Навчальний посібник з перовськитних сонячних елементів (PSE) – частина D: Паразитні компоненти та характеристики в темряві.

1. Паразитні ефекти в пристроях на основі перовськиту

Моделювання за допомогою методів дрейфу та дифузії дає детальне уявлення про перовськитний поглинач, де присутні як електрони, так і дірки, і відбуваються процеси рекомбінації, захоплення та фотогенерації. Однак, реальні перовськитні сонячні елементи також демонструють неідеальну поведінку, спричинену їхніми транспортними шарами, контактами та недоліками у процесі виготовлення. Ці ефекти проявляються у вигляді паразитних компонентів, які змінюють криву залежності струму від напруги (криву JV).

Одним із найпоширеніших видів паразитних явищ є послідовний опір (Rs), який виникає через обмежену провідність прозорого електрода (наприклад, FTO), шарів, що забезпечують транспорт носіїв заряду, таких як TiO₂ або Spiro-OMeTAD, а також через опір з’єднань і провідності шару. Він найбільше впливає на ділянку високої напруги на кривій залежності струму від напруги (JV), де струм починає зменшуватися, що призводить до зниження коефіцієнта заповнення та зменшення максимальної точки потужності.

Ще однією важливою втратою є шунтуючий опір (Rshunt). Він відображає шляхи витоку струму, які обминають активний перовськит, і часто виникає через мікроотвори, нерівності, неповне покриття або дефекти в процесі виробництва. На графіку залежності струму від напруги (JV-графік) шунтування проявляється у вигляді вирівняної кривої навколо 0 В, що призводить до зменшення струму короткого замикання (JSC), коефіцієнта заповнення та стабільності пристрою.

Ці характеристики відображено в компактній еквівалентній схемній моделі, наведеної в ??. Тут дрейф-дифузійний діод (який представляє перовськит) розташовано паралельно до Rshunt і послідовно до Rs. За потреби можна додати додатковий член ємності для опису геометричної ємності, що стає важливим під час дослідження перехідних процесів.

У OghmaNano редагування паразитарних параметрів здійснюється за допомогою редактора «Паразитарні компоненти», який доступний у вкладці «Електричні параметри» (див. ??). Шунтована стійкість вводиться як значення, нормалізоване до площі (Ом·м²), щоб ефективна величина струму витоку змінювалася пропорційно розміру пристрою. Послідовна стійкість задається як сумарне значення в омах (Ом), незалежно від площі. Разом Rs і Rshunt дозволяють відтворити ключові неідеальності, які реальні пристрої MAPbI₃ демонструють під час експериментів.

2. Аналіз пристроїв на основі перовськіту в темряві.

Наразі кожне моделювання проводилося за умови освітлення спектром AM1.5G. Це має сенс, якщо метою є прогнозування вихідної потужності, але дослідники, які працюють над сонячними елементами, знають, що криві вольт-амперної характеристики в темряві часто дають глибше розуміння. Вимірювання або моделювання пристрою без освітлення усуває фотострум і виділяє електронні втрати в структурі. У багатьох випадках крива, отримана в темряві, є більш інформативною, ніж крива, отримана за умови освітлення, коли потрібно з’ясувати, чому перівськитний елемент не досягає своїх теоретичних показників.

У цій вправі ви отримаєте значення Rshunt і Rs безпосередньо з темного p–n-переходу. Щоб вимкнути освітлення в OghmaNano, перейдіть до розділу «Оптична смуга» → «Інтенсивність світла (в сонячних одиницях)» і встановіть значення на 0,0. Зелені маркери фотонів на панелі 3D-моделі зникнуть, підтверджуючи, що модель працює в темних умовах (??).

Тепер розгляньмо, як паразитні опори впливають на форму кривої. Почнімо з Р_{шунтувати; обхідний шлях; шунтовий перемикач; шунтування} встановіть дуже високе значення (наприклад, 1 МΩ·м²) і проведіть серію вимірювань. Потім зменште його до низького значення (наприклад, 1 Ом·м²). Порівняйте, як змінюється нахил кривої поблизу початку координат: низький опір шунтуючого контуру призводить до витоку струму та пригнічує напругу V._ОКДалі відрегулюйте. Р_зСпочатку встановіть значення на 0 Ом, а потім збільште до 20 Ом. Порівняйте зміни в характеристиках прямого зміщення та коефіцієнта заповнення. Зобразіть результати на графіку з лінійною шкалою по осі X і логарифмічною шкалою по осі Y.л) щоб зробити зміни більш зрозумілими. Зображення ?? основні характеристики, які показують, яким областям на кривій темнового струму відповідають шунтова втрати, рекомбінація та послідовний опір. Пам’ятайте: втрати, пов’язані з рекомбінацією в області середньої напруги, не контролюються параметром R._{шунтувати; обхідний шлях; шунтовий перемикач; шунтування} або R_з; ці зміни вимагають коригування параметрів рекомбінації, про що ми поговоримо пізніше.