Samouczek dotyczący ogniw słonecznych z perowskitu (PSC) – część D: elementy pasożytnicze i charakterystyka prądowo-napięciowa w ciemności.

1. Niepożądane efekty w urządzeniach wykorzystujących perowskity

Modelowanie oparte na zjawiskach dryfu i dyfuzji pozwala uzyskać szczegółowy obraz absorbera perowskitowego, w którym obecne są zarówno elektrony, jak i dziury, a także zachodzą procesy rekombinacji, wychwytywania nośników i fotogeneracji. Jednak rzeczywiste ogniwa słoneczne z perowskitu wykazują również zachowanie odbiegające od idealnego, co jest spowodowane warstwami transportowymi, kontaktami i niedoskonałościami w procesie produkcji. Efekty te manifestują się jako elementy pasożytnicze, które modyfikują krzywą charakterystyki prądowo-napięciowej (JV).

Jednym z najczęstszych rodzajów pasożytniczych rezystancji jest rezystancja szeregowa (Rs), która wynika z ograniczonej przewodności przezroczystej elektrody (np. FTO), warstw transportujących nośniki ładunku, takich jak TiO₂ lub Spiro-OMeTAD, a nawet z rezystancji przewodów i podłoża. Najbardziej wpływa ona na obszar wysokiego napięcia na krzywej charakterystyki prądowo-napięciowej (JV), gdzie prąd zaczyna się zmniejszać, co obniża współczynnik wypełnienia i zmniejsza maksymalną moc.

Kolejną istotną stratą jest rezystancja bocznikowa (Rshunt). Oznacza ona ścieżki, którymi prąd omija aktywną warstwę perowskitu, co często jest spowodowane mikrodziurkami, nierównościami, niepełnym pokryciem lub defektami powstałymi podczas procesu wytwarzania. Na wykresie charakterystyki prądowo-napięciowej (JV), efekt bocznikowania objawia się spłaszczonym przebiegiem wokół 0 V, co prowadzi do zmniejszenia prądu zwarciowego (JSC), współczynnika wypełnienia i stabilności urządzenia.

Te właściwości są uwzględnione w uproszczonym modelu obwodu zastępczego, przedstawionym na rysunku ??. Diode, modelująca zjawisko dryfu i dyfuzji (reprezentująca perowskit), jest połączona równolegle z rezystorem Rshunt i szeregowo z rezystorem Rs. Opcjonalnie można dodać element pojemnościowy, aby opisać pojemność geometryczną, która staje się istotna w badaniach zjawisk przejściowych.

W programie OghmaNano parametry pasożytnicze są modyfikowane za pomocą edytora komponentów pasożytniczych, dostępnego w zakładce „Electrical” (patrz ??). Rezystancja bocznikowa jest wprowadzana jako wartość znormalizowana do powierzchni (Ω·m²), dzięki czemu efektywny prąd upływu jest proporcjonalny do rozmiaru urządzenia. Rezystancja szeregowa jest podawana jako pojedyncza wartość w omach (Ω) i jest niezależna od powierzchni. Razem, Rs i Rshunt pozwalają na odtworzenie kluczowych nieliniowości, które występują w rzeczywistych urządzeniach MAPbI₃ podczas eksperymentów.

2. Analiza właściwości urządzeń perowskitowych w ciemności.

Dotychczas wszystkie symulacje przeprowadzano przy oświetleniu spektrum AM1.5G. Ma to sens, jeśli celem jest prognozowanie mocy, ale badacze zajmujący się ogniwami słonecznymi wiedzą, że krzywe prądowo-napięciowe mierzone w ciemności często dostarczają głębszych informacji. Pomiar lub symulacja urządzenia bez oświetlenia eliminuje prąd fotoelektryczny i pozwala wyizolować straty elektroniczne w strukturze ogniwa. W wielu przypadkach krzywa mierzona w ciemności jest bardziej pouczająca niż krzywa mierzona przy oświetleniu, gdy chodzi o ustalenie, dlaczego ogniwo perowskitowe nie osiąga zakładanej wydajności.

W tym ćwiczeniu wyodrębnisz wartości Rshunt i Rs bezpośrednio z danych uzyskanych w ciemności. Aby wyłączyć oświetlenie w programie OghmaNano, przejdź do sekcji „Optical ribbon” (Taśma optyczna) → „Light intensity (suns)” (Natężenie światła (w jednostkach słonecznych)) i ustaw wartość na 0,0. Zielone znaczniki fotonów w panelu urządzenia 3D znikną, co potwierdzi, że model działa w warunkach braku oświetlenia (??).

Przyjrzyjmy się teraz, w jaki sposób pasożytnicze rezystancje wpływają na kształt krzywej. Zacznijmy od R_{odgałęzienie, omijać, omijać prąd} ustaw bardzo wysoką wartość (np. 1 MΩ·m²) i wykonaj pomiar w całym zakresie. Następnie zmniejsz ją do niskiej wartości (np. 1 Ω·m²). Porównaj, jak zmienia się nachylenie krzywej w pobliżu punktu początkowego: niska rezystancja boczna powoduje prądy upływu i tłumi napięcie V._OCNastępnie dostosuj. R_sNajpierw ustaw wartość na 0 Ω, a następnie zwiększ ją do 20 Ω. Porównaj zmiany w charakterystyce napięcia przewodzenia i współczynniku wypełnienia. Przedstaw wyniki na wykresie, gdzie oś X jest liniowa, a oś Y logarytmiczna.l) aby zmiany były bardziej czytelne. Rysunek ?? wskazuje, które obszary na charakterystyce prądowo-napięciowej ogniwa słonecznego odpowiadają prądom upływu, rekombinacji i rezystancji szeregowej. Pamiętaj: straty spowodowane rekombinacją w obszarze średnich napięć nie są kontrolowane przez R._{odgałęzienie, omijać, omijać prąd} lub R_s; w tym przypadku konieczna jest modyfikacja parametrów rekombinacji, o czym omówimy później.