Παρασιτική αντίσταση των OPV: Προσομοίωση σειράς, παράλληλης σύνδεσης και χαρακτηριστικών σκοτεινού ρεύματος-τάσης (JV).

Αυτή η ενότητα εξηγεί πώς η παρασιτική αντίσταση επηρεάζει τις προσομοιώσεις των οργανικών ηλιακών κυψελών. Η αντίσταση σειράς, η αντίσταση παράκαμψης και οι καμπύλες τάσης-ρεύματος στο σκοτάδι αποτελούν χρήσιμα διαγνωστικά εργαλεία, καθώς διαχωρίζουν τις απώλειες επαφής, τις διαδρομές διαρροής και τις περιοχές της απόκρισης της συσκευής όπου κυριαρχεί η ανασυνδυασμός.

1. Αντίσταση σειράς, αντίσταση παράλληλης σύνδεσης και η καμπύλη τάσης-ρεύματος (JV) της οργανικής φωτοβολταϊκής συσκευής (OPV).

Οι προσομοιώσεις διάχυσης-μεταφοράς περιγράφουν λεπτομερώς τη φωτοευαίσθητη στρώση, όπου υπάρχουν και αλληλεπιδρούν ηλεκτρόνια και οπές. Οι πραγματικές συσκευές, ωστόσο, περιλαμβάνουν επίσης μη ιδανικά φαινόμενα που προκαλούνται από τις στρώσεις επαφής και τις ατέλειες κατασκευής. Ένα σημαντικό φαινόμενο είναι η σειρά αντίστασης (Rs), μια συνολική αντίσταση σε σειρά με τη δίοδο, η οποία προέρχεται από τις επαφές, τις στρώσεις μεταφοράς (HTL/ETL) και την καλωδίωση ή την αντίσταση της επιφάνειας. Αυτό δημιουργεί τη χαρακτηριστική «πτώση» σε υψηλές τάσεις, περιορίζοντας το ρεύμα σε μεγάλες θετικές τάσεις και μειώνοντας τον συντελεστή πληρότητας.

Ένα δεύτερο αποτέλεσμα είναι η αντίσταση παράκαμψης (Rshunt), η οποία αποτελεί μια διαδρομή διαρροής παράλληλη με την ενεργό στρώση. Αυτό προκαλείται από ατέλειες, όπως μικρές τρύπες, ακαθαρσίες, διαρροή στις άκρες ή μικροσκοπικά βραχυκυκλώματα, τα οποία δημιουργούν ανεπιθύμητες αγώγιμες διαδρομές μέσα στη συσκευή. Κυρίως επηρεάζει την περιοχή χαμηλής τάσης της καμπύλης JV, μειώνοντας την κλίση κοντά στο σημείο μηδέν και μειώνοντας το JSC και τον συντελεστή πληρότητας.

Αυτές οι συνεισφορές αναφέρονται συνήθως ως παρασιτικά στοιχεία και μπορούν να αναπαρασταθούν σε ένα συμπαγές μοντέλο κυκλώματος, όπως φαίνεται στην ??. Σε αυτό το μοντέλο, η ιδανική δίοδος (που διέπεται από τις εξισώσεις διάχυσης-μεταφοράς) εμφανίζεται παράλληλα με το Rshunt και σε σειρά με το Rs. Ένας παρασιτικός πυκνωτής περιλαμβάνεται επίσης για να αναπαραστήσει τη γεωμετρική χωρητικότητα των επαφών· αυτός ο όρος είναι σχετικός μόνο στις προσομοιώσεις μεταβατικών καταστάσεων.

Μπορείτε να επεξεργαστείτε τις παρασιτικές συνιστώσες στο OghmaNano μεταβαίνοντας στην καρτέλα "Electrical" στο κύριο παράθυρο και επιλέγοντας "Parasitic components". Αυτό ανοίγει τον επεξεργαστή παρασιτικών συνιστωσών, όπου μπορείτε να ορίσετε τόσο την αντίσταση παράκαμψης όσο και την αντίσταση σειράς. Αυτό φαίνεται στην εικόνα ??. Η αντίσταση παράκαμψης (Rshunt) εισάγεται ως μια τιμή κανονικοποιημένη ως προς την επιφάνεια (Ω·m2). Αυτό διασφαλίζει ότι η αποτελεσματική αντίσταση παράκαμψης κλιμακώνεται ανάλογα με την επιφάνεια της συσκευής. Η αντίσταση σειράς (Rs) καθορίζεται σε ohms (Ω) ως μια συνολική αντίσταση, ανεξάρτητα από την επιφάνεια της συσκευής. Μαζί, οι Rshunt και Rs σας επιτρέπουν να αποτυπώσετε τις πραγματικές απώλειες λόγω διαρροής και αγωγιμότητας, επιπλέον της φυσικής διάχυσης-μεταφοράς στην ενεργό περιοχή.

2. Προσομοίωση σκοτεινής περιοχής και εξαγωγή αντίστασης.

Μέχρι σήμερα, όλες οι προσομοιώσεις έχουν πραγματοποιηθεί υπό συνθήκες φωτισμού AM1.5G. Αυτό είναι λογικό, καθώς συνήθως μας ενδιαφέρει πόση ισχύ μπορεί να παράγει ένα ηλιακό στοιχείο. Ωστόσο, η μέτρηση μιας συσκευής στο σκοτάδι αποκαλύπτει συχνά ακόμη περισσότερα για την εσωτερική της φυσική και γιατί ενδέχεται να μην αποδίδει όπως αναμένεται. Ένα συνηθισμένο λάθος είναι να χαρακτηρίζεται μια νέα συσκευή μόνο υπό συνθήκες φωτισμού· στην πραγματικότητα, η καμπύλη τάσης-ρεύματος στο σκοτάδι μπορεί να παρέχει πληρέστερες διαγνωστικές πληροφορίες από την καμπύλη υπό φωτισμό.

Σε αυτή την ενότητα, θα χρησιμοποιήσουμε τη λειτουργία «σκοτεινού» JV για να διερευνήσουμε πώς μπορούν να εξαχθούν οι τιμές των Rshunt και Rs. Για να ξεκινήσουμε, θέστε τον προσομοιωτή σε κατάσταση σκοτεινού περιβάλλοντος: μεταβείτε στην ενότητα «Οπτική κορδέλα» → «Ένταση φωτός (σε ηλιακές μονάδες)» και ορίστε την τιμή σε 0,0. Τα πράσινα φωτόνια στην τρισδιάστατη προβολή της συσκευής θα εξαφανιστούν, επιβεβαιώνοντας ότι η προσομοίωση εκτελείται χωρίς φωτισμό. Αυτό μπορεί να παρατηρηθεί στην εικόνα ??.

Στη συνέχεια, θα εξετάσουμε πώς οι παρασιτικές αντιστάσεις επηρεάζουν την καμπύλη τάσης-ρεύματος στο σκοτάδι (dark JV). Ας ξεκινήσουμε ορίζοντας τις παραμέτρους. Ρ_{εκτροπή} σε μια υψηλή τιμή (π.χ. 1 ΜΩ·μ²) και εκτελέστε μια μέτρηση τάσης-ρεύματος (JV sweep), στη συνέχεια μειώστε την σε μια πολύ χαμηλότερη τιμή (π.χ. 1 Ω·μ²) και συγκρίνετε τις καμπύλες. Παρατηρήστε πώς η κλίση στις χαμηλές τάσεις επηρεάζεται από τις διαρροές παράκαμψης. Στη συνέχεια, επαναλάβετε τη διαδικασία για την αντίσταση σειράς: ορίστε Ρ_s πρώτα σε 0 Ω και στη συνέχεια σε μια μεγαλύτερη τιμή (π.χ. 20 Ω). Συγκρίνετε την περιοχή υψηλής τάσης της καμπύλης JV και σημειώστε πώς αλλάζει η κλίση. Σχεδιάστε κάθε περίπτωση σε γραφήματα με γραμμική κλίμακα στον άξονα x και λογαριθμική κλίμακα στον άξονα y (πατήστε lώστε οι διαφορές να είναι ευδιάκριτες. ?? δείχνει πώς οι αντιστάσεις θα πρέπει να επηρεάζουν τα διάφορα τμήματα της καμπύλης JV. Σημειώστε ότι η αλλαγή μόνο των παρασιτικών αντιστάσεων δεν αλλάζει άμεσα την περιοχή που κυριαρχείται από την ανασύνθεση· αυτή ελέγχεται από το οι παράμετροι των ηλεκτρικών υλικών που συζητούνται στο Μέρος Ε.