Resistenza parassita nelle celle fotovoltaiche organiche: simulazione delle caratteristiche in serie, in parallelo e al buio.Resistenza parassita nelle celle fotovoltaiche organiche: simulazione delle caratteristiche in serie, in parallelo e al buio.

In questa sezione viene spiegato come la resistenza parassita influisca sulle simulazioni delle celle solari organiche. La resistenza in serie, la resistenza di shunt e le curve corrente-tensione al buio sono strumenti diagnostici utili perché consentono di distinguere le perdite di contatto, i percorsi di dispersione e le regioni del dispositivo in cui prevale il processo di ricombinazione.In questa sezione viene spiegato come la resistenza parassita influisca sulle simulazioni delle celle solari organiche. La resistenza in serie, la resistenza di shunt e le curve corrente-tensione al buio sono strumenti diagnostici utili perché consentono di distinguere le perdite di contatto, i percorsi di dispersione e le regioni del dispositivo in cui prevale il processo di ricombinazione.

1. Resistenza in serie, resistenza di shunt e la curva corrente-tensione (JV) della cella fotovoltaica organica (OPV).1. Resistenza in serie, resistenza di shunt e la curva corrente-tensione (JV) della cella fotovoltaica organica (OPV).

Le simulazioni basate sui modelli di deriva-diffusione descrivono in dettaglio lo strato fotoattivo, in cui sono presenti sia elettroni che lacune e questi interagiscono tra loro. Tuttavia, i dispositivi reali includono anche effetti non ideali, dovuti agli strati di contatto e alle imperfezioni di fabbricazione. Uno di questi effetti è la resistenza di serie (Rs), una resistenza complessiva in serie con il diodo, che deriva dai contatti, dagli strati di trasporto (HTL/ETL) e dalla resistenza dei collegamenti o dei fogli conduttori. Questo effetto produce la caratteristica diminuzione della corrente alle alte tensioni di polarizzazione diretta, limitando la corrente a tensioni di polarizzazione diretta elevate e riducendo il fattore di riempimento.Le simulazioni basate sui modelli di deriva-diffusione descrivono in dettaglio lo strato fotoattivo, in cui sono presenti sia elettroni che lacune e questi interagiscono tra loro. Tuttavia, i dispositivi reali includono anche effetti non ideali, dovuti agli strati di contatto e alle imperfezioni di fabbricazione. Uno di questi effetti è la resistenza di serie (Rs), una resistenza complessiva in serie con il diodo, che deriva dai contatti, dagli strati di trasporto (HTL/ETL) e dalla resistenza dei collegamenti o dei fogli conduttori. Questo effetto produce la caratteristica diminuzione della corrente alle alte tensioni di polarizzazione diretta, limitando la corrente a tensioni di polarizzazione diretta elevate e riducendo il fattore di riempimento.

Un secondo effetto è rappresentato dalla resistenza di shunt (Rshunt), ovvero un percorso di dispersione in parallelo allo strato attivo. Questo è causato da imperfezioni quali microfori, impurità, dispersioni ai bordi o microcortocircuiti, che creano percorsi conduttivi indesiderati all’interno del dispositivo. In particolare, ciò influisce negativamente sulla regione a bassa polarizzazione della curva corrente-tensione (JV), riducendo la pendenza in prossimità dell’origine e diminuendo la corrente di cortocircuito (JSC) e il fattore di riempimento.Un secondo effetto è rappresentato dalla resistenza di shunt (Rshunt), ovvero un percorso di dispersione in parallelo allo strato attivo. Questo è causato da imperfezioni quali microfori, impurità, dispersioni ai bordi o microcortocircuiti, che creano percorsi conduttivi indesiderati all’interno del dispositivo. In particolare, ciò influisce negativamente sulla regione a bassa polarizzazione della curva corrente-tensione (JV), riducendo la pendenza in prossimità dell’origine e diminuendo la corrente di cortocircuito (JSC) e il fattore di riempimento.

Questi elementi vengono solitamente definiti componenti parassiti e possono essere rappresentati in un modello di circuito compatto, illustrato in ??. In questo modello, il diodo ideale (che segue le equazioni di deriva-diffusione) è collegato in parallelo con Rshunt e in serie con Rs. È inoltre incluso un condensatore parassita per rappresentare la capacità geometrica dei contatti; questo termine è rilevante solo nelle simulazioni transitorie.Questi elementi vengono solitamente definiti componenti parassiti e possono essere rappresentati in un modello di circuito compatto, illustrato in ??. In questo modello, il diodo ideale (che segue le equazioni di deriva-diffusione) è collegato in parallelo con Rshunt e in serie con Rs. È inoltre incluso un condensatore parassita per rappresentare la capacità geometrica dei contatti; questo termine è rilevante solo nelle simulazioni transitorie.

È possibile modificare i componenti parassiti in OghmaNano accedendo alla scheda «Elettrica» nella finestra principale e selezionando «Componenti parassiti». Si aprirà l’editor dei componenti parassiti, dove sarà possibile impostare sia la resistenza di shunt che quella di serie. Come si può vedere in ??, la resistenza di shunt (Rshunt) viene inserita come valore normalizzato rispetto all’area (Ω·m2). In questo modo, si garantisce che la resistenza di shunt effettiva vari in proporzione all’area del dispositivo. La resistenza di serie (Rs) viene specificata in ohm (Ω) come resistenza concentrata, indipendente dall’area del dispositivo. Insieme, Rshunt e Rs consentono di tenere conto delle perdite di conduzione e delle dispersioni reali, oltre alla fisica di deriva-diffusione dello strato attivo.È possibile modificare i componenti parassiti in OghmaNano accedendo alla scheda «Elettrica» nella finestra principale e selezionando «Componenti parassiti». Si aprirà l’editor dei componenti parassiti, dove sarà possibile impostare sia la resistenza di shunt che quella di serie. Come si può vedere in ??, la resistenza di shunt (Rshunt) viene inserita come valore normalizzato rispetto all’area (Ω·m2). In questo modo, si garantisce che la resistenza di shunt effettiva vari in proporzione all’area del dispositivo. La resistenza di serie (Rs) viene specificata in ohm (Ω) come resistenza concentrata, indipendente dall’area del dispositivo. Insieme, Rshunt e Rs consentono di tenere conto delle perdite di conduzione e delle dispersioni reali, oltre alla fisica di deriva-diffusione dello strato attivo.

2. Simulazione e determinazione della resistenza in condizioni di iniezione di corrente inversa (dark JV).2. Simulazione e determinazione della resistenza in condizioni di iniezione di corrente inversa (dark JV).

Finora, tutte le simulazioni sono state eseguite in condizioni di illuminazione AM1.5G. Questo è comprensibile, dato che in genere siamo interessati a capire quanta energia può generare una cella solare. Tuttavia, misurare un dispositivo al buio spesso rivela informazioni ancora più dettagliate sulla sua fisica interna e sul motivo per cui potrebbe non funzionare come previsto. Un errore comune è caratterizzare un nuovo dispositivo solo in condizioni di illuminazione; in realtà, la curva corrente-tensione (JV) misurata al buio può fornire informazioni diagnostiche più complete rispetto alla curva misurata in condizioni di illuminazione.Finora, tutte le simulazioni sono state eseguite in condizioni di illuminazione AM1.5G. Questo è comprensibile, dato che in genere siamo interessati a capire quanta energia può generare una cella solare. Tuttavia, misurare un dispositivo al buio spesso rivela informazioni ancora più dettagliate sulla sua fisica interna e sul motivo per cui potrebbe non funzionare come previsto. Un errore comune è caratterizzare un nuovo dispositivo solo in condizioni di illuminazione; in realtà, la curva corrente-tensione (JV) misurata al buio può fornire informazioni diagnostiche più complete rispetto alla curva misurata in condizioni di illuminazione.

In questa sezione utilizzeremo la modalità «JV scura» per analizzare come è possibile ricavare i valori di Rshunt e Rs. Per iniziare, impostate il simulatore in modalità scura: andate su «Optical ribbon» (nastro ottico) → «Light intensity» (intensità della luce) (suns) e impostate il valore a 0,0. I fotoni verdi nella visualizzazione 3D del dispositivo scompariranno, confermando che la simulazione è in esecuzione senza illuminazione. Questo è visibile in ??.In questa sezione utilizzeremo la modalità «JV scura» per analizzare come è possibile ricavare i valori di Rshunt e Rs. Per iniziare, impostate il simulatore in modalità scura: andate su «Optical ribbon» (nastro ottico) → «Light intensity» (intensità della luce) (suns) e impostate il valore a 0,0. I fotoni verdi nella visualizzazione 3D del dispositivo scompariranno, confermando che la simulazione è in esecuzione senza illuminazione. Questo è visibile in ??.

Ora analizzeremo come le resistenze parassite influenzano la curva corrente-tensione al buio. Iniziamo impostando R_{deviare, deviazione; shunt (in elettronica)} portare il valore a un livello elevato (ad esempio 1 MΩ·m²) ed eseguire una scansione di tipo JV, quindi ridurlo a un valore molto più basso (ad esempio 1 Ω·m²) e confrontare le curve. Osservare come la pendenza alle basse tensioni sia influenzata dalle perdite di shunt. Quindi, ripetere il processo per la resistenza in serie: impostare R_s inizia con 0 Ω, quindi aumenta fino a un valore maggiore (ad esempio, 20 Ω). Confronta la regione ad alta tensione della curva JV e osserva come cambia la pendenza. Rappresenta graficamente ogni caso su un grafico con asse x lineare e asse y logaritmico (premi). lin modo che le differenze siano chiaramente visibili. ?? descrive come le resistenze dovrebbero influenzare le diverse sezioni della curva caratteristica della giunzione. Si noti che la semplice modifica delle resistenze parassite non altera direttamente la regione in cui prevale il processo di ricombinazione; tale regione è controllata da parametri dei materiali elettrici trattati nella Parte E. Ora analizzeremo come le resistenze parassite influenzano la curva corrente-tensione al buio. Iniziamo impostando R_{deviare, deviazione; shunt (in elettronica)} portare il valore a un livello elevato (ad esempio 1 MΩ·m²) ed eseguire una scansione di tipo JV, quindi ridurlo a un valore molto più basso (ad esempio 1 Ω·m²) e confrontare le curve. Osservare come la pendenza alle basse tensioni sia influenzata dalle perdite di shunt. Quindi, ripetere il processo per la resistenza in serie: impostare R_s inizia con 0 Ω, quindi aumenta fino a un valore maggiore (ad esempio, 20 Ω). Confronta la regione ad alta tensione della curva JV e osserva come cambia la pendenza. Rappresenta graficamente ogni caso su un grafico con asse x lineare e asse y logaritmico (premi). lin modo che le differenze siano chiaramente visibili. ?? descrive come le resistenze dovrebbero influenzare le diverse sezioni della curva caratteristica della giunzione. Si noti che la semplice modifica delle resistenze parassite non altera direttamente la regione in cui prevale il processo di ricombinazione; tale regione è controllata da parametri dei materiali elettrici trattati nella Parte E.