οι παράμετροι ανασυνδυασμού Auger υπάρχουν επίσης στις καρτέλες p+ και n+ (βλ. ?? και ??), με συντελεστές Cn = Cp = 1×10−43 m6s−1. Ο ανασυνδυασμός Auger αντιπροσωπεύει διαδικασίες απώλειας τριών σωματιδίων σε υψηλές συγκεντρώσεις, της μορφής \[ R_{\mathrm{Auger}} = C_n\,n^2 p + C_p\,p^2 n, \], οι οποίες γίνονται σημαντικές όταν οι συγκεντρώσεις φορέων είναι μεγάλες, όπως σε περιοχές επαφής με υψηλή προσμείξη ή υπό ακραίες συνθήκες φωτισμού στις προσομοιώσεις Suns–Voc. Στις τυπικές συνθήκες λειτουργίας με 1 ήλιο σε αμορφοποιημένο πυρίτιο, ο ανασυνδυασμός Auger είναι συνήθως ένα δευτερεύον φαινόμενο· η απώλεια τάσης κυριαρχείται από τον ανασυνδυασμό Shockley–Read–Hall (SRH) που προκαλείται από ελαττώματα. Ωστόσο, η συμπερίληψη των όρων Auger παρέχει ένα φυσικά συνεπές κανάλι υψηλής έντασης και αποτρέπει την αφύσικη συσσώρευση φορέων όταν η συσκευή λειτουργεί σε πολύ υψηλές συγκεντρώσεις φορέων (για παράδειγμα, σε εκατοντάδες έως χιλιάδες ήλια). Μια λεπτομερής συζήτηση σχετικά με τον ανασυνδυασμό Auger και την εφαρμογή του δίνεται στο Θεωρία ανασυνδυασμού Auger.

Συνολικά, η χαμηλή κινητικότητα των φορέων, το σχετικά μεγάλο ενεργειακό χάσμα και η υψηλή πυκνότητα των τοπικών καταστάσεων ελαττωμάτων τοποθετούν το α-Si:H σταθερά σε ένα καθεστώς λειτουργίας που περιορίζεται από την ανασύνθεση. Ως αποτέλεσμα, τόσο η καμπύλη JV όσο και η απόκριση Suns–Voc καθορίζονται κυρίως από τον τρόπο με τον οποίο η αποτελεσματική διάρκεια ζωής SRH μειώνεται με την αύξηση της πυκνότητας των φορέων. Επομένως, αυτό το εκπαιδευτικό υλικό ερμηνεύει άμεσα τη συμπεριφορά της τάσης σε όρους διαχωρισμού της σχετικής στάθμης Fermi και της ανασύνθεσης που ελέγχεται από ελαττώματα, αντί για υποθέσεις τύπου κρυσταλλικού πυριτίου σχετικά με την υψηλή κινητικότητα και τη λειτουργία που περιορίζεται από τη μεταφορά. Μια λεπτομερής συζήτηση της φυσικής της ανασύνθεσης SRH και του ρόλου της στη μοντελοποίηση των ημιαγωγικών συσκευών παρέχεται στην ενότητα της θεωρίας Θεωρία ανασύνθεσης Shockley–Read–Hall.

Για λόγους σαφήνειας και διαφάνειας όσον αφορά τα αριθμητικά δεδομένα, αυτό το εκπαιδευτικό υλικό μοντελοποιεί την ανασύνθεση ελαττωμάτων χρησιμοποιώντας ένα μόνο αποτελεσματικό επίπεδο παγίδευσης SRH με σταθερές διατομές σύλληψης. Αυτή είναι μια συνειδητή επιλογή μοντελοποίησης για το παρόν εκπαιδευτικό υλικό: αποτυπώνει τη κυρίαρχη φυσική της ανασύνθεσης που σχετίζεται με τις ηλιακές κυψέλες a-Si:H, διατητώντας παράλληλα τον χώρο των παραμέτρων περιορισμένο. Το OghmaNano υποστηρίζει επίσης πιο προηγμένες προσεγγίσεις στις οποίες μια κατανομή παγίδων αποθηκεύει ενεργά φορτίο και εξελίσσεται δυναμικά υπό τάση και φωτισμό. Αυτές οι μη ισορροπημένες προσεγγίσεις γίνονται απαραίτητες όταν λαμβάνεται υπόψη η συμπεριφορά στον τομέα του χρόνου, όταν η φόρτιση της συσκευής είναι σημαντική ή όταν απαιτείται ποσοτική συμφωνία με μεταβατικά ή υστερητικά πειραματικά δεδομένα. Αυτές οι επεκτάσεις και η φυσική τους αιτιολόγηση περιγράφονται στα Γιατί απαιτούνται παγίδες σε διαταραγμένους ημιαγωγούς και Μη ισορροπημένη ανασύνθεση Shockley–Read–Hall.

5. Οπτικό προφίλ παραγωγής.

Αυτή η επίδειξη χρησιμοποιεί μια μονοδιάστατη οπτική προσομοίωση για να δημιουργήσει έναν όρο πηγής που εξαρτάται από το βάθος για τον επιλυτή διάχυσης-μεταφοράς. Στην πράξη, το οπτικό μοντέλο υπολογίζει πώς το φάσμα AM1.5 που προσπίπτει διαδίδεται μέσα στην λεπτή μεμβράνη, πόσο απορροφάται ως συνάρτηση του μήκους κύματος και του βάθους και μετατρέπει αυτή την απορροφούμενη ισχύ σε ρυθμό δημιουργίας ζευγών ηλεκτρονίων-οπών. Στις λεπτές μεμβράνες a-Si:H, το απορροφητικό στρώμα είναι συνήθως μόνο μερικές εκατοντάδες νανόμετρα, επομένως το οπτικό προφίλ συνδέεται στενά με το σχεδιασμό της στοίβας: μεγάλο μέρος της χρήσιμης απορρόφησης συμβαίνει κοντά στην φωτιζόμενη πλευρά και οι στρατηγικές οπτικής ανάκλασης/παγίδευσης του φωτός επηρεάζουν σημαντικά το Jsc.

Για να δείτε (και να αναδημιουργήσετε) την οπτική λύση, μεταβείτε στην καρτέλα "Οπτικά" στο κύριο παράθυρο και κάντε κλικ στην επιλογή "Πίνακας μεταφοράς". Αυτό ανοίγει τον επεξεργαστή οπτικής προσομοίωσης. Πατήστε το μπλε κουμπί "Εκτέλεση οπτικής προσομοίωσης" (το εικονίδιο αναπαραγωγής) για να υπολογίσετε το οπτικό πεδίο και να ενημερώσετε τα διαγράμματα (δείτε ??).

Στο διάγραμμα ?? απεικονίζεται ένας χάρτης που συσχετίζει το μήκος κύματος με το βάθος. Ο οριζόντιος άξονας αντιπροσωπεύει το βάθος μέσα στη συσκευή (με την ένδειξη «θέση y»), ενώ ο κατακόρυφος άξονας αντιπροσωπεύει το μήκος κύματος. Τα έντονα χρώματα κοντά στην φωτιζόμενη επιφάνεια υποδεικνύουν υψηλή συγκέντρωση φωτονίων· η σταδιακή εξασθένιση με το βάθος υποδεικνύει την απορρόφηση εντός της στοίβας.

Στην περίπτωση του α-Si:H, η απορρόφηση στο ορατό φάσμα είναι ισχυρή, επομένως ένα μεγάλο ποσοστό των χρήσιμων φωτονίων απορροφάται σε σχετικά μικρή απόσταση από την εμπρόσθια επιφάνεια. Το όριο στο μακρότερο μήκος κύματος ελέγχεται από το ενεργειακό χάσμα του α-Si:H: τα φωτόνια με ενέργεια μικρότερη από το ενεργειακό χάσμα δεν παράγουν αποτελεσματικά φορείς, επομένως ο χάρτης των φωτονίων θα δείχνει ένα φασματικό όριο πέρα από το οποίο η απορρόφηση και η παραγωγή μειώνονται σημαντικά. Αυτός είναι ένας από τους λόγους για τους οποίους οι λεπτές μεμβράνες α-Si:H συνήθως θυσιάζουν την απόλυτη τιμή του Jsc για ένα υψηλότερο ενεργειακό χάσμα και βελτιωμένη φασματική επιλεκτικότητα σε σύγκριση με το κρυσταλλικό πυρίτιο.

Ο οπτικός επεξεργαστής παρέχει διάφορες καρτέλες επειδή η «πυκνότητα φωτονίων» δεν είναι το ίδιο με τον «ρυθμό δημιουργίας». Η προβολή της κατανομής των φωτονίων σας δείχνει πού υπάρχει το οπτικό πεδίο. Οι καρτέλες «Κατανομή των απορροφημένων φωτονίων» και «Ρυθμός δημιουργίας» είναι αυτές που έχουν σημασία για το ηλεκτρικό μοντέλο: ο χάρτης των απορροφημένων φωτονίων μετατρέπεται σε έναν ρυθμό δημιουργίας ζευγών ηλεκτρονίων-οπών που εξαρτάται από το βάθος, ο οποίος είναι ο όρος πηγής που εισάγεται στις εξισώσεις μεταφοράς-διάχυσης. Για αυτό το στοιχείο a-Si:H, το προκύπτον προφίλ δημιουργίας είναι έντονα συγκεντρωμένο στην πρόσθια πλευρά και περιορίζεται στον λεπτό απορροφητή, γεγονός που αντιστοιχεί ακριβώς στο καθεστώς όπου η ανασύνθεση και η μεταφορά κοντά στο ανοιχτό κύκλωμα καθίστανται καθοριστικές για το Voc.

6. Εκτέλεση της προσομοίωσης, δημιουργία των καμπυλών JV και εξαγωγή παραμέτρων.

Αφού καθοριστεί η δομή της συσκευής, οι ηλεκτρικές παράμετροι και η οπτική παραγωγή, η προσομοίωση μπορεί να εκτελεστεί απευθείας από το κύριο παράθυρο. Κάντε κλικ στο κουμπί "Εκτέλεση προσομοίωσης" στη γραμμή εργαλείων για να ξεκινήσετε τον επιλυτή. Κατά τη διάρκεια της εκτέλεσης, η πρόοδος και οι πληροφορίες σύγκλισης του επιλυτή καταγράφονται στο παράθυρο τερματικού (δείτε ??).

Για κάθε σημείο λειτουργίας, αναφέρεται πρώτα η εφαρμοσμένη τάση στην άνω επαφή και στη συνέχεια η αντίστοιχη πυκνότητα ρεύματος. Υπό συνθήκες φωτισμού, το ρεύμα είναι αρχικά αρνητικό (παραγωγή ενέργειας). Καθώς αυξάνεται η εφαρμοσμένη τάση, το μέγεθος του ρεύματος μειώνεται μέχρι να μηδενιστεί στην τάση ανοικτού κυκλώματος. Μετά από αυτό το σημείο, το ρεύμα γίνεται θετικό, γεγονός που αντιστοιχεί στη λειτουργία της διόδου με θετική πόλωση. Η τελική έξοδος αναφέρει επίσης το υπόλοιπο του επιλυτή και τον χρόνο σύγκλισης για κάθε βήμα λειτουργίας. Μικρά υπόλοιπα υποδεικνύουν ότι οι συνδεδεμένες εξισώσεις μεταφοράς-διάχυσης και Poisson επιλύονται με ακρίβεια.

Για να ελέγξετε τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά, ανοίξτε την καρτέλα "Έξοδος" και κάντε διπλό κλικ στο jv.csv. Αυτό θα εμφανίσει την καμπύλη πυκνότητας ρεύματος-τάσης (JV) (δείτε ??). Η καμπύλη JV είναι το κύριο διαγνωστικό εργαλείο για την ανάλυση της συμπεριφοράς της συσκευής: θα πρέπει να περνά από το ρεύμα βραχυκυκλώματος σε μηδενική τάση και να τέμνει τον άξονα του ρεύματος στο σημείο της τάσης ανοικτού κυκλώματος.

Κάνοντας διπλό κλικ στο siminfo.dat, ανοίγει το παράθυρο πληροφοριών προσομοίωσης (δείτε ??), το οποίο εμφανίζει τις εξαγόμενες μετρικές απόδοσης, όπως ο συντελεστής πλήρωσης, η απόδοση μετατροπής ισχύος, το σημείο μέγιστης ισχύος, το Voc και το Jsc. Επιπλέον διαγνωστικές ποσότητες, όπως οι πυκνότητες ελεύθερων φορέων σε συνθήκες ανοικτού κυκλώματος, είναι επίσης χρήσιμες για την ερμηνεία της συμπεριφοράς που περιορίζεται από ελαττώματα σε υλικά a-Si:H.

Ένας πρακτικός κανόνας είναι να ελέγχουμε πάντα την καμπύλη JV πριν ερμηνεύσουμε τις αριθμητικές μετρήσεις. Εάν η καμπύλη JV δεν περνά ομαλά από τα σημεία βραχυκυκλώματος και ανοικτού κυκλώματος, ή εάν το ρεύμα έχει μια απροσδόκητη τιμή ή σχήμα, τότε και οι παράμετροι που προκύπτουν στο siminfo.dat θα είναι αναξιόπιστες. Η οπτική επιθεώρηση της καμπύλης JV είναι ο πιο γρήγορος τρόπος για να διαγνώσουμε προβλήματα στη διαμόρφωση ή στο μοντέλο.

7. Ηλιακά στοιχεία – Ανάλυση Voc: τάση που περιορίζεται από την ανασυνδυασμό σε a-Si:H.

Μια μέτρηση τύπου Suns–Voc εξετάζει πώς η τάση ανοικτού κυκλώματος μεταβάλλεται ως συνάρτηση της έντασης της φωτεινής ακτινοβολίας υπό αυστηρά μηδενικές συνθήκες ρεύματος. Επειδή το ρεύμα στα ακροδέκτια περιορίζεται στο μηδέν, η μέτρηση Suns–Voc απομονώνει τις φυσικές διεργασίες ανασύνθεσης από τις επιδράσεις της μεταφοράς και της αντίστασης επαφής. Η προκύπτουσα καμπύλη είναι, επομένως, ένα από τα πιο άμεσα διαγνωστικά εργαλεία για τους μηχανισμούς απώλειας τάσης σε ένα ηλιακό κύτταρο.

Στο OghmaNano, το Suns–Voc υλοποιείται ως μια ειδική λειτουργία προσομοίωσης. Αντί να μεταβάλλεται η εφαρμοσμένη τάση, ο επιλυτής μεταβάλλει την ένταση της φωτεινότητας και, σε κάθε επίπεδο έντασης, ρυθμίζει την τάση στα άκρα μέχρι η καθαρή ένταση ρεύματος να είναι μηδέν. Αυτό υπολογίζει άμεσα το σημείο λειτουργίας σε συνθήκες ανοικτού κυκλώματος για κάθε επίπεδο φωτεινότητας.

Για να ενεργοποιήσετε την προσομοίωση Suns–Voc, ανοίξτε την καρτέλα "Τύπος προσομοίωσης" στο κύριο παράθυρο (δείτε ??) και επιλέξτε "Suns–Voc". Στη συνέχεια, κάντε κλικ στην επιλογή "Εκτέλεση προσομοίωσης". Ο επιλυτής αποθηκεύει αυτόματα τα αποτελέσματα στον δίσκο. Το αρχείο suns_voc.csv περιέχει την τιμή Voc ως συνάρτηση της έντασης της φωτεινότητας.

Σε χαμηλά επίπεδα φωτισμού, η αύξηση της τάσης ανοικτού κυκλώματος (Voc) καθορίζεται από τη συσσώρευση περίσσειας πυκνότητας φορέων στο εγγενές απορροφητικό στρώμα. Στο μη εκφυλισμένο όριο, η διαφορά των επιπέδων quasi-Fermi είναι \[ qV_{\mathrm{oc}} = E_{Fn} - E_{Fp} = kT \ln\!\left(\frac{np}{n_i^2}\right), \], επομένως η Voc αυξάνεται μόνο λογαριθμικά με την πυκνότητα των φορέων.

Στο άμορφο πυρίτιο, αυτό το καθεστώς χαμηλής έντασης τροποποιείται συχνά από τις επιδράσεις της κατανομής των ελαττωμάτων. Σε πολύ χαμηλούς ρυθμούς δημιουργίας, ένα σημαντικό ποσοστό των φωτοπαραγόμενων φορέων παγιδεύεται σε βαθιές καταστάσεις και στην ουρά της κατανομής, πριν συμβάλει στις συγκεντρώσεις των ελεύθερων φορέων. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε μια ασθενή ή ελαφρώς εξομαλυμένη αρχική απόκριση στην καμπύλη Suns–Voc, όπως παρατηρείται στο ??. Αυτή η συμπεριφορά είναι μια φυσική συνέπεια της πλήρωσης των παγίδων και όχι ένα αριθμητικό τεχνούργημα.

Για να εξερευνήσετε την περιοχή υψηλής έντασης φωτισμού, επεκτείνετε το εύρος της έντασης. Ανοίξτε τον επεξεργαστή Suns–Voc από την καρτέλα Επεξεργαστές και αυξήστε την ένταση σε 1000 ηλιακές μονάδες. Εκτελέστε ξανά την προσομοίωση.

Ανοίγοντας το suns_voc.csv μετά την επανάληψη της προσομοίωσης, αποκαλύπτεται η πλήρης συμπεριφορά της περιοχής φωτισμού (βλ. ??). Σε υψηλό επίπεδο φωτισμού, η τάση ανοικτού κυκλώματος (Voc) συνεχίζει να αυξάνεται, αλλά με μια σταδιακά μειούμενη κλίση, φτάνοντας τελικά σε σημείο κορεσμού.

Η αιτία της τάσης κορεσμού γίνεται σαφής όταν η καμπύλη Suns–Voc εξετάζεται παράλληλα με τη συσσωρευμένη φόρτιση και τον αποτελεσματικό χρόνο ζωής. Καθώς αυξάνεται η ένταση του φωτός, αυξάνεται και η συνολική πυκνότητα των πλεονάζοντων φορέων (βλ. ??), αλλά ταυτόχρονα μειώνεται ο αποτελεσματικός χρόνος ανασυνδυασμού (βλ. ??).

Στο α-Si:H, η ανασύνθεση κυριαρχείται από διαδικασίες τύπου SRH που προκαλούνται από ελαττώματα. Καθώς αυξάνεται η πυκνότητα των φορέων, η ανασύνθεση που διευκολύνεται από παγίδες επιταχύνεται και ο αποτελεσματικός χρόνος ζωής \[ \tau_{\mathrm{eff}} = \frac{\Delta n}{R} \] μειώνεται. Μετά από αυτό το σημείο, η πρόσθετη φωτογένεση αυξάνει κυρίως την ανασύνθεση και όχι τη διαφορά της σχετικής στάθμης Fermi.

Αυτή η ισορροπία μεταξύ της δημιουργίας και της ανασύνθεσης επιβάλλει ένα εγγενές ανώτατο όριο στην Voc. Η μέγιστη τάση παραμένει χαμηλότερη από το αποτελεσματικό ενεργειακό χάσμα του a-Si:H, επειδή η ανασύνθεση εμποδίζει τα επίπεδα των ψευδο-Fermi για τα ηλεκτρόνια και τις οπές να πλησιάσουν ταυτόχρονα τις αντίστοιχες άκρες της ζώνης. Η διαφορά Eg/q − Voc αντιπροσωπεύει, επομένως, τη θεμελιώδη απώλεια τάσης που προκαλείται από την ανασύνθεση σε αυτή τη συσκευή.