Паразитна стійкість органічних фотоелектричних елементів: моделювання характеристик у вигляді серії, паралельного з’єднання та в умовах відсутності освітлення.

У цьому розділі пояснюється, як паразитний опір впливає на моделювання органічних сонячних елементів. Послідовний опір, шунтовий опір і криві струму-напруги в темряві є корисними діагностичними інструментами, оскільки вони дозволяють відокремити втрати в контакті, шляхи витоку та області пристрою, де домінують процеси рекомбінації.

1. Послідовний опір, шунтовий опір і характеристика струм-напруга органічної фотоелектричної комірки (OPV).

Моделювання за допомогою методів дрейфу та дифузії детально описує фотоактивний шар, де присутні як електрони, так і дірки, і вони взаємодіють між собою. Однак реальні пристрої також містять неефективні фактори, спричинені контактними шарами та недоліками у виробництві. Одним із важливих факторів є послідовний опір (Rs), який являє собою сукупний опір, що додається послідовно до діода і виникає через контакти, транспортні шари (HTL/ETL) та провідники або опір шару. Він спричиняє характерне зниження ефективності при високій напрузі, обмежуючи струм при великій прямій напрузі та зменшуючи коефіцієнт заповнення.

Другий ефект – це шунтована провідність (Rshunt), яка являє собою шлях витоку, паралельний до активного шару. Це спричинено дефектами, такими як мікроотвори, домішки, витік по краях або мікрокороткі замикання, які створюють небажані провідні шляхи всередині пристрою. Це переважно погіршує ділянку кривої залежності струму від напруги (JV) при низькій напрузі, зменшуючи нахил поблизу початку координат і знижуючи значення струму короткого замикання (JSC) і коефіцієнт заповнення.

Ці складові зазвичай називають паразитними компонентами, і їх можна представити у вигляді компактної схеми, наведеної в ??. У цій моделі ідеальний діод (який описується рівняннями дрейфу та дифузії) зображено паралельно до Rshunt і послідовно до Rs. Також додано паразитний конденсатор, щоб відобразити геометричну ємність контактів; цей параметр має значення лише під час тимчасових моделювань.

Ви можете редагувати паразитні компоненти в OghmaNano, перейшовши на вкладку «Електричні параметри» в головному вікні та вибравши «Паразитні компоненти». Це відкриє редактор паразитних компонентів, де ви зможете задати як паралельний, так і послідовний опір. Це можна побачити в ??. Паралельний опір (Rshunt) вводиться як значення, нормалізоване до площі (Ом·м²). Це забезпечує пропорційну залежність ефективного паралельного опору від площі пристрою. Послідовний опір (Rs) вказується в омах (Ом) як сумарний опір, незалежний від площі пристрою. Разом Rshunt і Rs дозволяють враховувати реальні втрати на витік і провідність, на додаток до фізики дрейфу та дифузії в активному шарі.

2. Моделювання та визначення параметрів опору для темного p-n переходу.

Дотепер усі моделювання проводилися в умовах освітлення, що відповідає спектру AM1.5G. Це цілком логічно, оскільки нас зазвичай цікавить, скільки енергії може генерувати сонячна батарея. Однак, вимірювання пристрою в темряві часто дає ще більше інформації про його внутрішню фізику та причини, чому він може працювати не так, як очікувалося. Поширена помилка полягає в тому, що новий пристрій характеризують лише в умовах освітлення; насправді, крива залежності струму від напруги в темряві може надати більш вичерпну діагностичну інформацію, ніж крива, отримана в умовах освітлення.

У цьому розділі ми використовуватимемо темний режим JV, щоб дослідити, як можна визначити значення Rshunt і Rs. Для початку переведіть симулятор у темний режим: перейдіть до розділу «Оптична стрічка» → «Інтенсивність світла (в сонячних одиницях)» і встановіть значення 0,0. Зелені фотони в тривимірному вікні пристрою зникнуть, що підтвердить, що моделювання відбувається без освітлення. Це можна побачити в ??.

Далі ми розглянемо, як паразитні опори впливають на форму кривої темнового струму-напруги (АЧХ). Почнімо з налаштування. Р_{шунтувати; обхідний шлях; шунтовий перемикач; шунтування} до високого значення (наприклад, 1 МОм·м²) і виконайте вимірювання за допомогою методу «розгону» (JV sweep), потім зменште його до значно нижчого значення (наприклад, 1 Ом·м²) і порівняйте отримані графіки. Зверніть увагу, як нахил кривої при низькій напрузі змінюється під впливом струму витоку шунту. Потім повторіть цей процес для послідовного опору: встановіть Р_з спочатку до 0 Ом, потім до більшого значення (наприклад, 20 Ом). Порівняйте ділянку кривої залежності струму від напруги, що відповідає високій напрузі, і зверніть увагу на те, як змінюється характер кривої. Побудуйте графік для кожного випадку на графіку з лінійною шкалою по осі X і логарифмічною шкалою по осі Y (натисніть). лотже, відмінності чітко видно. ?? описує, як опори мають впливати на різні ділянки кривої характеристики фотоелемента. Зверніть увагу, що зміна лише паразитних опорів не впливає безпосередньо на ділянку, де домінує рекомбінація; цим процесом керує параметри електричних матеріалів, які обговорюються в розділі Е.