آموزش سلول خورشیدی آلی (OPV) – بخش D: مؤلفه‌های پارازیتی و JV در تاریکی

1. مؤلفه‌های پارازیتی و منحنی JV

شبیه‌سازی‌های drift–diffusion لایهٔ فوتواکتیو را با جزئیات توصیف می‌کنند، جایی که الکترون‌ها و حفره‌ها هر دو حضور دارند و با یکدیگر برهم‌کنش می‌کنند. با این حال، دستگاه‌های واقعی اثرات غیرایده‌آل ناشی از لایه‌های کنتاکت و نقص‌های ساخت را نیز شامل می‌شوند. یکی از اثرات مهم مقاومت سری (R_s) است)، یک مقاومت متمرکز در سری با دیود که از کنتاکت‌ها، لایه‌های انتقال (HTL/ETL)، و سیم‌کشی یا مقاومت صفحه‌ای ناشی می‌شود. این مقاومت افت مشخصهٔ «roll-off» در بایاس بالا را ایجاد می‌کند، جریان را در ولتاژهای مستقیم بزرگ محدود می‌سازد و fill factor را کاهش می‌دهد.

اثر دوم مقاومت شنت (R_shunt) است، یعنی یک مسیر نشتی به‌صورت موازی با لایهٔ فعال. این اثر ناشی از نقص‌هایی مانند pinholeها، ناخالصی‌ها، نشتی لبه، یا micro-shortها است که مسیرهای رسانای ناخواسته درون دستگاه ایجاد می‌کنند. این مقاومت عمدتاً ناحیهٔ بایاس کمِ منحنی JV را تخریب می‌کند، شیب نزدیک مبدأ را کاهش داده و J_SC و fill factor را پایین می‌آورد.

این سهم‌ها معمولاً مؤلفه‌های پارازیتی نامیده می‌شوند و می‌توان آن‌ها را در یک مدل مداری فشرده، که در ?? نشان داده شده است، نمایش داد. در این مدل، دیود ایده‌آل (که با معادلات drift–diffusion کنترل می‌شود) به‌صورت موازی با R_shunt و به‌صورت سری با R_s ظاهر می‌شود. یک خازن پارازیتی نیز برای نمایش ظرفیت خازنی هندسی کنتاکت‌ها در نظر گرفته می‌شود؛ این جمله فقط در شبیه‌سازی‌های گذرا مرتبط است.

می‌توانید مؤلفه‌های پارازیتی را در OghmaNano با رفتن به ریبون Electrical در پنجرهٔ اصلی و انتخاب Parasitic components ویرایش کنید. این کار Parasitic component editor را باز می‌کند، جایی که می‌توانید هم مقاومت شنت و هم مقاومت سری را تنظیم کنید. این موضوع در ?? دیده می‌شود. Shunt resistance (R_shunt) به‌صورت یک مقدار نرمال‌شده نسبت به مساحت (Ω·m²) وارد می‌شود. این کار تضمین می‌کند که مقاومت شنت مؤثر با مساحت دستگاه مقیاس شود. Series resistance (R_s) برحسب اهم (&Omega) به‌عنوان یک مقاومت متمرکز و مستقل از مساحت دستگاه مشخص می‌شود. در کنار هم، R_shunt و R_s به شما اجازه می‌دهند علاوه بر فیزیک drift–diffusion لایهٔ فعال، تلفات واقعی ناشی از نشتی و رسانش را نیز ثبت کنید.

2. سلول‌های خورشیدی در تاریکی

تا اینجا، همهٔ شبیه‌سازی‌ها در نور و تحت روشن‌سازی AM1.5G اجرا شده‌اند. این موضوع طبیعی است، زیرا معمولاً به این علاقه‌مندیم که یک سلول خورشیدی چه مقدار توان می‌تواند تولید کند. با این حال، اندازه‌گیری یک دستگاه در تاریکی اغلب حتی اطلاعات بیشتری دربارهٔ فیزیک درونی آن آشکار می‌کند — و اینکه چرا ممکن است آن‌گونه که انتظار می‌رود عمل نکند. یک اشتباه رایج این است که یک دستگاه جدید فقط تحت روشن‌سازی مشخصه‌یابی شود؛ در واقع، منحنی JV در تاریکی می‌تواند اطلاعات تشخیصی غنی‌تری نسبت به منحنی در نور فراهم کند.

در این بخش از JV در تاریکی برای بررسی اینکه چگونه می‌توان R_shunt و R_s را استخراج کرد استفاده خواهیم کرد. برای شروع، شبیه‌ساز را به حالت تاریکی ببرید: به Optical ribbon → Light intensity (suns) بروید و مقدار را روی 0.0 قرار دهید. فوتون‌های سبز در نمای سه‌بعدی دستگاه ناپدید خواهند شد و تأیید می‌کنند که شبیه‌سازی بدون روشن‌سازی در حال اجراست. این موضوع در ?? دیده می‌شود.

اکنون بررسی خواهیم کرد که مقاومت‌های پارازیتی چگونه JV در تاریکی را شکل می‌دهند. ابتدا R_shunt را روی یک مقدار زیاد (برای مثال 1 MΩ·m²) قرار دهید و یک جاروب JV اجرا کنید، سپس آن را به مقداری بسیار کمتر (برای مثال 1 Ω·m²) کاهش دهید و منحنی‌ها را مقایسه کنید. مشاهده کنید چگونه شیب در ولتاژهای پایین تحت تأثیر نشتی شنت قرار می‌گیرد. سپس این فرایند را برای مقاومت سری تکرار کنید: R_s را ابتدا روی 0 Ω و سپس روی مقدار بزرگ‌تری (برای مثال 20 Ω) قرار دهید. ناحیهٔ ولتاژ بالای JV را مقایسه کنید و توجه کنید که افت چگونه تغییر می‌کند. هر حالت را روی محورهای x-خطی / y-لگاریتمی رسم کنید (کلید l را فشار دهید) تا تفاوت‌ها به‌وضوح دیده شوند. ?? نشان می‌دهد مقاومت‌ها باید چگونه بر بخش‌های مختلف منحنی JV اثر بگذارند. توجه کنید که فقط با تغییر مقاومت‌ها نمی‌توانیم بر ناحیهٔ بازترکیب اثر بگذاریم - این بخش بعداً می‌آید.