페로브스카이트 태양전지 (PSC) 튜토리얼 – 파트 D: 기생 성분 및 암 JV

1. 페로브스카이트 소자에서의 기생 효과

Drift–diffusion 모델링은 전자와 정공이 모두 존재하고 재결합, 트래핑, 광생성이 일어나는 페로브스카이트 흡수층에 대한 상세한 그림을 제공합니다. 그러나 실제 페로브스카이트 태양전지는 수송층, 접촉, 그리고 제조상의 불완전성으로 인해 발생하는 비이상적 거동도 보입니다. 이러한 효과는 JV 곡선을 수정하는 기생 성분으로 나타납니다.

가장 흔한 기생 성분 중 하나는 직렬 저항(R_s)이며, 이는 투명 전극(예: FTO), TiO₂ 또는 Spiro-OMeTAD와 같은 캐리어 수송층, 심지어 배선 및 시트 저항의 유한한 전도도에서 기인합니다. 이는 주로 JV 곡선의 고전압 영역에 영향을 미치며, 이 영역에서는 전류가 롤오프되기 시작하여 충전율을 낮추고 최대 전력점을 감소시킵니다.

또 다른 중요한 손실은 션트 저항(R_shunt)입니다. 이는 활성 페로브스카이트를 우회하는 누설 경로를 나타내며, 흔히 핀홀, 거칠기, 불완전한 피복 또는 공정 결함으로 인해 발생합니다. JV 플롯에서 션트는 0 V 부근의 평탄한 기울기로 나타나며, 이는 J_SC, 충전율, 그리고 소자 안정성을 감소시킵니다.

이러한 기여는 ??에 표시된 축약 등가회로 모델로 포착됩니다. 여기서 drift–diffusion 다이오드(페로브스카이트를 나타냄)는 R_shunt와 병렬로, R_s와 직렬로 배치됩니다. 선택적인 커패시턴스 항은 기하학적 커패시턴스를 설명하기 위해 추가될 수 있으며, 이는 과도 연구에서 중요해집니다.

OghmaNano에서 기생 성분은 Electrical 리본 아래에서 사용할 수 있는 Parasitic components editor를 통해 편집합니다 ( ?? 참조). Shunt resistance는 소자 크기에 따라 유효 누설이 스케일되도록 면적 정규화 값(Ω·m²)으로 입력합니다. Series resistance는 면적과 무관한 집중 값인 ohm (Ω)으로 주어집니다. R_s와 R_shunt를 함께 사용하면 실제 MAPbI₃ 소자가 실험에서 보이는 핵심 비이상성을 재현할 수 있습니다.

2. 암 조건에서의 페로브스카이트 소자 분석

지금까지 모든 시뮬레이션은 AM1.5G 스펙트럼 하의 조명 조건에서 수행되었습니다. 이는 전력 출력을 예측하는 것이 목적이라면 타당하지만, 태양전지 연구자들은 암 JV 곡선이 종종 더 깊은 통찰을 제공한다는 것을 알고 있습니다. 빛 없이 소자를 측정하거나 시뮬레이션하면 광전류가 제거되고 스택의 전자적 손실이 분리됩니다. 많은 경우, 암 곡선은 페로브스카이트 전지가 이론적 성능에 미치지 못하는 이유를 진단할 때 조명 조건의 곡선보다 더 많은 정보를 제공합니다.

이 실습에서는 암 JV로부터 R_shunt와 R_s를 직접 추출합니다. OghmaNano에서 조명을 끄려면 Optical ribbon → Light intensity (suns)로 이동하여 값을 0.0으로 설정합니다. 3D 소자 패널의 녹색 광자 마커가 사라지며, 이는 모델이 암 조건에서 실행되고 있음을 확인합니다 (??).

이제 기생 저항이 곡선을 어떻게 형성하는지 확인하십시오. 먼저 R_shunt를 매우 크게(예: 1 MΩ·m²) 설정하고 스윕을 실행합니다. 그런 다음 이를 낮은 값(예: 1 Ω·m²)으로 줄입니다. 원점 부근의 기울기가 어떻게 변하는지 비교하십시오: 낮은 션트 저항은 누설을 발생시키고 V_OC를 억제합니다. 다음으로 R_s를 조정합니다: 먼저 0 Ω로 설정한 다음 20 Ω로 증가시킵니다. 순방향 바이어스에서의 롤오프와 충전율 변화를 비교하십시오. x-선형 / y-로그 축(l)으로 결과를 플롯하여 변화를 더 명확하게 만드십시오. 그림 ??는 암 JV의 어떤 영역이 션트 누설, 재결합, 그리고 직렬 저항에 해당하는지 보여줍니다. 기억하십시오: 중간 전압 영역에서의 재결합 손실은 R_shunt나 R_s에 의해 제어되지 않습니다; 이는 재결합 매개변수를 수정해야 하며, 이는 나중에 다룰 것입니다.