Symulacja ogniwa słonecznego typu tandem, wykorzystującego perowskit i krzem, z uwzględnieniem rekombinacji na granicy międzywarstwowej.Symulacja ogniwa słonecznego typu tandem, wykorzystującego perowskit i krzem, z uwzględnieniem rekombinacji na granicy międzywarstwowej.
1. Wprowadzenie: dlaczego warto łączyć perowskity i krzem?1. Wprowadzenie: dlaczego warto łączyć perowskity i krzem?
Tandemowa ogniwo słoneczna, składająca się z perowskitu i krzemu, łączy w sobie warstwę perowskitu o szerokim zakresie absorpcji z warstwą krystalicznego krzemu o węższym zakresie absorpcji. Perowskit absorbuje fotony o wyższej energii, natomiast światło, które przechodzi przez górną warstwę, może być absorbowane przez krzem. Dzięki temu można efektywniej wykorzystać spektrum słoneczne niż w przypadku zastosowania którejkolwiek z tych warstw oddzielnie.Tandemowa ogniwo słoneczna, składająca się z perowskitu i krzemu, łączy w sobie warstwę perowskitu o szerokim zakresie absorpcji z warstwą krystalicznego krzemu o węższym zakresie absorpcji. Perowskit absorbuje fotony o wyższej energii, natomiast światło, które przechodzi przez górną warstwę, może być absorbowane przez krzem. Dzięki temu można efektywniej wykorzystać spektrum słoneczne niż w przypadku zastosowania którejkolwiek z tych warstw oddzielnie.
Ten przykład przedstawia monolityczną, dwuklemową (2T) strukturę tandemową. Dwie podkomórki przewodzą wspólny prąd, a ich fotonapięcia przyczyniają się do uzyskania całkowitego napięcia. Zamiast wyraźnie modelować cienką warstwę półprzewodnika łączącego, symulacja wykorzystuje granicę rekombinacji o zerowej grubości, znajdującą się na styku między obszarami perowskitu i krzemu.Ten przykład przedstawia monolityczną, dwuklemową (2T) strukturę tandemową. Dwie podkomórki przewodzą wspólny prąd, a ich fotonapięcia przyczyniają się do uzyskania całkowitego napięcia. Zamiast wyraźnie modelować cienką warstwę półprzewodnika łączącego, symulacja wykorzystuje granicę rekombinacji o zerowej grubości, znajdującą się na styku między obszarami perowskitu i krzemu.
Ta konstrukcja stanowi uproszczony model dydaktyczny, a nie w pełni dopracowane urządzenie przemysłowe wykorzystujące perowskity i krzem. Jej efektywny kontakt, parametry rekombinacji i pasma zostały dobrane w taki sposób, aby zademonstrować, jak współdziałają ze sobą połączenie elektryczne i generacja optyczna.Ta konstrukcja stanowi uproszczony model dydaktyczny, a nie w pełni dopracowane urządzenie przemysłowe wykorzystujące perowskity i krzem. Jej efektywny kontakt, parametry rekombinacji i pasma zostały dobrane w taki sposób, aby zademonstrować, jak współdziałają ze sobą połączenie elektryczne i generacja optyczna.
💡 Wskazówka: Modelowanie tandemowych ogniw słonecznych. Modelowanie tandemowych ogniw słonecznych jest bardziej skomplikowane niż modelowanie konwencjonalnych ogniw jednospojeniowych, ponieważ górna i dolna podkomórka muszą być elektrycznie połączone za pomocą złącza rekombinacyjnego. Celem jest umożliwienie rekombinacji elektronów z jednej podkomórki z dziurami z drugiej, łącząc obie komórki szeregowo, aby ich napięcia się sumowały. W programie OghmaNano istnieją dwa główne sposoby modelowania tego:💡 Wskazówka: Modelowanie tandemowych ogniw słonecznych. Modelowanie tandemowych ogniw słonecznych jest bardziej skomplikowane niż modelowanie konwencjonalnych ogniw jednospojeniowych, ponieważ górna i dolna podkomórka muszą być elektrycznie połączone za pomocą złącza rekombinacyjnego. Celem jest umożliwienie rekombinacji elektronów z jednej podkomórki z dziurami z drugiej, łącząc obie komórki szeregowo, aby ich napięcia się sumowały. W programie OghmaNano istnieją dwa główne sposoby modelowania tego:
1. Warstwa objętościowej rekombinacji: Wprowadza się fizyczną warstwę o skończonej grubości między dwiema ogniwami, charakteryzującą się wysokim współczynnikiem bimolekularnej rekombinacji. Pozwala to na dokładne modelowanie obszaru rekombinacji, ale bardzo wysokie współczynniki rekombinacji mogą wprowadzać duże wartości do macierzy Jacobiego Newtona, co czasami prowadzi do niestabilności numerycznej. Takie podejście jest prezentowane w instrukcji dotyczącej tandemowej ogniwa perowskitowo-krzemowej z wykorzystaniem warstwy objętościowej rekombinacji.1. Warstwa objętościowej rekombinacji: Wprowadza się fizyczną warstwę o skończonej grubości między dwiema ogniwami, charakteryzującą się wysokim współczynnikiem bimolekularnej rekombinacji. Pozwala to na dokładne modelowanie obszaru rekombinacji, ale bardzo wysokie współczynniki rekombinacji mogą wprowadzać duże wartości do macierzy Jacobiego Newtona, co czasami prowadzi do niestabilności numerycznej. Takie podejście jest prezentowane w instrukcji dotyczącej tandemowej ogniwa perowskitowo-krzemowej z wykorzystaniem warstwy objętościowej rekombinacji.
2. Rekombinacja na granicy międzywarstw: zamiast dodawać oddzielną warstwę, wprowadza się warstwę rekombinacyjną o zerowej grubości między dwiema podkomórkami. Standardowy mechanizm transportu przez dryf i dyfuzję na granicy międzywarstw zostaje wyłączony, co uniemożliwia bezpośredni przepływ elektronów i dziur między podkomórkami. Zamiast tego, komórki są elektrycznie połączone poprzez rekombinację elektronów i dziur na granicy międzywarstw. Pozwala to uniknąć konieczności stosowania sztucznej warstwy rekombinacyjnej, chociaż silne sprzężenie na granicy międzywarstw może nadal powodować problemy z konwergencją numeryczną. Takie podejście jest prezentowane w instrukcji dotyczącej tandemowej ogniwa perowskitowo-krzemowego z wykorzystaniem rekombinacji na granicy międzywarstw oraz w instrukcji dotyczącej organicznego tandemowego ogniwa słonecznego.2. Rekombinacja na granicy międzywarstw: zamiast dodawać oddzielną warstwę, wprowadza się warstwę rekombinacyjną o zerowej grubości między dwiema podkomórkami. Standardowy mechanizm transportu przez dryf i dyfuzję na granicy międzywarstw zostaje wyłączony, co uniemożliwia bezpośredni przepływ elektronów i dziur między podkomórkami. Zamiast tego, komórki są elektrycznie połączone poprzez rekombinację elektronów i dziur na granicy międzywarstw. Pozwala to uniknąć konieczności stosowania sztucznej warstwy rekombinacyjnej, chociaż silne sprzężenie na granicy międzywarstw może nadal powodować problemy z konwergencją numeryczną. Takie podejście jest prezentowane w instrukcji dotyczącej tandemowej ogniwa perowskitowo-krzemowego z wykorzystaniem rekombinacji na granicy międzywarstw oraz w instrukcji dotyczącej organicznego tandemowego ogniwa słonecznego.
Oba podejścia mają na celu odtworzenie elektrycznych właściwości tandemowej ogniwa słonecznego, w którym ogniwa są połączone szeregowo. Jednak symulacje tandemowe są zazwyczaj bardziej wymagające obliczeniowo niż symulacje pojedynczych ogniw, ponieważ populacje nośników, szybkości rekombinacji i potencjały elektrostatyczne w obu podogniwach są silnie powiązane. Dlatego ważne jest monitorowanie zbieżności i sprawdzanie, czy całkowity prąd jest taki sam w obu punktach elektrycznego połączenia.Oba podejścia mają na celu odtworzenie elektrycznych właściwości tandemowej ogniwa słonecznego, w którym ogniwa są połączone szeregowo. Jednak symulacje tandemowe są zazwyczaj bardziej wymagające obliczeniowo niż symulacje pojedynczych ogniw, ponieważ populacje nośników, szybkości rekombinacji i potencjały elektrostatyczne w obu podogniwach są silnie powiązane. Dlatego ważne jest monitorowanie zbieżności i sprawdzanie, czy całkowity prąd jest taki sam w obu punktach elektrycznego połączenia.
2. Omówienie przykładu ogniwa tandemowego wykorzystującego perowskit i krzem.2. Omówienie przykładu ogniwa tandemowego wykorzystującego perowskit i krzem.
Uruchom program OghmaNano i wybierz opcję „Nowa symulacja” (??). W przykładach dotyczących perowskitów wybierz komórkę tandemową perowskitowo-krzemową (warstwa rekombinacji na granicy), jak pokazano na ilustracji ??. Nie myl tego z osobnym przykładem dotyczącym warstwy rekombinacji w objętości, w którym stosuje się elektrycznie rozdzieloną warstwę pośrednią.Uruchom program OghmaNano i wybierz opcję „Nowa symulacja” (??). W przykładach dotyczących perowskitów wybierz komórkę tandemową perowskitowo-krzemową (warstwa rekombinacji na granicy), jak pokazano na ilustracji ??. Nie myl tego z osobnym przykładem dotyczącym warstwy rekombinacji w objętości, w którym stosuje się elektrycznie rozdzieloną warstwę pośrednią.
Przed zmianą parametrów należy zapisać kopię. Zakładka „Elektryka” umożliwia dostęp do edytorów warstw, kontaktów i interfejsów. Dostępne tryby symulacji można wybrać w zakładce „Typ symulacji” (??).Przed zmianą parametrów należy zapisać kopię. Zakładka „Elektryka” umożliwia dostęp do edytorów warstw, kontaktów i interfejsów. Dostępne tryby symulacji można wybrać w zakładce „Typ symulacji” (??).
💡 Wskazówka: Aby uzyskać optymalną wydajność, zapisz symulację na lokalnym dysku, na przykład C:\. Zapisywanie w folderach sieciowych, na dyskach USB lub w folderach synchronizowanych z chmurą może być wolniejsze ze względu na częste odczyty i zapisy plików.💡 Wskazówka: Aby uzyskać optymalną wydajność, zapisz symulację na lokalnym dysku, na przykład C:\. Zapisywanie w folderach sieciowych, na dyskach USB lub w folderach synchronizowanych z chmurą może być wolniejsze ze względu na częste odczyty i zapisy plików.
3. Budowa urządzenia i uruchomienie symulacji w trybie tandemowym.3. Budowa urządzenia i uruchomienie symulacji w trybie tandemowym.
Trójwymiarowa struktura urządzenia, składająca się z perowskitu i krzemu, przedstawiona jest na rysunku ??. Przykład ten obejmuje pięć warstw, w tym górną warstwę absorbującą, wykonaną z perowskitu o grubości 500 nm, oraz dolną warstwę absorbującą, wykonaną z krzemu o grubości 10 µm. Dwa aktywne obszary półprzewodnikowe są połączone granicą rekombinacji, która przebiega przez interfejs.Trójwymiarowa struktura urządzenia, składająca się z perowskitu i krzemu, przedstawiona jest na rysunku ??. Przykład ten obejmuje pięć warstw, w tym górną warstwę absorbującą, wykonaną z perowskitu o grubości 500 nm, oraz dolną warstwę absorbującą, wykonaną z krzemu o grubości 10 µm. Dwa aktywne obszary półprzewodnikowe są połączone granicą rekombinacji, która przebiega przez interfejs.
Kliknij opcję „Warstwy” na pasku narzędzi „Elektryczne”, aby otworzyć edytor warstw, jak pokazano na ilustracji ??. Warstwy oznaczone jako „Aktywne” są uwzględniane w rozwiązaniu opartym na modelu dryfu i dyfuzji. Warstwy oznaczone jako „Inne” pozostają w stosie optycznym, ale nie są rozwiązywane oddzielnie jako obszary półprzewodnikowe. Warstwy kontaktowe określają warunki brzegowe elektryczne i mogą być również reprezentowane w stosie optycznym. Kontakty muszą znajdować się po odpowiednich stronach aktywnego stosu.Kliknij opcję „Warstwy” na pasku narzędzi „Elektryczne”, aby otworzyć edytor warstw, jak pokazano na ilustracji ??. Warstwy oznaczone jako „Aktywne” są uwzględniane w rozwiązaniu opartym na modelu dryfu i dyfuzji. Warstwy oznaczone jako „Inne” pozostają w stosie optycznym, ale nie są rozwiązywane oddzielnie jako obszary półprzewodnikowe. Warstwy kontaktowe określają warunki brzegowe elektryczne i mogą być również reprezentowane w stosie optycznym. Kontakty muszą znajdować się po odpowiednich stronach aktywnego stosu.
| Warstwa (od przodu do tyłu)Warstwa (od przodu do tyłu) | GrubośćGrubość | Stanowisko związane z elektryką / Praca w dziedzinie elektrykiStanowisko związane z elektryką / Praca w dziedzinie elektryki |
|---|---|---|
| Warstwa kontaktowa (warstwa optyczna) znajdująca się z przodu.Warstwa kontaktowa (warstwa optyczna) znajdująca się z przodu. | 110 nm110 nm | Inne: zawiera element optyczny, nie jest to obszar półprzewodnikowy.Inne: zawiera element optyczny, nie jest to obszar półprzewodnikowy. |
| Kontakt z klientem/odbiorcą.Kontakt z klientem/odbiorcą. | 40 nm40 nm | Kontakt: określa warunek brzegowy dla przedniej części obwodu elektrycznego.Kontakt: określa warunek brzegowy dla przedniej części obwodu elektrycznego. |
| PerowskitPerowskit | 500 nm500 nm | Aktywny: górny element absorbujący promieniowanie o szerokim zakresie długości fal.Aktywny: górny element absorbujący promieniowanie o szerokim zakresie długości fal. |
| KrzemKrzem | 10 mikrometrów10 mikrometrów | Aktywny: dolny amortyzator o mniejszym skoku.Aktywny: dolny amortyzator o mniejszym skoku. |
| Kontakt od tyłu.Kontakt od tyłu. | 500 nm500 nm | Kontakt: określa warunek brzegowy dla tylnej części obwodu elektrycznego.Kontakt: określa warunek brzegowy dla tylnej części obwodu elektrycznego. |
Uruchom symulację, klikając niebieski przycisk „Uruchom symulację” lub naciskając klawisz F9. W oknie terminala wyświetlany jest postęp działania algorytmu Newtona (??). W tym konkretnym przykładzie wykorzystano profil generowania macierzy transferu do obliczeń elektrycznych J-V, a zakres przyłożonego napięcia wynosi od -0,1 do 2,4 V.Uruchom symulację, klikając niebieski przycisk „Uruchom symulację” lub naciskając klawisz F9. W oknie terminala wyświetlany jest postęp działania algorytmu Newtona (??). W tym konkretnym przykładzie wykorzystano profil generowania macierzy transferu do obliczeń elektrycznych J-V, a zakres przyłożonego napięcia wynosi od -0,1 do 2,4 V.
💡 Wskazówka: Choć wynik wyświetlany w terminalu może wydawać się skomplikowany, w rzeczywistości jest dość łatwy do odczytania. Oznaczenia „Lewy” i „Prawy” odnoszą się do lewego i prawego kontaktu elektrycznego. Wartości napięcia wskazują napięcie przyłożone do każdego z kontaktów, natomiast wartości prądu pokazują prąd przepływający przez każdy z kontaktów. Wartość w nawiasach błędu wskazuje, jak dobrze przebiegła symulacja. Wartość wykładnika błędu w zakresie od około -6 do -11 wskazuje na dobrą zbieżność, natomiast wartości w zakresie od -2 do 1 sugerują słabą zbieżność. Na koniec, czas podany w milisekundach (ms) wskazuje, ile czasu zajęło wykonanie danej iteracji Newtona.💡 Wskazówka: Choć wynik wyświetlany w terminalu może wydawać się skomplikowany, w rzeczywistości jest dość łatwy do odczytania. Oznaczenia „Lewy” i „Prawy” odnoszą się do lewego i prawego kontaktu elektrycznego. Wartości napięcia wskazują napięcie przyłożone do każdego z kontaktów, natomiast wartości prądu pokazują prąd przepływający przez każdy z kontaktów. Wartość w nawiasach błędu wskazuje, jak dobrze przebiegła symulacja. Wartość wykładnika błędu w zakresie od około -6 do -11 wskazuje na dobrą zbieżność, natomiast wartości w zakresie od -2 do 1 sugerują słabą zbieżność. Na koniec, czas podany w milisekundach (ms) wskazuje, ile czasu zajęło wykonanie danej iteracji Newtona.
Po zakończeniu obliczeń otwórz zakładkę „Wyniki”, którą można zobaczyć na ilustracji ??. Zawiera ona pliki wygenerowane podczas symulacji, w tym obliczoną charakterystykę J-V, rozkłady nośników ładunku wewnątrz urządzenia oraz informacje dotyczące symulacji.Po zakończeniu obliczeń otwórz zakładkę „Wyniki”, którą można zobaczyć na ilustracji ??. Zawiera ona pliki wygenerowane podczas symulacji, w tym obliczoną charakterystykę J-V, rozkłady nośników ładunku wewnątrz urządzenia oraz informacje dotyczące symulacji.
Kliknij dwukrotnie jv.csv, aby otworzyć wykres obliczonej charakterystyki prądowo-napięciowej (??). Dwie ogniwa są połączone elektrycznie szeregowo, dlatego przewodzą ten sam prąd, a ich fotonapięcia sumują się, tworząc całkowite napięcie na zaciskach.Kliknij dwukrotnie jv.csv, aby otworzyć wykres obliczonej charakterystyki prądowo-napięciowej (??). Dwie ogniwa są połączone elektrycznie szeregowo, dlatego przewodzą ten sam prąd, a ich fotonapięcia sumują się, tworząc całkowite napięcie na zaciskach.
Kliknij dwukrotnie sim_info.dat, aby otworzyć informacje o symulacji (??). Ten plik zawiera informacje o obliczonych parametrach działania urządzenia i ustawieniach symulacji. W podanym przykładzie zmierzona wartość VOC wynosi około 1,71 V, wartość JSC około −72,4 A m−2 (−7,24 mA cm−2), współczynnik wypełnienia wynosi około 0,402, a sprawność konwersji energii wynosi około 4,97%. Są to wyniki demonstracyjne, a nie zweryfikowane eksperymentalnie dane dotyczące parametrów.Kliknij dwukrotnie sim_info.dat, aby otworzyć informacje o symulacji (??). Ten plik zawiera informacje o obliczonych parametrach działania urządzenia i ustawieniach symulacji. W podanym przykładzie zmierzona wartość VOC wynosi około 1,71 V, wartość JSC około −72,4 A m−2 (−7,24 mA cm−2), współczynnik wypełnienia wynosi około 0,402, a sprawność konwersji energii wynosi około 4,97%. Są to wyniki demonstracyjne, a nie zweryfikowane eksperymentalnie dane dotyczące parametrów.
jv.csv.Obliczona charakterystyka J-V, uzyskana przez dwukrotne kliknięcie jv.csv.
sim_info.dat.Dane dotyczące symulacji oraz parametry wydajności, uzyskane z sim_info.dat.4. Parametry elektryczne i rekombinacja nośników ładunku w objętości materiału.4. Parametry elektryczne i rekombinacja nośników ładunku w objętości materiału.
W głównym oknie programu OghmaNano kliknij opcję „Parametry elektryczne”, aby sprawdzić mobilność nośników, efektywną gęstość stanów, przerwę energetyczną i powinowactwo elektronowe. Dwa zakładki dotyczące obszarów perowskitu i krzemu znajdują się na ilustracjach ?? i ??.W głównym oknie programu OghmaNano kliknij opcję „Parametry elektryczne”, aby sprawdzić mobilność nośników, efektywną gęstość stanów, przerwę energetyczną i powinowactwo elektronowe. Dwa zakładki dotyczące obszarów perowskitu i krzemu znajdują się na ilustracjach ?? i ??.
Uproszczony model wykorzystuje następujące parametry. Obszar krzemu jest reprezentowany przez efektywne parametry transportu w objętości; symulacja nie uwzględnia pełnej sekwencji procesów obróbki wafla, struktury powierzchni ani każdej warstwy kontaktowej.Uproszczony model wykorzystuje następujące parametry. Obszar krzemu jest reprezentowany przez efektywne parametry transportu w objętości; symulacja nie uwzględnia pełnej sekwencji procesów obróbki wafla, struktury powierzchni ani każdej warstwy kontaktowej.
| ParametrParametr | PerowskitPerowskit | KrzemKrzem |
|---|---|---|
| GrubośćGrubość | 500 nm500 nm | 10 mikrometrów10 mikrometrów |
| Energia przerwy wzbronionej, EgEnergia przerwy wzbronionej, Eg | 1,63 eV1,63 eV | 1,12 eV1,12 eV |
| Elektronowa powinowactwo, χElektronowa powinowactwo, χ | 4,12 eV4,12 eV | 4,05 eV4,05 eV |
| Mobilność elektronów, μnMobilność elektronów, μn | 3,5 × 10⁻³ m²/V·s3,5 × 10⁻³ m²/V·s | 0,135 m²/s0,135 m²/s |
| Mobilność dziur, μpMobilność dziur, μp | 3,5 × 10⁻³ m²/V·s3,5 × 10⁻³ m²/V·s | 0,045 m²/s0,045 m²/s |
| Efektywna gęstość stanów elektronów, NcEfektywna gęstość stanów elektronów, Nc | 1 × 10^26 m⁻³1 × 10^26 m⁻³ | 2,8 × 10^25 m⁻³2,8 × 10^25 m⁻³ |
| Efektywna gęstość stanów w dozkach, NvEfektywna gęstość stanów w dozkach, Nv | 1 × 10 do potęgi 25 m do potęgi minus 31 × 10 do potęgi 25 m do potęgi minus 3 | 1,7 × 10^25 m⁻³1,7 × 10^25 m⁻³ |
| Współczynnik rekombinacji typu „wolny-wolny”.Współczynnik rekombinacji typu „wolny-wolny”. | 1 × 10⁻¹⁷ m³/s1 × 10⁻¹⁷ m³/s | 1 × 10⁻¹⁷ m³/s1 × 10⁻¹⁷ m³/s |
W obu aktywnych obszarach w tym przykładzie wykorzystywana jest rekombinacja objętościowa typu „wolny nośnik – wolny nośnik” (bimolekularna). Odpowiadający temu współczynnik jest ustawiony na wartość 10−17 m³ s−1 w każdym z materiałów. Opcja SRH z jednym poziomem nie jest włączona w dostarczonej konfiguracji, a model elektryczny nie zawiera rozdzielonej siatki pułapek SRH z wieloma pasmami.W obu aktywnych obszarach w tym przykładzie wykorzystywana jest rekombinacja objętościowa typu „wolny nośnik – wolny nośnik” (bimolekularna). Odpowiadający temu współczynnik jest ustawiony na wartość 10−17 m³ s−1 w każdym z materiałów. Opcja SRH z jednym poziomem nie jest włączona w dostarczonej konfiguracji, a model elektryczny nie zawiera rozdzielonej siatki pułapek SRH z wieloma pasmami.
\[ R_{\mathrm{bulk}}=B\left(np-n^{eq}p^{eq}\right). \]Termin „rekombinacja objętościowa” odnosi się do rekombinacji zachodzącej wewnątrz każdego z półprzewodników. Różni się on od rekombinacji międzywarstwowej, która łączy elektrycznie obie podkomórki. W bardziej szczegółowym lub skalibrowanym modelu urządzenia należy wybrać mechanizmy strat objętościowych, domieszkowanie, współczynniki rekombinacji i właściwości międzywarstw na podstawie danych eksperymentalnych.Termin „rekombinacja objętościowa” odnosi się do rekombinacji zachodzącej wewnątrz każdego z półprzewodników. Różni się on od rekombinacji międzywarstwowej, która łączy elektrycznie obie podkomórki. W bardziej szczegółowym lub skalibrowanym modelu urządzenia należy wybrać mechanizmy strat objętościowych, domieszkowanie, współczynniki rekombinacji i właściwości międzywarstw na podstawie danych eksperymentalnych.
5. Złącze rekombinacyjne o zerowej grubości.5. Złącze rekombinacyjne o zerowej grubości.
W rzeczywistej ogniwie słonecznej tandemowej dwa elementy fotowoltaiczne są połączone warstwą łączącą lub rekombinacyjną. Obszar ten umożliwia rekombinację elektronów docierających z jednego podogniwa z dziurami docierającymi z drugiego, zapewniając połączenie elektryczne między obiema warstwami. W praktyce warstwa łącząca może składać się z kilku cienkich warstw transportujących elektrony i dziury, a także z materiału aktywnego w procesie rekombinacji, takiego jak cienka warstwa metalu lub przewodzącego tlenku.W rzeczywistej ogniwie słonecznej tandemowej dwa elementy fotowoltaiczne są połączone warstwą łączącą lub rekombinacyjną. Obszar ten umożliwia rekombinację elektronów docierających z jednego podogniwa z dziurami docierającymi z drugiego, zapewniając połączenie elektryczne między obiema warstwami. W praktyce warstwa łącząca może składać się z kilku cienkich warstw transportujących elektrony i dziury, a także z materiału aktywnego w procesie rekombinacji, takiego jak cienka warstwa metalu lub przewodzącego tlenku.
Jednym ze sposobów modelowania tego obszaru jest wprowadzenie cienkiej warstwy półprzewodnikowej o bardzo wysokim współczynniku rekombinacji bimolekularnej. Chociaż pozwala to odtworzyć wymagane zachowanie rekombinacji, łączenie bardzo cienkich warstw z bardzo wysokimi współczynnikami rekombinacji może spowodować, że równania numeryczne staną się „sztywne” i trudne do rozwiązania. Bardziej efektywnym podejściem, szczególnie gdy wewnętrzna struktura połączenia nie jest istotna, jest zastąpienie go nieskończenie cienką warstwą rekombinacyjną. To podejście jest stosowane w obecnej symulacji tandemowej.Jednym ze sposobów modelowania tego obszaru jest wprowadzenie cienkiej warstwy półprzewodnikowej o bardzo wysokim współczynniku rekombinacji bimolekularnej. Chociaż pozwala to odtworzyć wymagane zachowanie rekombinacji, łączenie bardzo cienkich warstw z bardzo wysokimi współczynnikami rekombinacji może spowodować, że równania numeryczne staną się „sztywne” i trudne do rozwiązania. Bardziej efektywnym podejściem, szczególnie gdy wewnętrzna struktura połączenia nie jest istotna, jest zastąpienie go nieskończenie cienką warstwą rekombinacyjną. To podejście jest stosowane w obecnej symulacji tandemowej.
Interfejs jest konfigurowany za pomocą edytora Edytor interfejsu, którego widok przedstawiono na ??. Dodatkowe informacje na temat podstawowych równań transportu można znaleźć w teoria interfejsu półprzewodników. Wybierz interfejs perovskit/krzem, aby sprawdzić parametry rekombinacji i transportu.Interfejs jest konfigurowany za pomocą edytora Edytor interfejsu, którego widok przedstawiono na ??. Dodatkowe informacje na temat podstawowych równań transportu można znaleźć w teoria interfejsu półprzewodników. Wybierz interfejs perovskit/krzem, aby sprawdzić parametry rekombinacji i transportu.
W tym modelu ruchliwość elektronów i dziur na granicy jest ustawiona na zero. Powoduje to wyłączenie konwencjonalnego transportu elektronów i dziur poprzez dryf i dyfuzję przez granicę, co w praktyce eliminuje standardowe człony transportu łączące sąsiednie punkty siatki. Zamiast tego, dwie podkomórki są elektrycznie połączone za pomocą mechanizmu rekombinacji międzygranicznej, który umożliwia bezpośrednią rekombinację elektronu po jednej stronie granicy z dziurą po drugiej stronie.W tym modelu ruchliwość elektronów i dziur na granicy jest ustawiona na zero. Powoduje to wyłączenie konwencjonalnego transportu elektronów i dziur poprzez dryf i dyfuzję przez granicę, co w praktyce eliminuje standardowe człony transportu łączące sąsiednie punkty siatki. Zamiast tego, dwie podkomórki są elektrycznie połączone za pomocą mechanizmu rekombinacji międzygranicznej, który umożliwia bezpośrednią rekombinację elektronu po jednej stronie granicy z dziurą po drugiej stronie.
Mechanizm rekombinacji powoduje usunięcie elektronu z jednej strony złącza i dziury z drugiej strony. Dwa możliwe sposoby tworzenia par nośników ładunku są opisane przez:Mechanizm rekombinacji powoduje usunięcie elektronu z jednej strony złącza i dziury z drugiej strony. Dwa możliwe sposoby tworzenia par nośników ładunku są opisane przez:
\[ R_{l2r}=K_{l2r}\left(n_Lp_R-n_L^{eq}p_R^{eq}\right), \] \[ R_{r2l}=K_{r2l}\left(n_Rp_L-n_R^{eq}p_L^{eq}\right). \]W tym przypadku \(L\) i \(R\) oznaczają punkty siatki znajdujące się bezpośrednio po lewej i prawej stronie granicy, natomiast górny indeks \(eq\) oznacza równowagowe stężenia nośników. Współczynniki \(K_{l2r}\) i \(K_{r2l}\) mają jednostki m4 s−1, co odpowiada szybkościom rekombinacji na jednostkę powierzchni, wyrażonym w m−2 s−1. Odpowiadająca temu gęstość prądu rekombinacji wynosi \(J_{\mathrm{rec}}=qR\). Odjęcie iloczynu równowagowych stężeń nośników zapewnia, że wypadkowa szybkość rekombinacji wynosi zero w stanie równowagi termicznej.W tym przypadku \(L\) i \(R\) oznaczają punkty siatki znajdujące się bezpośrednio po lewej i prawej stronie granicy, natomiast górny indeks \(eq\) oznacza równowagowe stężenia nośników. Współczynniki \(K_{l2r}\) i \(K_{r2l}\) mają jednostki m4 s−1, co odpowiada szybkościom rekombinacji na jednostkę powierzchni, wyrażonym w m−2 s−1. Odpowiadająca temu gęstość prądu rekombinacji wynosi \(J_{\mathrm{rec}}=qR\). Odjęcie iloczynu równowagowych stężeń nośników zapewnia, że wypadkowa szybkość rekombinacji wynosi zero w stanie równowagi termicznej.
W tym przykładzie dominujący kanał łączy elektrony w krzemie (po prawej) z dziurami w perowskicie (po lewej). W przedstawionej konfiguracji współczynniki wynoszą \(K_{r2l}=10^{-2}\,\mathrm{m^4\,s^{-1}}\) i \(K_{l2r}=10^{-25}\,\mathrm{m^4\,s^{-1}}\). Duża różnica między tymi wartościami powoduje, że rekombinacja jest silnie kierunkowa, co jest wymagane przez układ dwóch ogniw fotowoltaicznych.W tym przykładzie dominujący kanał łączy elektrony w krzemie (po prawej) z dziurami w perowskicie (po lewej). W przedstawionej konfiguracji współczynniki wynoszą \(K_{r2l}=10^{-2}\,\mathrm{m^4\,s^{-1}}\) i \(K_{l2r}=10^{-25}\,\mathrm{m^4\,s^{-1}}\). Duża różnica między tymi wartościami powoduje, że rekombinacja jest silnie kierunkowa, co jest wymagane przez układ dwóch ogniw fotowoltaicznych.
Celem zastosowania warstwy rekombinacyjnej jest zapewnienie elektrycznego połączenia między poszczególnymi ogniwami, przy jednoczesnym umożliwieniu sumowania generowanych przez nie napięć fotowoltaicznych. Efektywne połączenie zbliża do siebie odpowiednie poziomy quasi-Fermiego dla elektronów i dziur w centralnej części urządzenia, minimalizując straty napięcia na złączu rekombinacyjnym.Celem zastosowania warstwy rekombinacyjnej jest zapewnienie elektrycznego połączenia między poszczególnymi ogniwami, przy jednoczesnym umożliwieniu sumowania generowanych przez nie napięć fotowoltaicznych. Efektywne połączenie zbliża do siebie odpowiednie poziomy quasi-Fermiego dla elektronów i dziur w centralnej części urządzenia, minimalizując straty napięcia na złączu rekombinacyjnym.
Zgodnie ze statystyką Boltzmanna, liczba elektronów po prawej stronie i liczba dziur po lewej stronie jest powiązana z różnicą ich quasi-poziomów Fermiego poprzez następującą zależność:Zgodnie ze statystyką Boltzmanna, liczba elektronów po prawej stronie i liczba dziur po lewej stronie jest powiązana z różnicą ich quasi-poziomów Fermiego poprzez następującą zależność:
\[ n_Rp_L=n_R^{eq}p_L^{eq} \exp\left(\frac{E_{Fn,R}-E_{Fp,L}}{k_BT}\right). \]W związku z tym prąd rekombinacji można zapisać w następujący sposób:W związku z tym prąd rekombinacji można zapisać w następujący sposób:
\[ J_{\mathrm{rec}}= qK_{r2l}n_R^{eq}p_L^{eq} \left[ \exp\left(\frac{E_{Fn,R}-E_{Fp,L}}{k_BT}\right)-1 \right]. \]Wraz ze wzrostem współczynnika rekombinacji, potrzeba mniejszej odległości między \(E_{Fn,R}\) a \(E_{Fp,L}\), aby utrzymać ten sam prąd. W przypadku silnej rekombinacji, te dwa quasi-poziomy Fermiego zbliżają się do siebie, tworząc efektywny kontakt rekombinacyjny między ogniwami. Dzięki temu fotonapięcie generowane przez każde ogniwo może przyczyniać się do całkowitego napięcia ogniwa tandemowego, jednocześnie zmniejszając straty napięcia związane z połączeniem.Wraz ze wzrostem współczynnika rekombinacji, potrzeba mniejszej odległości między \(E_{Fn,R}\) a \(E_{Fp,L}\), aby utrzymać ten sam prąd. W przypadku silnej rekombinacji, te dwa quasi-poziomy Fermiego zbliżają się do siebie, tworząc efektywny kontakt rekombinacyjny między ogniwami. Dzięki temu fotonapięcie generowane przez każde ogniwo może przyczyniać się do całkowitego napięcia ogniwa tandemowego, jednocześnie zmniejszając straty napięcia związane z połączeniem.
W przypadku dwóch ogniw połączonych elektrycznie szeregowo, gęstość prądu jest taka sama dla obu ogniw; nie jest to suma oddzielnych prądów fotowoltaicznych. Charakterystyczną cechą krzywej J-V ogniwa fotowoltaicznego jest gęstość prądu zwarciowego, napięcie w stanie otwartym i punkt maksymalnej mocy, pod warunkiem że symulowany zakres napięcia obejmuje te punkty pracy.W przypadku dwóch ogniw połączonych elektrycznie szeregowo, gęstość prądu jest taka sama dla obu ogniw; nie jest to suma oddzielnych prądów fotowoltaicznych. Charakterystyczną cechą krzywej J-V ogniwa fotowoltaicznego jest gęstość prądu zwarciowego, napięcie w stanie otwartym i punkt maksymalnej mocy, pod warunkiem że symulowany zakres napięcia obejmuje te punkty pracy.
\[FF=\frac{|J_{mpp}V_{mpp}|}{|J_{SC}|V_{OC}},\qquad \eta=\frac{|J_{mpp}V_{mpp}|}{P_{in}}.\]Zinterpretuj kształt i charakter wyświetlanego przebiegu J-V, korzystając z aktualnie obowiązujących konwencji symulacji. Przedstawiony przykład ilustruje sprzężoną odpowiedź elektryczną; nie należy go traktować jako zweryfikowanego eksperymentalnie wskaźnika wydajności. Przed podaniem danych liczbowych dotyczących parametrów, sprawdź zawartość pliku CSV.Zinterpretuj kształt i charakter wyświetlanego przebiegu J-V, korzystając z aktualnie obowiązujących konwencji symulacji. Przedstawiony przykład ilustruje sprzężoną odpowiedź elektryczną; nie należy go traktować jako zweryfikowanego eksperymentalnie wskaźnika wydajności. Przed podaniem danych liczbowych dotyczących parametrów, sprawdź zawartość pliku CSV.
💡 Wskazówka: w tym przykładzie ruchliwość elektronów i dziur na granicy ustawiono na zero. Powoduje to wyłączenie konwencjonalnego transportu przez dryf i dyfuzję na granicy, zastępując go mechanizmem rekombinacji międzygranicznej, który elektrycznie łączy obie podkomórki. Oba mechanizmy można również stosować razem, przypisując niezerowe wartości ruchliwości na granicy, chociaż może to poprawić lub pogorszyć stabilność numeryczną, w zależności od konfiguracji urządzenia.💡 Wskazówka: w tym przykładzie ruchliwość elektronów i dziur na granicy ustawiono na zero. Powoduje to wyłączenie konwencjonalnego transportu przez dryf i dyfuzję na granicy, zastępując go mechanizmem rekombinacji międzygranicznej, który elektrycznie łączy obie podkomórki. Oba mechanizmy można również stosować razem, przypisując niezerowe wartości ruchliwości na granicy, chociaż może to poprawić lub pogorszyć stabilność numeryczną, w zależności od konfiguracji urządzenia.
Współczynnik rekombinacji, określający interakcję między elektronami po prawej stronie a dziurami po lewej, kontroluje podstawowe sprzężenie elektryczne między dwiema podkomórkami, umożliwiając rekombinację elektronów z prawej podkomórki z dziurami z lewej podkomórki. Zwiększenie tego współczynnika zazwyczaj wzmacnia sprzężenie. Jednak szybkość rekombinacji zależy od iloczynu stężeń elektronów i dziur, pomnożonego przez współczynnik rekombinacji. W konsekwencji bardzo duże wartości, takie jak 1e-2 użyte w podanym przykładzie, mogą wprowadzać bardzo duże składniki do macierzy Jacobiego Newtona i powodować niestabilność numeryczną.Współczynnik rekombinacji, określający interakcję między elektronami po prawej stronie a dziurami po lewej, kontroluje podstawowe sprzężenie elektryczne między dwiema podkomórkami, umożliwiając rekombinację elektronów z prawej podkomórki z dziurami z lewej podkomórki. Zwiększenie tego współczynnika zazwyczaj wzmacnia sprzężenie. Jednak szybkość rekombinacji zależy od iloczynu stężeń elektronów i dziur, pomnożonego przez współczynnik rekombinacji. W konsekwencji bardzo duże wartości, takie jak 1e-2 użyte w podanym przykładzie, mogą wprowadzać bardzo duże składniki do macierzy Jacobiego Newtona i powodować niestabilność numeryczną.
Podczas regulacji parametrów interfejsu należy sprawdzić, czy wartości prądów w lewym i prawym zacisku zgadzają się w wynikach symulacji. W stabilnej symulacji, która osiągnęła stan ustalony, całkowity prąd musi być taki sam w obu punktach połączenia. Znaczna różnica wskazuje na problem z konwergencją lub zachowaniem prądu.Podczas regulacji parametrów interfejsu należy sprawdzić, czy wartości prądów w lewym i prawym zacisku zgadzają się w wynikach symulacji. W stabilnej symulacji, która osiągnęła stan ustalony, całkowity prąd musi być taki sam w obu punktach połączenia. Znaczna różnica wskazuje na problem z konwergencją lub zachowaniem prądu.
Współczynnik rekombinacji elektronów po lewej stronie z dziurami po prawej stronie kontroluje odwrotny proces rekombinacji, umożliwiając rekombinację elektronów z lewej podkomórki z dziurami z prawej podkomórki. W tym urządzeniu pełni on głównie funkcję dodatkowego mechanizmu strat związanych z rekombinacją. Zwiększenie tego współczynnika może znacząco obniżyć napięcie w obwodzie otwartym (VOC) i zmniejszyć przewagę napięciową wynikającą z zastosowania struktury tandemowej. Z kolei zmniejszenie tego współczynnika tłumi niepożądane procesy rekombinacji i może zwiększyć VOC.Współczynnik rekombinacji elektronów po lewej stronie z dziurami po prawej stronie kontroluje odwrotny proces rekombinacji, umożliwiając rekombinację elektronów z lewej podkomórki z dziurami z prawej podkomórki. W tym urządzeniu pełni on głównie funkcję dodatkowego mechanizmu strat związanych z rekombinacją. Zwiększenie tego współczynnika może znacząco obniżyć napięcie w obwodzie otwartym (VOC) i zmniejszyć przewagę napięciową wynikającą z zastosowania struktury tandemowej. Z kolei zmniejszenie tego współczynnika tłumi niepożądane procesy rekombinacji i może zwiększyć VOC.
6. Struktura pasmowa i quasi-poziomy Fermiego6. Struktura pasmowa i quasi-poziomy Fermiego
Aby zbadać, w jaki sposób działają elektrycznie obie podkomórki, otwórz folder ze zrzutami ekranu w zakładce „Wyniki”. Spowoduje to uruchomienie programu do przeglądania zrzutów ekranu, który umożliwia analizę wewnętrznych właściwości elektrycznych urządzenia przy różnych przyłożonych napięciach. Kliknij przycisk „+” i dodaj pliki Ec.csv, Ev.csv, Fn.csv i Fp.csv, aby wyświetlić odpowiednio krawędź pasma przewodnictwa, krawędź pasma walencyjnego, quasi-poziom Fermiego elektronów i quasi-poziom Fermiego dziur. Szczegółowe instrukcje znajdują się w dokumentacji programu Przeglądarka zrzutów ekranu.Aby zbadać, w jaki sposób działają elektrycznie obie podkomórki, otwórz folder ze zrzutami ekranu w zakładce „Wyniki”. Spowoduje to uruchomienie programu do przeglądania zrzutów ekranu, który umożliwia analizę wewnętrznych właściwości elektrycznych urządzenia przy różnych przyłożonych napięciach. Kliknij przycisk „+” i dodaj pliki Ec.csv, Ev.csv, Fn.csv i Fp.csv, aby wyświetlić odpowiednio krawędź pasma przewodnictwa, krawędź pasma walencyjnego, quasi-poziom Fermiego elektronów i quasi-poziom Fermiego dziur. Szczegółowe instrukcje znajdują się w dokumentacji programu Przeglądarka zrzutów ekranu.
Suwak umieszczony w dolnej części okna umożliwia przesuwanie się wzdłuż zakresu zmian napięcia. Cztery przykłady przedstawione w ??–?? ilustrują zmiany w strukturze pasmowej w miarę wzrostu przyłożonego napięcia w symulowanym zakresie polaryzacji. Wykresy dotyczą obszaru o grubości około 10 µm, w którym górna warstwa o grubości 500 nm składa się z perowskitu, a pozostała aktywna część to krzem.Suwak umieszczony w dolnej części okna umożliwia przesuwanie się wzdłuż zakresu zmian napięcia. Cztery przykłady przedstawione w ??–?? ilustrują zmiany w strukturze pasmowej w miarę wzrostu przyłożonego napięcia w symulowanym zakresie polaryzacji. Wykresy dotyczą obszaru o grubości około 10 µm, w którym górna warstwa o grubości 500 nm składa się z perowskitu, a pozostała aktywna część to krzem.
Niebieskie i czerwone krzywe oznaczają odpowiednio granice ruchliwości elektronów przewodzących i elektronów walencyjnych, natomiast zielone i cyjanowe krzywe przedstawiają quasi-poziomy Fermiego dla elektronów i dziur. Pod wpływem oświetlenia, różnica między quasi-poziomami Fermiego dla elektronów i dziur odzwierciedla lokalne, nielokalne równowagowe populacje nośników i jest ściśle związana z fotonapięciem generowanym przez każdą podkomórkę.Niebieskie i czerwone krzywe oznaczają odpowiednio granice ruchliwości elektronów przewodzących i elektronów walencyjnych, natomiast zielone i cyjanowe krzywe przedstawiają quasi-poziomy Fermiego dla elektronów i dziur. Pod wpływem oświetlenia, różnica między quasi-poziomami Fermiego dla elektronów i dziur odzwierciedla lokalne, nielokalne równowagowe populacje nośników i jest ściśle związana z fotonapięciem generowanym przez każdą podkomórkę.
W ogniwie słonecznym tandemowym dwa elementy fotowoltaiczne są połączone szeregowo. W rezultacie, napięcia generowane przez oba podogniwa sumują się. Można to wyraźnie zaobserwować na wykresie ??, który przedstawia stan ogniwa przy otwartym obwodzie. Różnica poziomów quasi-Fermiego w każdym z elementów absorbujących przyczynia się do całkowitego napięcia na zaciskach, co pozwala ogniwu tandemowemu generować napięcie przy otwartym obwodzie wynoszące około 1,71 V w danym obwodzie, odzwierciedlając wkład obu obszarów półprzewodnikowych.W ogniwie słonecznym tandemowym dwa elementy fotowoltaiczne są połączone szeregowo. W rezultacie, napięcia generowane przez oba podogniwa sumują się. Można to wyraźnie zaobserwować na wykresie ??, który przedstawia stan ogniwa przy otwartym obwodzie. Różnica poziomów quasi-Fermiego w każdym z elementów absorbujących przyczynia się do całkowitego napięcia na zaciskach, co pozwala ogniwu tandemowemu generować napięcie przy otwartym obwodzie wynoszące około 1,71 V w danym obwodzie, odzwierciedlając wkład obu obszarów półprzewodnikowych.
Kolejną ważną cechą jest gwałtowna zmiana poziomów quasi-Fermiego w odległości około 0,5 µm od aktywnej elektrycznie warstwy, co odpowiada granicy między perowskitem a krzemem. W tym miejscu model rekombinacji na granicy łączy obie podkomórki. Duży współczynnik rekombinacji umożliwia efektywną rekombinację elektronów po prawej stronie z dziurami po lewej, co prowadzi do zbliżenia się poziomów quasi-Fermiego w obu obszarach do tej samej wartości energetycznej.Kolejną ważną cechą jest gwałtowna zmiana poziomów quasi-Fermiego w odległości około 0,5 µm od aktywnej elektrycznie warstwy, co odpowiada granicy między perowskitem a krzemem. W tym miejscu model rekombinacji na granicy łączy obie podkomórki. Duży współczynnik rekombinacji umożliwia efektywną rekombinację elektronów po prawej stronie z dziurami po lewej, co prowadzi do zbliżenia się poziomów quasi-Fermiego w obu obszarach do tej samej wartości energetycznej.
Takie zachowanie jest szczególnie ważne w przypadku pracy w układzie tandemowym. Silna ścieżka rekombinacji umożliwia przepływ prądu przez warstwę styku przy niewielkiej odległości między odpowiednimi poziomami quasi-Fermiego, minimalizując straty napięcia na połączeniu. Profile poziomów quasi-Fermiego są również ograniczone przez lokalne prądy nośników i właściwości transportowe w każdej z warstw absorbujących. W rezultacie, obie podkomórki pozostają elektrycznie połączone, zachowując jednocześnie indywidualny rozszczepienie poziomów quasi-Fermiego i wkład w całkowite napięcie układu tandemowego.Takie zachowanie jest szczególnie ważne w przypadku pracy w układzie tandemowym. Silna ścieżka rekombinacji umożliwia przepływ prądu przez warstwę styku przy niewielkiej odległości między odpowiednimi poziomami quasi-Fermiego, minimalizując straty napięcia na połączeniu. Profile poziomów quasi-Fermiego są również ograniczone przez lokalne prądy nośników i właściwości transportowe w każdej z warstw absorbujących. W rezultacie, obie podkomórki pozostają elektrycznie połączone, zachowując jednocześnie indywidualny rozszczepienie poziomów quasi-Fermiego i wkład w całkowite napięcie układu tandemowego.
7. Rozkłady prądów elektronów i dziur.7. Rozkłady prądów elektronów i dziur.
Gęstości prądu elektronów i dziur stanowią kolejny przydatny sposób na zrozumienie, w jaki sposób połączone są dwie podkomórki – perowskitowa i krzemowa. Otwórz folder ze zrzutami ekranu w zakładce „Wyniki” i użyj przycisku „+”, aby dodać pliki Jn.csv i Jp.csv do przeglądarki zrzutów ekranu. Pliki te zawierają odpowiednio gęstości prądu elektronów i dziur. Następnie można użyć suwaka, aby sprawdzić, jak zmieniają się prądy wraz ze wzrostem przyłożonego napięcia. Szczegółowe informacje na temat korzystania z tego narzędzia można znaleźć w dokumentacji przeglądarki zrzutów ekranu Dokumentacja przeglądarki zrzutów ekranu.Gęstości prądu elektronów i dziur stanowią kolejny przydatny sposób na zrozumienie, w jaki sposób połączone są dwie podkomórki – perowskitowa i krzemowa. Otwórz folder ze zrzutami ekranu w zakładce „Wyniki” i użyj przycisku „+”, aby dodać pliki Jn.csv i Jp.csv do przeglądarki zrzutów ekranu. Pliki te zawierają odpowiednio gęstości prądu elektronów i dziur. Następnie można użyć suwaka, aby sprawdzić, jak zmieniają się prądy wraz ze wzrostem przyłożonego napięcia. Szczegółowe informacje na temat korzystania z tego narzędzia można znaleźć w dokumentacji przeglądarki zrzutów ekranu Dokumentacja przeglądarki zrzutów ekranu.
Cztery zdjęcia przedstawione na ilustracjach ??–?? pokazują aktualny rozkład parametrów w czterech punktach podczas zmiany przyłożonego napięcia. Niebieska krzywa reprezentuje gęstość prądu elektronów, a czerwona krzywa – gęstość prądu dziur.Cztery zdjęcia przedstawione na ilustracjach ??–?? pokazują aktualny rozkład parametrów w czterech punktach podczas zmiany przyłożonego napięcia. Niebieska krzywa reprezentuje gęstość prądu elektronów, a czerwona krzywa – gęstość prądu dziur.
W przedstawionym przykładzie, przy niskich przyłożonych napięciach, prąd jest głównie przenoszony przez elektrony w perowskicie po lewej stronie oraz przez dziury w krzemie po prawej stronie. W przybliżeniu w odległości 0,5 µm od aktywnej warstwy, na granicy między dwoma materiałami absorbującymi, prąd elektronowy gwałtownie maleje, natomiast prąd dziur rośnie. Jest to charakterystyczne zachowanie złącza rekombinacyjnego, o którym mowa w poprzedniej sekcji.W przedstawionym przykładzie, przy niskich przyłożonych napięciach, prąd jest głównie przenoszony przez elektrony w perowskicie po lewej stronie oraz przez dziury w krzemie po prawej stronie. W przybliżeniu w odległości 0,5 µm od aktywnej warstwy, na granicy między dwoma materiałami absorbującymi, prąd elektronowy gwałtownie maleje, natomiast prąd dziur rośnie. Jest to charakterystyczne zachowanie złącza rekombinacyjnego, o którym mowa w poprzedniej sekcji.
Mechanizm rekombinacji na granicy międzyfazowej powoduje usunięcie elektronu z jednej strony granicy i dziury z drugiej strony. Chociaż poszczególne prądy elektronowe i prądy dziur mogą gwałtownie zmieniać się w tym obszarze, ich suma pozostaje w przybliżeniu stała:Mechanizm rekombinacji na granicy międzyfazowej powoduje usunięcie elektronu z jednej strony granicy i dziury z drugiej strony. Chociaż poszczególne prądy elektronowe i prądy dziur mogą gwałtownie zmieniać się w tym obszarze, ich suma pozostaje w przybliżeniu stała:
\[ J_{\mathrm{total}}=J_n+J_p. \]Jest to ważny wynik. W stanie ustalonym całkowity prąd elektryczny musi być zachowany w całym układzie tandemowym, mimo że względny udział elektronów i dziur zmienia się między dwiema podkomórkami. Warstwa rekombinacji zapewnia połączenie elektryczne bez konieczności przemieszczania się nośników ładunku lub ich dyfuzji bezpośrednio przez granicę.Jest to ważny wynik. W stanie ustalonym całkowity prąd elektryczny musi być zachowany w całym układzie tandemowym, mimo że względny udział elektronów i dziur zmienia się między dwiema podkomórkami. Warstwa rekombinacji zapewnia połączenie elektryczne bez konieczności przemieszczania się nośników ładunku lub ich dyfuzji bezpośrednio przez granicę.
W pobliżu napięcia w obwodzie otwartym, wynoszącego około 1,71 V, prąd zewnętrzny zbliża się do zera. Jednak procesy fotogeneracji i rekombinacji nadal zachodzą wewnątrz urządzenia, dlatego lokalne prądy elektronów i dziur nie muszą zanikać indywidualnie. To pomaga wyjaśnić, dlaczego niektóre zdjęcia pokazują wyraźne zmiany w poszczególnych składowych prądu w pobliżu obszaru rekombinacji, mimo że całkowity prąd na zaciskach jest niewielki.W pobliżu napięcia w obwodzie otwartym, wynoszącego około 1,71 V, prąd zewnętrzny zbliża się do zera. Jednak procesy fotogeneracji i rekombinacji nadal zachodzą wewnątrz urządzenia, dlatego lokalne prądy elektronów i dziur nie muszą zanikać indywidualnie. To pomaga wyjaśnić, dlaczego niektóre zdjęcia pokazują wyraźne zmiany w poszczególnych składowych prądu w pobliżu obszaru rekombinacji, mimo że całkowity prąd na zaciskach jest niewielki.
Oprócz napięcia w obwodzie otwartym, w strukturze tandemowej występuje polaryzacja przewodnia, a kierunek prądu na elektrodach się zmienia. Wielkość prądu wstrzykiwanego rośnie wraz ze wzrostem polaryzacji. Nadal działa ten sam mechanizm na granicy międzywarstw: dominujący prąd zmienia się między transportem elektronów i dziur w centralnej części urządzenia, podczas gdy całkowity prąd pozostaje ciągły w całej strukturze tandemowej.Oprócz napięcia w obwodzie otwartym, w strukturze tandemowej występuje polaryzacja przewodnia, a kierunek prądu na elektrodach się zmienia. Wielkość prądu wstrzykiwanego rośnie wraz ze wzrostem polaryzacji. Nadal działa ten sam mechanizm na granicy międzywarstw: dominujący prąd zmienia się między transportem elektronów i dziur w centralnej części urządzenia, podczas gdy całkowity prąd pozostaje ciągły w całej strukturze tandemowej.
Wąskie piki w poszczególnych składowych prądu w pobliżu granicy między perowskitem a krzemem (w odległości około 0,5 µm od aktywnej warstwy) występują w obszarze, w którym stosuje się warunek graniczny dotyczący silnie zlokalizowanej rekombinacji. Ich dokładny kształt może zależeć od przestrzennej dyskretyzacji i numerycznej reprezentacji interfejsu. Ważniejszą obserwacją fizyczną jest fakt, że obie podkomórki pozostają elektrycznie połączone, przy czym całkowity prąd pozostaje stały, pomimo nagłej redystrybucji między prądem elektronowym i prądem dziur.Wąskie piki w poszczególnych składowych prądu w pobliżu granicy między perowskitem a krzemem (w odległości około 0,5 µm od aktywnej warstwy) występują w obszarze, w którym stosuje się warunek graniczny dotyczący silnie zlokalizowanej rekombinacji. Ich dokładny kształt może zależeć od przestrzennej dyskretyzacji i numerycznej reprezentacji interfejsu. Ważniejszą obserwacją fizyczną jest fakt, że obie podkomórki pozostają elektrycznie połączone, przy czym całkowity prąd pozostaje stały, pomimo nagłej redystrybucji między prądem elektronowym i prądem dziur.
8. Optyczna generacja i analiza z wykorzystaniem metody macierzy przenoszenia.8. Optyczna generacja i analiza z wykorzystaniem metody macierzy przenoszenia.
Warstwa perowskitowa o szerokiej przerwie energetycznej absorbuje znaczną część fotonów słonecznych o wyższej energii, natomiast warstwa silikonowa o węższej przerwie energetycznej, znajdująca się pod spodem, może absorbować światło o dłuższej długości fali, które przechodzi przez warstwę perowskitu. Obliczenia oparte na metodzie macierzy przenoszenia uwzględniają absorpcję i interferencję w całej warstwie optycznej.Warstwa perowskitowa o szerokiej przerwie energetycznej absorbuje znaczną część fotonów słonecznych o wyższej energii, natomiast warstwa silikonowa o węższej przerwie energetycznej, znajdująca się pod spodem, może absorbować światło o dłuższej długości fali, które przechodzi przez warstwę perowskitu. Obliczenia oparte na metodzie macierzy przenoszenia uwzględniają absorpcję i interferencję w całej warstwie optycznej.
Aby przeanalizować właściwości optyczne, wybierz pasek narzędzi „Optyka” w głównym oknie programu OghmaNano (patrz ??) i kliknij „Macierz transformacji”. Otworzy się edytor symulacji optycznej. Kliknij niebieski przycisk „Uruchom”, aby przeprowadzić obliczenia optyczne. Wyniki można przeglądać za pomocą zakładek znajdujących się w górnej części okna symulacji optycznej (patrz ??–??).Aby przeanalizować właściwości optyczne, wybierz pasek narzędzi „Optyka” w głównym oknie programu OghmaNano (patrz ??) i kliknij „Macierz transformacji”. Otworzy się edytor symulacji optycznej. Kliknij niebieski przycisk „Uruchom”, aby przeprowadzić obliczenia optyczne. Wyniki można przeglądać za pomocą zakładek znajdujących się w górnej części okna symulacji optycznej (patrz ??–??).
Metoda macierzy przenoszenia oblicza, w jaki sposób światło rozchodzi się przez wielowarstwową strukturę, uwzględniając odbicia i interferencję na granicach między warstwami materiałów. Każda warstwa jest opisywana przez swój zespolony współczynnik załamania, zależny od długości fali, \(\tilde{n}=n+ik\), przy czym \(n\) określa optyczną prędkość fazową, a \(k\) opisuje absorpcję. W konsekwencji, natężenie światła zależy zarówno od długości fali, jak i od położenia w obrębie struktury.Metoda macierzy przenoszenia oblicza, w jaki sposób światło rozchodzi się przez wielowarstwową strukturę, uwzględniając odbicia i interferencję na granicach między warstwami materiałów. Każda warstwa jest opisywana przez swój zespolony współczynnik załamania, zależny od długości fali, \(\tilde{n}=n+ik\), przy czym \(n\) określa optyczną prędkość fazową, a \(k\) opisuje absorpcję. W konsekwencji, natężenie światła zależy zarówno od długości fali, jak i od położenia w obrębie struktury.
?? na wykresie przedstawiono gęstość fotonów w całej warstwowej strukturze. Oś pozioma odpowiada położeniu w obrębie urządzenia, natomiast oś pionowa – długości fali. Jasne obszary oznaczają wysoką gęstość fotonów, natomiast ciemne obszary wskazują na niską gęstość fotonów. Zmiany te wynikają z połączenia zależnej od długości fali absorpcji i interferencji optycznej, co może prowadzić do powstawania wzorców fal stojących w warstwach. ?? na wykresie przedstawiono gęstość fotonów w całej warstwowej strukturze. Oś pozioma odpowiada położeniu w obrębie urządzenia, natomiast oś pionowa – długości fali. Jasne obszary oznaczają wysoką gęstość fotonów, natomiast ciemne obszary wskazują na niską gęstość fotonów. Zmiany te wynikają z połączenia zależnej od długości fali absorpcji i interferencji optycznej, co może prowadzić do powstawania wzorców fal stojących w warstwach.
Rozkład pochłoniętych fotonów przedstawiono na rysunku ??. W przeciwieństwie do gęstości fotonów, ta wielkość opisuje, w których miejscach fotony są faktycznie pochłaniane. Obszary wykonane z perowskitu i krzemu charakteryzują się różnymi zakresami absorpcji w widmie. Perowskit preferencyjnie pochłania fotony o wyższej energii, natomiast krzem może wykorzystywać dłuższe fale, które przechodzą przez górną warstwę ogniwa. To komplementarne zachowanie w procesie absorpcji jest jednym z głównych powodów, dla których materiały te łączy się w tandemowym ogniwie słonecznym.Rozkład pochłoniętych fotonów przedstawiono na rysunku ??. W przeciwieństwie do gęstości fotonów, ta wielkość opisuje, w których miejscach fotony są faktycznie pochłaniane. Obszary wykonane z perowskitu i krzemu charakteryzują się różnymi zakresami absorpcji w widmie. Perowskit preferencyjnie pochłania fotony o wyższej energii, natomiast krzem może wykorzystywać dłuższe fale, które przechodzą przez górną warstwę ogniwa. To komplementarne zachowanie w procesie absorpcji jest jednym z głównych powodów, dla których materiały te łączy się w tandemowym ogniwie słonecznym.
Przestrzenny profil generowania nośników ładunku przedstawiono na rysunku ??. Niebieska krzywa przedstawia obliczoną szybkość generowania, natomiast poziome linie oznaczają położenie różnych materiałów w urządzeniu. Profil generowania rozciąga się na cienką, górną komórkę perowskitową oraz znacznie grubszą, dolną komórkę silikonową. Zauważ, że szybkość generowania gwałtownie zmienia się na granicy między nimi, co odzwierciedla różne właściwości optyczne tych materiałów.Przestrzenny profil generowania nośników ładunku przedstawiono na rysunku ??. Niebieska krzywa przedstawia obliczoną szybkość generowania, natomiast poziome linie oznaczają położenie różnych materiałów w urządzeniu. Profil generowania rozciąga się na cienką, górną komórkę perowskitową oraz znacznie grubszą, dolną komórkę silikonową. Zauważ, że szybkość generowania gwałtownie zmienia się na granicy między nimi, co odzwierciedla różne właściwości optyczne tych materiałów.
Współczynnik generowania prądu oblicza się poprzez całkowanie absorpcji fotonów w funkcji długości fali w całym zakresie widma promieniowania:Współczynnik generowania prądu oblicza się poprzez całkowanie absorpcji fotonów w funkcji długości fali w całym zakresie widma promieniowania:
\[ G(y)=\int \alpha(\lambda,y)\Phi(\lambda,y)\,d\lambda, \]gdzie \(\alpha(\lambda,y)\) to współczynnik absorpcji, a \(\Phi(\lambda,y)\) to lokalny strumień fotonów w funkcji długości fali. Otrzymana szybkość generacji ma jednostki m−3 s−1 i stanowi składnik źródłowy dla fotogenerowanych elektronów i dziur w równaniach dyfuzji i dryfu. Konwersja zabsorbowanych fotonów w nośniki ładunku zależy również od efektywności generacji nośników z fotonów, stosowanej w modelu.gdzie \(\alpha(\lambda,y)\) to współczynnik absorpcji, a \(\Phi(\lambda,y)\) to lokalny strumień fotonów w funkcji długości fali. Otrzymana szybkość generacji ma jednostki m−3 s−1 i stanowi składnik źródłowy dla fotogenerowanych elektronów i dziur w równaniach dyfuzji i dryfu. Konwersja zabsorbowanych fotonów w nośniki ładunku zależy również od efektywności generacji nośników z fotonów, stosowanej w modelu.
Ważnym aspektem projektowania tandemowych ogniw słonecznych jest dopasowanie prądów. Ponieważ oba podogniwa są elektrycznie połączone szeregowo, muszą przewodzić ten sam prąd. Zwiększenie absorpcji w przednim podogniwie może zmniejszyć liczbę fotonów docierających do tylnego podogniwa, co potencjalnie ogranicza prąd całego urządzenia. Dlatego optymalna grubość warstw absorbujących zależy od połączonych właściwości optycznych (generacji) i elektrycznych (zbierania) obu podogniwa, a nie tylko od maksymalizacji absorpcji w każdym z materiałów oddzielnie.Ważnym aspektem projektowania tandemowych ogniw słonecznych jest dopasowanie prądów. Ponieważ oba podogniwa są elektrycznie połączone szeregowo, muszą przewodzić ten sam prąd. Zwiększenie absorpcji w przednim podogniwie może zmniejszyć liczbę fotonów docierających do tylnego podogniwa, co potencjalnie ogranicza prąd całego urządzenia. Dlatego optymalna grubość warstw absorbujących zależy od połączonych właściwości optycznych (generacji) i elektrycznych (zbierania) obu podogniwa, a nie tylko od maksymalizacji absorpcji w każdym z materiałów oddzielnie.
Bardziej szczegółowe wyjaśnienie metody optycznej można znaleźć w samouczku dotyczącym modelu macierzy przenoszenia oraz w teorii macierzy przenoszenia.Bardziej szczegółowe wyjaśnienie metody optycznej można znaleźć w samouczku dotyczącym modelu macierzy przenoszenia oraz w teorii macierzy przenoszenia.
Plik z danymi wyjściowymi dotyczącymi symulacji optycznej siminfo.dat zawiera informacje na temat symulacji optycznej, w tym wartość fotoprądu i gęstości fotoprądu, jak pokazano na rysunku ??. Wartości te reprezentują maksymalny teoretyczny prąd, który mógłby zostać wygenerowany, gdyby 100% fotogenerowanych nośników ładunku zostało zebrane na elektrodach, bez rekombinacji ani strat związanych z transportem ładunku. W przypadku ogniwa tandemowego z dwoma elektrodami, łączny fotoprąd nie jest bezpośrednio równy oczekiwanemu prądowi w połączeniu szeregowym: ten ostatni jest ograniczony przez dopasowanie prądów między poszczególnymi ogniwami. Dlatego wartości optyczne te stanowią raczej punkt odniesienia dla generowania fotonów niż bezpośrednią prognozę prądu zwarciowego (JSC) ogniwa tandemowego.Plik z danymi wyjściowymi dotyczącymi symulacji optycznej siminfo.dat zawiera informacje na temat symulacji optycznej, w tym wartość fotoprądu i gęstości fotoprądu, jak pokazano na rysunku ??. Wartości te reprezentują maksymalny teoretyczny prąd, który mógłby zostać wygenerowany, gdyby 100% fotogenerowanych nośników ładunku zostało zebrane na elektrodach, bez rekombinacji ani strat związanych z transportem ładunku. W przypadku ogniwa tandemowego z dwoma elektrodami, łączny fotoprąd nie jest bezpośrednio równy oczekiwanemu prądowi w połączeniu szeregowym: ten ostatni jest ograniczony przez dopasowanie prądów między poszczególnymi ogniwami. Dlatego wartości optyczne te stanowią raczej punkt odniesienia dla generowania fotonów niż bezpośrednią prognozę prądu zwarciowego (JSC) ogniwa tandemowego.
9. Symulacje Suns-Voc i Suns-Jsc.9. Symulacje Suns-Voc i Suns-Jsc.
OghmaNano oferuje kilka trybów symulacji, które pozwalają zbadać, jak urządzenie reaguje na różne warunki elektryczne i optyczne. Tryby te można wybrać z menu „Typ symulacji” w głównym oknie, jak pokazano na ilustracji ??. Wystarczy kliknąć wybrany tryb symulacji i nacisnąć niebieski przycisk „Uruchom symulację” lub klawisz F9, aby rozpocząć obliczenia.OghmaNano oferuje kilka trybów symulacji, które pozwalają zbadać, jak urządzenie reaguje na różne warunki elektryczne i optyczne. Tryby te można wybrać z menu „Typ symulacji” w głównym oknie, jak pokazano na ilustracji ??. Wystarczy kliknąć wybrany tryb symulacji i nacisnąć niebieski przycisk „Uruchom symulację” lub klawisz F9, aby rozpocząć obliczenia.
Dwie szczególnie przydatne symulacje dotyczące ogniw słonecznych to Suns-Voc i Suns-Jsc. Pozwalają one zbadać, w jaki sposób zmienia się napięcie w obwodzie otwartym i gęstość prądu zwarciowego w zależności od natężenia oświetlenia. Dostarczają one uzupełniających informacji na temat generowania nośników, rekombinacji i zbierania ładunków wewnątrz urządzenia.Dwie szczególnie przydatne symulacje dotyczące ogniw słonecznych to Suns-Voc i Suns-Jsc. Pozwalają one zbadać, w jaki sposób zmienia się napięcie w obwodzie otwartym i gęstość prądu zwarciowego w zależności od natężenia oświetlenia. Dostarczają one uzupełniających informacji na temat generowania nośników, rekombinacji i zbierania ładunków wewnątrz urządzenia.
Symulacja Suns-Voc oblicza napięcie w obwodzie rozwartym przy różnych poziomach natężenia oświetlenia. W obwodzie rozwartym prąd zewnętrzny wynosi zero, dlatego proces fotogeneracji musi być zrównoważony przez proces rekombinacji wewnątrz urządzenia. Wraz ze wzrostem natężenia oświetlenia, stężenie nośników ładunku zazwyczaj wzrasta, co prowadzi do większego rozdzielenia poziomów quasi-Fermiego elektronów i dziur, a w konsekwencji do wyższego napięcia w obwodzie rozwartym.Symulacja Suns-Voc oblicza napięcie w obwodzie rozwartym przy różnych poziomach natężenia oświetlenia. W obwodzie rozwartym prąd zewnętrzny wynosi zero, dlatego proces fotogeneracji musi być zrównoważony przez proces rekombinacji wewnątrz urządzenia. Wraz ze wzrostem natężenia oświetlenia, stężenie nośników ładunku zazwyczaj wzrasta, co prowadzi do większego rozdzielenia poziomów quasi-Fermiego elektronów i dziur, a w konsekwencji do wyższego napięcia w obwodzie rozwartym.
W przypadku prostej diody elektroluminescencyjnej zależność między napięciem w obwodzie rozwartym a natężeniem oświetlenia można przybliżyć za pomocą wzoru:W przypadku prostej diody elektroluminescencyjnej zależność między napięciem w obwodzie rozwartym a natężeniem oświetlenia można przybliżyć za pomocą wzoru:
\[ V_{OC} = \frac{n_{\mathrm{id}}k_BT}{q} \ln\left( \frac{J_{\mathrm{ph}}}{J_0}+1 \right), \]gdzie \(n_{\mathrm{id}}\) to współczynnik idealności diody, \(k_B\) to stała Boltzmanna, \(T\) to temperatura, \(q\) to ładunek elementarny, \(J_{\mathrm{ph}}\) to gęstość prądu generowanego przez światło, a \(J_0\) to gęstość prądu nasycenia w ciemności. Ponieważ prąd generowany przez światło jest w przybliżeniu proporcjonalny do natężenia oświetlenia, napięcie w obwodzie otwartym zazwyczaj rośnie logarytmicznie wraz ze wzrostem natężenia światła słonecznego.gdzie \(n_{\mathrm{id}}\) to współczynnik idealności diody, \(k_B\) to stała Boltzmanna, \(T\) to temperatura, \(q\) to ładunek elementarny, \(J_{\mathrm{ph}}\) to gęstość prądu generowanego przez światło, a \(J_0\) to gęstość prądu nasycenia w ciemności. Ponieważ prąd generowany przez światło jest w przybliżeniu proporcjonalny do natężenia oświetlenia, napięcie w obwodzie otwartym zazwyczaj rośnie logarytmicznie wraz ze wzrostem natężenia światła słonecznego.
W przypadku ogniwa słonecznego typu tandem, zmierzona wartość napięcia jest wypadkową wkładów obu ogniw fotowoltaicznych. Przybliżając to zagadnienie,W przypadku ogniwa słonecznego typu tandem, zmierzona wartość napięcia jest wypadkową wkładów obu ogniw fotowoltaicznych. Przybliżając to zagadnienie,
\[ V_{OC,\mathrm{tandem}} \simeq V_{OC,1}+V_{OC,2}-V_{\mathrm{loss}}, \]gdzie \(V_{\mathrm{loss}}\) oznacza wszelkie dodatkowe straty napięcia związane z połączeniem. W przypadku wydajnego złącza rekombinacyjnego, te straty są niewielkie, co pozwala na sumowanie fotonapięć obu ogniw.gdzie \(V_{\mathrm{loss}}\) oznacza wszelkie dodatkowe straty napięcia związane z połączeniem. W przypadku wydajnego złącza rekombinacyjnego, te straty są niewielkie, co pozwala na sumowanie fotonapięć obu ogniw.
Wykreślona charakterystyka zależności napięcia od natężenia promieniowania słonecznego (Suns-Voc) przedstawiona jest na rysunku ??. Wykres ilustruje, jak napięcie w ogniwie tandem zmienia się w zależności od natężenia światła. Zmiany te są determinowane przez połączone procesy rekombinacji i rozszczepienia poziomów quasi-Fermiego w obu ogniwach; dokładne wartości liczbowe można odczytać z odpowiedniego pliku wyjściowego.Wykreślona charakterystyka zależności napięcia od natężenia promieniowania słonecznego (Suns-Voc) przedstawiona jest na rysunku ??. Wykres ilustruje, jak napięcie w ogniwie tandem zmienia się w zależności od natężenia światła. Zmiany te są determinowane przez połączone procesy rekombinacji i rozszczepienia poziomów quasi-Fermiego w obu ogniwach; dokładne wartości liczbowe można odczytać z odpowiedniego pliku wyjściowego.
Symulacja Suns-Jsc oblicza natomiast gęstość prądu zwarciowego w zależności od natężenia oświetlenia. W warunkach zwarcia przyłożone napięcie na zaciskach wynosi zero, a zmierzony prąd zależy od liczby fotogenerowanych nośników, które mogą zostać zebrane.Symulacja Suns-Jsc oblicza natomiast gęstość prądu zwarciowego w zależności od natężenia oświetlenia. W warunkach zwarcia przyłożone napięcie na zaciskach wynosi zero, a zmierzony prąd zależy od liczby fotogenerowanych nośników, które mogą zostać zebrane.
Jeśli efektywność zbierania ładunków pozostaje w przybliżeniu stała, to gęstość prądu zwarciowego jest proporcjonalna do natężenia strumienia fotonów. W związku z tym,Jeśli efektywność zbierania ładunków pozostaje w przybliżeniu stała, to gęstość prądu zwarciowego jest proporcjonalna do natężenia strumienia fotonów. W związku z tym,
\[ |J_{SC}|\propto P_{\mathrm{sun}}, \]gdzie \(P_{\mathrm{sun}}\) oznacza względną intensywność oświetlenia wyrażoną w jednostkach odpowiadających natężeniu promieniowania słonecznego. Ogólnie rzecz biorąc, zebrany prąd fotoelektryczny zależy od przestrzennego rozkładu generacji nośników oraz od prawdopodobieństwa, że nośniki powstałe w wyniku działania światła dotrą do elektrod:gdzie \(P_{\mathrm{sun}}\) oznacza względną intensywność oświetlenia wyrażoną w jednostkach odpowiadających natężeniu promieniowania słonecznego. Ogólnie rzecz biorąc, zebrany prąd fotoelektryczny zależy od przestrzennego rozkładu generacji nośników oraz od prawdopodobieństwa, że nośniki powstałe w wyniku działania światła dotrą do elektrod:
\[ |J_{SC}| \simeq q\int G(y)\eta_{\mathrm{col}}(y)\,dy, \]gdzie \(G(y)\) oznacza lokalną szybkość fotogeneracji, a \(\eta_{\mathrm{col}}(y)\) – efektywną zależną od położenia wydajność zbierania nośników.gdzie \(G(y)\) oznacza lokalną szybkość fotogeneracji, a \(\eta_{\mathrm{col}}(y)\) – efektywną zależną od położenia wydajność zbierania nośników.
Wyniki symulacji dla ogniw słonecznych Jsc przedstawiono w ??, a odpowiadająca im charakterystyka w ??. Obliczona gęstość prądu zmienia się wraz z natężeniem oświetlenia. Przeanalizuj wartości liczbowe na wykresie, aby określić zależność między tymi parametrami. Ujemny znak na wykresie prądu odzwierciedla konwencję dotyczącą prądu fotowoltaicznego, stosowaną przez program symulacyjny.Wyniki symulacji dla ogniw słonecznych Jsc przedstawiono w ??, a odpowiadająca im charakterystyka w ??. Obliczona gęstość prądu zmienia się wraz z natężeniem oświetlenia. Przeanalizuj wartości liczbowe na wykresie, aby określić zależność między tymi parametrami. Ujemny znak na wykresie prądu odzwierciedla konwencję dotyczącą prądu fotowoltaicznego, stosowaną przez program symulacyjny.
suns_jsc.csv, aby wyświetlić obliczony prąd zwarciowy.Zakładka „Wyniki” po uruchomieniu symulacji Suns-Jsc. Kliknij dwukrotnie suns_jsc.csv, aby wyświetlić obliczony prąd zwarciowy.
Oba symulacje uwzględniają różne aspekty działania ogniwa tandemowego. Symulacja Suns-Voc jest szczególnie wrażliwa na procesy rekombinacji, które decydują o osiągalnym fotonapięciu, natomiast symulacja Suns-Jsc dostarcza informacji na temat fotogeneracji i zbierania ładunków. Ponieważ oba podogniwa są połączone szeregowo, muszą przewodzić ten sam prąd, dlatego prąd generowany przez całe ogniwo tandemowe jest ograniczony przez właściwości elektryczne i optyczne obu materiałów absorbujących. Razem, te obliczenia stanowią użyteczne narzędzie do badania zachowania ogniwa tandemowego w różnych warunkach oświetlenia.Oba symulacje uwzględniają różne aspekty działania ogniwa tandemowego. Symulacja Suns-Voc jest szczególnie wrażliwa na procesy rekombinacji, które decydują o osiągalnym fotonapięciu, natomiast symulacja Suns-Jsc dostarcza informacji na temat fotogeneracji i zbierania ładunków. Ponieważ oba podogniwa są połączone szeregowo, muszą przewodzić ten sam prąd, dlatego prąd generowany przez całe ogniwo tandemowe jest ograniczony przez właściwości elektryczne i optyczne obu materiałów absorbujących. Razem, te obliczenia stanowią użyteczne narzędzie do badania zachowania ogniwa tandemowego w różnych warunkach oświetlenia.
10. Proponowane badania diagnostyczne10. Proponowane badania diagnostyczne
Główna konkluzja brzmi: należy analizować łączenie warstw optycznych i połączenia elektryczne jako całość. Perowskit filtruje spektrum światła docierającego do krzemu, a mechanizm rekombinacji na granicy zapewnia połączenie szeregowe dwóch elektrod bez potrzeby stosowania sztucznego, elektrycznie izolowanego półprzewodnika pośredniego.Główna konkluzja brzmi: należy analizować łączenie warstw optycznych i połączenia elektryczne jako całość. Perowskit filtruje spektrum światła docierającego do krzemu, a mechanizm rekombinacji na granicy zapewnia połączenie szeregowe dwóch elektrod bez potrzeby stosowania sztucznego, elektrycznie izolowanego półprzewodnika pośredniego.