有机太阳能电池（OPV）教程 – D 部分：寄生元件与暗态 JV

1. 寄生元件与 JV 曲线

drift–diffusion 仿真会对 光活性层 进行细致描述，在该区域电子与空穴同时 存在并发生相互作用。然而，真实器件还包含由接触层以及 制备缺陷引入的非理想效应。一个重要效应是 串联电阻（R_s）， 它是与二极管串联的集中电阻，来源于接触、传输层（HTL/ETL）、布线或 片电阻。它会产生典型的高偏压“roll-off”，在较大正向电压下限制电流 并降低填充因子。

第二个效应是 并联电阻（R_shunt），它是与 有源层并联的泄漏通道。这由针孔、杂质、边缘泄漏或微短路等缺陷造成， 这些缺陷在器件中形成非预期的导电路径。它主要劣化 JV 曲线的低偏压区域， 降低原点附近的斜率，并降低 J_SC 与填充因子。

这些贡献通常称为 寄生元件，并可用紧凑的 电路模型表示，如 ?? 所示。在该模型中，理想二极管（由 drift–diffusion 方程支配）与 R_shunt 并联，并与 R_s 串联。还包含一个寄生电容，用于 表示接触的几何电容；该项仅在瞬态仿真中相关。

你可以在 OghmaNano 中编辑寄生元件：在主窗口进入 Electrical 功能区并选择 Parasitic components。这会打开 Parasitic component editor，你可以在其中同时设置并联与串联电阻。如 ?? 所示，并联电阻（R_shunt）以面积归一化的形式输入（Ω·m²），从而使有效并联电阻随器件面积缩放。串联电阻（R_s）以欧姆（&Omega）给出，作为集中电阻，且与器件面积无关。R_shunt 与 R_s 结合，使你能够在有源层的 drift–diffusion 物理之外，捕捉真实器件中的泄漏与导电损耗。

2. 暗态下的太阳能电池

到目前为止，所有仿真都在 AM1.5G 光照下进行。这是自然的，因为 我们通常关心太阳能电池能产生多少功率。然而，在暗态下测量器件 往往能揭示更多内部物理信息——以及它为什么可能没有 达到预期性能。一个常见错误是只在光照下表征新器件；实际上，暗态 JV 曲线可以提供比光照曲线更丰富的诊断信息。

在本节中，我们将使用暗态 JV 来研究如何提取 R_shunt 与 R_s。 首先，将仿真器切换到暗态：进入 Optical ribbon → Light intensity (suns) 并将 数值设为 0.0。3D 器件视图中的绿色光子将消失，从而确认仿真 在无光照条件下运行。如 ?? 所示。

接下来我们将探索寄生电阻如何塑造暗态 JV。先将 R_shunt 设为较高数值（例如 1 MΩ·m²）并运行一次 JV 扫描，然后将其降低到更低的数值（例如 1 Ω·m²）并比较曲线。观察低电压下的斜率如何受并联泄漏影响。随后对串联电阻重复这一过程：先将 R_s 设为 0 Ω，再设为更大的数值（例如 20 Ω）。比较 JV 的高电压区域，并注意 roll-offchange 如何变化。将每种情况都绘制为 x 线性 / y 对数坐标（按 l），使差异清晰可见。?? 展示了电阻应如何影响 JV 曲线的不同部分。注意，仅改变电阻并不能影响复合区域——这将在后续讨论。