Εκπαιδευτικό σεμινάριο για τις ηλιακές κυψέλες περοβσκίτη (PSC) – Μέρος Δ: Παρασιτικά στοιχεία και χαρακτηρισμός σε σκοτεινό περιβάλλον (Dark JV).

1. Παρασιτικά φαινόμενα στις συσκευές περοβσκίτη

Η προσομοίωση με τη μέθοδο της διάχυσης-μεταφοράς παρέχει μια λεπτομερή εικόνα του απορροφητή περοβσκίτη, όπου υπάρχουν τόσο ηλεκτρόνια όσο και οπές και συμβαίνουν φαινόμενα ανασύνθεσης, παγίδευσης και φωτοπαραγωγής. Ωστόσο, οι πραγματικές ηλιακές κυψέλες περοβσκίτη παρουσιάζουν επίσης μη ιδανική συμπεριφορά, η οποία προκαλείται από τις στρώσεις μεταφοράς, τις επαφές και τις ατέλειες κατασκευής. Αυτά τα φαινόμενα εμφανίζονται ως παρασιτικά στοιχεία που τροποποιούν την καμπύλη JV.

Ένας από τους πιο συνηθισμένους παράσιτους παράγοντες είναι η σειρά αντίστασης (Rs), η οποία προέρχεται από την πεπερασμένη αγωγιμότητα του διαφανούς ηλεκτροδίου (π.χ. FTO), των στρωμάτων μεταφοράς φορέων όπως το TiO₂ ή το Spiro-OMeTAD, καθώς και από την καλωδίωση και την αντίσταση της επιφάνειας. Επηρεάζει κυρίως την περιοχή υψηλής τάσης της καμπύλης JV, όπου το ρεύμα αρχίζει να μειώνεται, μειώνοντας τον συντελεστή πληρότητας και την μέγιστη τιμή ισχύος.

Μια άλλη σημαντική απώλεια είναι η αντίσταση παράκαμψης (Rshunt). Αυτή αντιπροσωπεύει διαδρομές διαρροής που παρακάμπτουν το ενεργό περοβσκίτη, και συχνά προκαλείται από μικρές τρύπες, τραχύτητα, ατελή κάλυψη ή ελαττώματα κατά την επεξεργασία. Σε ένα διάγραμμα JV, η παράκαμψη εμφανίζεται ως μια επίπεδη κλίση γύρω από τα 0 V, η οποία μειώνει το JSC, τον συντελεστή πληρότητας και τη σταθερότητα της συσκευής.

Αυτές οι συνεισφορές αποτυπώνονται σε ένα συνοπτικό ισοδύναμο μοντέλο κυκλώματος, όπως φαίνεται στην ??. Εδώ, η δίοδος διάχυσης-μεταφοράς (που αναπαριστά το περοβσκίτη) είναι συνδεδεμένη παράλληλα με το Rshunt και σε σειρά με το Rs. Μπορεί να προστεθεί ένας προαιρετικός όρος χωρητικότητας για να περιγράψει τη γεωμετρική χωρητικότητα, η οποία αποκτά σημασία στις μεταβατικές μελέτες.

Στο OghmaNano, οι παρασιτικές παράμετροι τροποποιούνται μέσω του επεξεργαστή παρασιτικών στοιχείων, ο οποίος είναι διαθέσιμος στην καρτέλα «Ηλεκτρικά» (δείτε ??). Η αντίσταση παράκαμψης εισάγεται ως μια τιμή κανονικοποιημένη ως προς την επιφάνεια (Ω·m²), έτσι ώστε η αποτελεσματική διαρροή να κλιμακώνεται ανάλογα με το μέγεθος της συσκευής. Η αντίσταση σειράς δίνεται ως μια συνολική τιμή σε ohms (Ω), ανεξάρτητα από την επιφάνεια. Μαζί, οι Rs και Rshunt σας επιτρέπουν να αναπαράγετε τις βασικές μη ιδανικές συμπεριφορές που εμφανίζουν οι πραγματικές συσκευές MAPbI₃ στα πειράματα.

2. Ανάλυση συσκευών περοβσκίτη στο σκοτάδι.

Μέχρι στιγμής, όλες οι προσομοιώσεις έχουν πραγματοποιηθεί υπό φωτισμό με το φάσμα AM1.5G. Αυτό έχει νόημα αν ο στόχος είναι η πρόβλεψη της παραγόμενης ισχύος, αλλά οι ερευνητές ηλιακών κυψελών γνωρίζουν ότι οι σκοτεινές καμπύλες I-V συχνά παρέχουν βαθύτερη εικόνα. Η μέτρηση ή η προσομοίωση μιας συσκευής χωρίς φως αφαιρεί το φωτορεύμα και απομονώνει τις ηλεκτρονικές απώλειες της στοίβας. Σε πολλές περιπτώσεις, η σκοτεινή καμπύλη είναι πιο αποκαλυπτική από την φωτεινή όταν προσπαθούμε να διαγνώσουμε γιατί μια κυψέλη περοβσκίτη δεν φτάνει στην θεωρητική της απόδοση.

Σε αυτή την άσκηση, θα εξαγάγετε τις τιμές Rshunt και Rs απευθείας από μια σκοτεινή καμπύλη I-V. Για να απενεργοποιήσετε τον φωτισμό στο OghmaNano, μεταβείτε στην ενότητα "Οπτική ταινία → Ένταση φωτός (σε μονάδες ήλιου)" και ορίστε την τιμή σε 0,0. Οι πράσινες ενδείξεις φωτονίων στο τρισδιάστατο πάνελ της συσκευής εξαφανίζονται, επιβεβαιώνοντας ότι το μοντέλο εκτελείται σε σκοτεινές συνθήκες (??).

Τώρα, εξετάστε πώς οι παρασιτικές αντιστάσεις επηρεάζουν το σχήμα της καμπύλης. Ξεκινήστε με Ρ_{εκτροπή} ορίστε μια πολύ υψηλή τιμή (π.χ. 1 ΜΩ·m²) και εκτελέστε μια σάρωση. Στη συνέχεια, μειώστε την σε μια χαμηλή τιμή (π.χ. 1 Ω·m²). Συγκρίνετε πώς αλλάζει η κλίση κοντά στο σημείο μηδέν: η χαμηλή αντίσταση παράκαμψης προκαλεί διαρροή και μειώνει το V._ΟΚ.Επόμενη ρύθμιση. Ρ_s: πρώτα, ρυθμίστε το σε 0 Ω και, στη συνέχεια, αυξήστε το σε 20 Ω. Συγκρίνετε τις αλλαγές στην απότομη μείωση της τάσης κατά την εφαρμογή θετικής πόλωσης και στον συντελεστή πλήρωσης. Σχεδιάστε τα αποτελέσματα σε γραφήματα με γραμμική κλίμακα στον άξονα x και λογαριθμική κλίμακα στον άξονα y.l) για να καταστούν οι αλλαγές πιο ευδιάκριτες. Εικόνα ?? επισημαίνει ποιες περιοχές της σκοτεινής καμπύλης JV αντιστοιχούν σε διαρροή παράκαμψης, ανασύνθεση και αντίσταση σειράς. Να θυμάστε: οι απώλειες λόγω ανασύνθεσης στην περιοχή μέσης τάσης δεν ελέγχονται από το R._{εκτροπή} ή R_sαυτά απαιτούν την τροποποίηση των παραμέτρων ανασυνδυασμού, κάτι που θα εξετάσουμε αργότερα.