תוכנת סימולציה לתאים סולאריים, המיועדת למכשירים פוטו-וולטאיים אורגניים ולמכשירים פוטו-וולטאיים בעלי שכבה דקה
1. מבוא
OghmaNano היא פלטפורמת תוכנה רב-תכליתית לסימולציה של תאים סולאריים, המשמשת למידול התקנים פוטו-וולטאיים דקים, כולל תאים פוטו-וולטאיים אורגניים (OPV), תאים סולאריים מבוססי פרוסקיט ומבנים קשורים כגון התקני צומת PN מסיליקון. היא משלבת מידול אופטי עם מודלים של תופעות דיפוזיה וסחיפה ופיזיקה של מצבי מלכוד, כדי לספק תיאור פיזיקלי מציאותי של התנהגות ההתקן, תוך שימוש בטכניקות מתקדמות לתיאור מאפיינים, כגון ניתוח הספק-מתח (Suns–Voc), לצורך אבחון מנגנוני רקומבינציה.
עבור מוליכים למחצה לא מסודרים, כגון תאים פוטו-וולטאיים אורגניים, הסימולטור פותר באופן עקבי את האופטיקה של שכבות דקות, מנגנון התנועה המבוסס על סחיפה ודיפוזיה, ואת לכידת נושאי המטען במצב שאינו בשיווי משקל, תוך שהוא מתאר כיצד מצבים מקומיים משפיעים על תנועת המטען, על תהליכי רקומבינציה ועל האלקטרוסטטיקה.
גישה מאוחדת זו מאפשרת לנתח את תהליכי בליעת האור, ההחזרה, הובלת המטען, לכידת המטען, רקומבינציה, האנרגטיקה והמגעים במסגרת מודל אחד. במקום להתאים פשוט מעגל מקביל או לשחזר עקומת JV, OghmaNano מאפשרת להבין מדוע התקן מתפקד כפי שהוא ומהם התהליכים הפיזיקליים המגבילים את הביצועים. הממשק הראשי מוצג באיור ??, ואילו עורך השכבות באיור ?? משמש להגדרת המבנה, החומרים והעוביים.
אותו מסגרת תיאורטית תומכת בסימולציות של מצב יציב, מצבים חולפים וסימולציות בתחום התדר, כולל סימולציות של JV, TPV, CELIV, ספקטרוסקופיית עכבה, IMPS ו- IMVS. פרופילי יצירת אור יכולים להיות מחושבים ישירות מתוך אופטיקה של שכבות דקות מרובות, כפי שמודגם ב- איור ??, והתגובה החשמלית המתקבלת מנותחת באמצעות פלטים כגון עקומת ה-JV המוצגת ב- איור ??.
אף על פי שדף זה מתמקד בתאים פוטו-וולטאיים אורגניים (OPV), אותו פותר משמש גם עבור תאים סולאריים מבוססי פרוביסקיט, מבנים מבוססי סיליקון אמורפי ו-מכשירים בעלי שטח גדול, כולל מודלים ברמת המעגל לחקר אי-אחידות מרחבית ומעבר מתאים בודדים למודולים.
2. מה אפשר לעשות עם OghmaNano?
- צרו מודלים מציאותיים של שכבות מכשירים: הגדירו את החומרים המרכיבים את השכבות השונות – תורם, מקבל, שכבת הולכה, שכבת ביניים ואלקטרודה – תוך ציון תכונותיהם המרחביות.
- מודל המשלב אופטיקה ותיאור תהליכי הולכה: שילוב חישובים אופטיים של שכבות דקות עם סימולציה מלאה של התקן חשמלי.
- כלול פיזיקה המוגבלת על ידי מלכודות: נתח כיצד מצבים מקומיים, תהליכי לכידה ורקומבינציה בסיוע מלכודות משפיעים על ביצועי המכשיר.
- הדמינו את אופן הפעולה הפנימי של המכשיר: בדקו את השדות, צפיפות הנשאים, תהליך השחזור, רמות קוואזי-פרמי ופרופילי יצירת המטענים בממד אחד, שני ממדים או שלושה ממדים.
- השווה ישירות לתוצאות הניסוי: הדמה וניתוח של תוצאות המתקבלות ממדידות JV, TPV, CELIV, ספקטרוסקופיית עכבה, IMPS ו-IMVS.
- הבינו את מנגנוני האובדן: הפרדו בין השפעות אופטיות, השפעות הולכה, השפעות לכידה והשפעות מגע, במקום לשלב אותן בפרמטרים אמפיריים המשמשים להתאמה.
- בצעו אופטימיזציה באופן וירטואלי: בדקו טווחי פרמטרים שונים וחקרו שינויים אפשריים בתכנון המכשיר לפני ייצורו.
נסו דוגמה של OPV.
התחילו עם מדריך מבוא מהיר לתאי OPV, ולאחר מכן עברו לאופטיקה וספיגה, מבנה המכשיר ושכבות פעילות, ספקטרוסקופיית עכבה, IMPS, IMVS, או סימולציות של PM6:Y6 בשטח גדול.
3. רכיב הליבה של פותר הבעיות עבור תאים פוטו-וולטאיים אורגניים (OPV).
כדי לדמות התקני OPV ותאים סולאריים לא מסודרים אחרים, מתחילים במסגרת הסטנדרטית מודל תנועת-דיפוזיה. מודל זה מתאר כיצד מטענים נעים בתוך התקן תחת השפעת שדות חשמליים וגרדיאנטים של ריכוז.
אלקטרונים וחורים מועברים בהתאם ל- משוואות הדיפוזיה והתנועה הסטוכסטית,
$$ \mathbf{J}_n = \mu_n n \nabla E_c + q D_n \nabla n $$ $$ \mathbf{J}_p = \mu_p p \nabla E_v - q D_p \nabla p, $$יחד עם משוואות הרציפות,
$$ \frac{\partial n}{\partial t} = \frac{1}{q}\nabla \cdot \mathbf{J}_n + G - R $$ $$ \frac{\partial p}{\partial t} = -\frac{1}{q}\nabla \cdot \mathbf{J}_p + G - R. $$הפוטנציאל האלקטרוסטטי מתקבל מתוך משוואת פואסון,
$$ \nabla \cdot \left( \varepsilon \nabla \phi \right) = -q \left( p - n + N_D^+ - N_A^- + \rho_{\mathrm{trap}} + \rho_{\mathrm{ion}} \right), $$הקשר הזה מחבר בין התפלגות המטען לבין השדה החשמלי הפנימי.
עם זאת, במקרה של התקני OPV וחומרים מוליכים למחצה לא מסודרים אחרים, התמונה הזו אינה שלמה. בחומרים אלה, חלק גדול מהמטען נמצא במצבים מקומיים, ולעתים קרובות מתרחשת רקומבינציה באמצעות מצבים אלה ולא ישירות בין נושאי מטען חופשיים.
כדי לתאר זאת, OghmaNano כוללת אוכלוסיות של מלכודות מוגדרות ופותרת את המשוואה הלא-שיוונית של רקומבינציה מסוג שוקלי-ריד-הול (SRH). התמונה הפיזיקלית מוצגת ב- איור ??: אלקטרונים וחורים נלכדים במצבי מלכודת, ובהמשך יכולים להיפלט מחדש. רקומבינציה מתרחשת כאשר נושאי מטען בעלי סוגים מנוגדים נפגשים דרך מערך המלכודות הזה, ובכך מספקת מסלול עקיף בין הפסים.
כדי לתאר תהליכי רקומבינציה בחומרים לא מסודרים, כגון תאים פוטו-וולטאיים אורגניים (OPV), חברת OghmaNano אינה מתחילה מביטוי SRH סגור. במקום זאת, היא מתחילה מהדינמיקה הבסיסית של מצבי מלכוד, כפי שמוצג ב איור ??. אלקטרונים וחורים נלכדים ומשתחררים באופן רציף ממערך של מצבים מקומיים, ויוצרים רשת של מעברים בין אוכלוסיות חופשיות ואוכלוסיות כלואות.
עבור רמת אנרגיה נתונה של מלכודת, רמת המילוי משתנה בהתאם לנוסחה הבאה:
$$ \frac{dn_t}{dt} = r_{ec} - r_{ee} - r_{hc} + r_{he}, $$כאשר \(r_{ec}\) ו-\(r_{hc}\) הם קצבי לכידת אלקטרונים וחורים במבנה המלכודת, ו-\(r_{ee}\) ו-\(r_{he}\) הם תהליכי הפליטה המתאימים. רקומבינציה מתרחשת כאשר נושאי מטען בעלי סוגים מנוגדים נפגשים דרך מצבי המלכודת הללו.
לכן, סך כל תהליך השילוב המתרחש באמצעות מלכודות מתקבל על ידי סיכום של כל המעברים הללו על פני כל טווח צפיפות המצבים.
$$ R_{\mathrm{trap}} = \sum_i R_i \;\;\;\; \text{with} \;\;\;\; R_i \sim r_{ec,i} \cdot p_{t,i} \;\; \text{or} \;\; r_{hc,i} \cdot n_{t,i}, $$כאשר כל תרומה \(R_i\) מתאימה לרקומבינציה דרך אזור ספציפי של התפלגות המלכודות. אם מניחים תנאי שיווי משקל ומפלס מלכודת אפקטיבי יחיד, תיאור זה מצטמצם לביטוי המוכר Shockley–Read–Hall.
$$ R_{\mathrm{trap}} \sim \frac{np - n_i^2}{\tau_p (n + n_t) + \tau_n (p + p_t)}, $$אולם, צורה פשוטה זו אינה משמרת את האבולוציה הדינמית של תפוסת מלכודות או עוקבת במפורש אחר המטען שנאגר במלכודות. בחומרים מוליכים למחצה לא מסודרים, המטען הכלוא תורם ישירות לאלקטרוסטטיקה באמצעות משוואת פואסון, ומשנה את השדה הפנימי ואת כיפוף הפסים. מסיבה זו, OghmaNano פותרת את מערכת המלכודות הדינמית המלאה, במקום להסתמך אך ורק על הגבול האנליטי של SRH.
על ידי פתרון תהליכים אלה באופן עקבי, פותר ה-OPV לא רק חוזה את ביצועי המכשיר, אלא גם מסביר מדוע הם משתנים. לדוגמה, ירידה במקדם המילוי עלולה לנבוע ממילוי מלכודות, מחוסר איזון בניידות או ממחסומי מגע, בעוד שאובדן זרם עלול לנבוע ממגבלות ספיגה אופטית או מחילוץ לא יעיל.
