OPV: Odporność na prądy upływu w ogniwach fotowoltaicznych: symulacja charakterystyk prądowo-napięciowych w różnych konfiguracjach (szeregowej, równoległej i w ciemności).

W tej sekcji wyjaśniono, w jaki sposób rezystancja pasożytnicza wpływa na symulacje organicznych ogniw słonecznych. Rezystancja szeregowa, rezystancja boczna oraz charakterystyki prądowo-napięciowe w ciemności są przydatnymi narzędziami diagnostycznymi, ponieważ pozwalają na rozróżnienie strat w kontaktach, ścieżek upływu prądu oraz obszarów, w których dominują procesy rekombinacji, wpływających na działanie urządzenia.

1. Rezystancja szeregowa, rezystancja bocznikowa i krzywa charakterystyki prądowo-napięciowej ogniwa fotowoltaicznego (OPV).

Symulacje oparte na modelu dryfu i dyfuzji szczegółowo opisują warstwę fotoaktywną, w której obecne są zarówno elektrony, jak i dziury, i w której zachodzi ich wzajemne oddziaływanie. W rzeczywistych urządzeniach występują jednak również efekty nieliniowe, wynikające z warstw kontaktowych i niedoskonałości w procesie produkcji. Jednym z ważnych efektów jest rezystancja szeregowa (Rs), czyli rezystancja skupiona, która występuje szeregowo z diodą i wynika z kontaktów, warstw transportowych (HTL/ETL) oraz rezystancji przewodów lub warstw. Powoduje ona charakterystyczny spadek wydajności przy wysokich napięciach, ograniczając prąd przy dużych napięciach przewodzenia i zmniejszając współczynnik wypełnienia.

Drugim efektem jest rezystancja boczna (Rshunt), czyli ścieżka upływu prądu, która biegnie równolegle do warstwy aktywnej. Jest to spowodowane niedoskonałościami, takimi jak mikrodziurki, zanieczyszczenia, upływ prądu na krawędziach lub mikrozwarcia, które tworzą niepożądane ścieżki przewodzące wewnątrz urządzenia. Głównie pogarsza to obszar o niskim napięciu na krzywej charakterystyki prądowo-napięciowej (JV), zmniejszając nachylenie w pobliżu punktu początkowego i obniżając prąd zwarciowy (JSC) oraz współczynnik wypełnienia.

Elementy te zwykle określa się mianem elementów pasożytniczych i można je przedstawić w postaci uproszczonego modelu obwodu, jak pokazano w ??. W tym modelu idealna dioda (której działanie opisują równania dyfuzji i dryfu) występuje równolegle do rezystora Rshunt i szeregowo do rezystora Rs. Dodatkowo uwzględniono pojemność pasożytniczą, która reprezentuje pojemność geometryczną kontaktów; parametr ten ma znaczenie tylko w symulacjach stanów nieustalonych.

W programie OghmaNano można edytować parametry pasożytnicze, przechodząc do sekcji „Electrical” na głównym pasku narzędzi i wybierając opcję „Parasitic components”. Otwiera to edytor parametrów pasożytniczych, w którym można ustawić zarówno rezystancję bocznikową, jak i szeregową. Można to zobaczyć w ??. Rezystancja bocznikowa (Rshunt) jest wprowadzana jako wartość znormalizowana do powierzchni (Ω·m2). Zapewnia to, że efektywna rezystancja bocznikowa jest proporcjonalna do powierzchni urządzenia. Rezystancja szeregowa (Rs) jest określana w omach (&Omega) jako pojedyncza rezystancja, niezależna od powierzchni urządzenia. Razem Rshunt i Rs pozwalają na uwzględnienie rzeczywistych strat związanych z prądami upływu i przewodzeniem, oprócz fizyki dryfu i dyfuzji w warstwie aktywnej.

2. Symulacja ciemnego złącza i określanie jego rezystancji.

Do tej pory wszystkie symulacje przeprowadzano w warunkach oświetlenia odpowiadającego spektrum AM1.5G. Jest to naturalne, ponieważ zazwyczaj interesuje nas, ile energii może wytworzyć ogniwo słoneczne. Jednak pomiar urządzenia w ciemności często ujawnia jeszcze więcej informacji na temat jego wewnętrznych właściwości – i wyjaśnia, dlaczego może nie działać zgodnie z oczekiwaniami. Powszechnym błędem jest charakteryzowanie nowego urządzenia tylko w warunkach oświetlenia; w rzeczywistości krzywa prądowo-napięciowa (JV) mierzona w ciemności może dostarczyć bogatszych informacji diagnostycznych niż krzywa mierzona w świetle.

W tej sekcji wykorzystamy ciemny tryb JV, aby zbadać, w jaki sposób można określić wartości Rshunt i Rs. Na początek, przełącz symulator w tryb ciemny: przejdź do opcji „Taśma optyczna” → „Natężenie światła (w jednostkach słonecznych)” i ustaw wartość na 0,0. Zielone fotony w widoku urządzenia 3D znikną, co potwierdzi, że symulacja jest uruchomiona bez oświetlenia. Można to zobaczyć w ??.

Następnie przyjrzymy się, w jaki sposób pasożytnicze rezystancje wpływają na charakterystykę prądowo-napięciową w ciemności. Zacznijmy od ustawienia odpowiednich parametrów. R_{odgałęzienie, omijać, omijać prąd} ustaw wysoką wartość (np. 1 MΩ·m²) i wykonaj pomiar prądu zwarciowego, a następnie zmniejsz ją do znacznie niższej wartości (np. 1 Ω·m²) i porównaj uzyskane krzywe. Zwróć uwagę, jak nachylenie krzywej przy niskich napięciach jest modyfikowane przez prąd upływu. Następnie powtórz ten proces dla rezystancji szeregowej: ustaw R_s najpierw do 0 Ω, a następnie do wyższej wartości (np. 20 Ω). Porównaj obszar wysokiego napięcia na krzywej charakterystyki prądowo-napięciowej i zwróć uwagę, jak zmienia się nachylenie. Przedstaw każdy przypadek na wykresie z liniową skalą na osi x i logarytmiczną na osi y (naciśnij). l) dzięki czemu różnice są wyraźnie widoczne. ?? schemat przedstawia, w jaki sposób rezystancje powinny wpływać na różne odcinki krzywej charakterystyki ogniwa słonecznego. Należy pamiętać, że zmiana jedynie rezystancji pasożytniczych nie wpływa bezpośrednio na obszar, w którym dominują procesy rekombinacji; obszar ten jest kontrolowany przez parametry materiałów elektrycznych, o których mowa w części E..