유기 태양전지 (OPV) 튜토리얼 – 파트 D: 기생 성분 및 암 JV

1. 기생 성분과 JV 곡선

Drift–diffusion 시뮬레이션은 전자와 정공이 모두 존재하고 상호작용하는 광활성층을 상세하게 기술합니다. 그러나 실제 소자에는 접촉층과 제조 불완전성에 의해 도입되는 비이상적 효과도 포함됩니다. 중요한 효과 중 하나는 직렬 저항(R_s)으로, 이는 접촉, 수송층(HTL/ETL), 그리고 배선 또는 시트 저항에서 기인하는, 다이오드와 직렬로 연결된 집중 저항입니다. 이는 특징적인 고바이어스 “롤오프”를 발생시켜 큰 순방향 전압에서 전류를 제한하고 충전율을 감소시킵니다.

두 번째 효과는 션트 저항(R_shunt)으로, 활성층과 병렬인 누설 경로입니다. 이는 핀홀, 불순물, 가장자리 누설, 또는 미세 단락과 같은 불완전성으로 인해 발생하며, 소자를 통해 의도하지 않은 전도 경로를 형성합니다. 이는 주로 JV 곡선의 낮은 바이어스 영역을 악화시켜 원점 근처의 기울기를 감소시키고 J_SC와 충전율을 낮춥니다.

이러한 기여는 일반적으로 기생 성분이라고 하며, ??에 표시된 축약 회로 모델로 표현할 수 있습니다. 이 모델에서 이상적인 다이오드(drift–diffusion 방정식에 의해 지배됨)는 R_shunt와 병렬로, R_s와 직렬로 배치됩니다. 기생 커패시터도 접촉의 기하학적 커패시턴스를 나타내기 위해 포함되며; 이 항은 과도 시뮬레이션에서만 관련이 있습니다.

OghmaNano에서 기생 성분은 메인 창의 Electrical 리본으로 이동하여 Parasitic components를 선택함으로써 편집할 수 있습니다. 이렇게 하면 Parasitic component editor가 열리며, 여기서 션트 저항과 직렬 저항을 모두 설정할 수 있습니다. 이는 ??에서 볼 수 있습니다. Shunt resistance(R_shunt)는 면적 정규화 값(Ω·m²)으로 입력됩니다. 이렇게 하면 유효 션트 저항이 소자 면적에 따라 스케일됩니다. Series resistance(R_s)는 소자 면적과 무관한 집중 저항으로 ohm (&Omega) 단위로 지정됩니다. R_shunt와 R_s를 함께 사용하면 활성층의 drift–diffusion 물리에 더해 실제 누설 및 전도 손실을 포착할 수 있습니다.

2. 암 조건에서의 태양전지

지금까지 모든 시뮬레이션은 AM1.5G 조명 하의 광 조건에서 실행되었습니다. 이는 일반적으로 태양전지가 얼마나 많은 전력을 생성할 수 있는지에 관심이 있기 때문에 자연스럽습니다. 그러나 암 조건에서 소자를 측정하면 그 내부 물리 — 그리고 예상만큼 성능이 나오지 않는 이유 — 에 대해 훨씬 더 많은 것을 드러내는 경우가 많습니다. 흔한 실수는 새 소자를 조명 하에서만 특성화하는 것입니다; 실제로는 암 JV 곡선이 광 JV 곡선보다 더 풍부한 진단 정보를 제공할 수 있습니다.

이 절에서는 암 JV를 사용하여 R_shunt와 R_s를 어떻게 추출할 수 있는지 조사합니다. 시작하려면 시뮬레이터를 암 조건으로 전환합니다: Optical ribbon → Light intensity (suns)로 이동하여 값을 0.0으로 설정합니다. 3D 소자 뷰의 녹색 광자가 사라지며, 이는 시뮬레이션이 조명 없이 실행되고 있음을 확인합니다. 이는 ??에서 볼 수 있습니다.

다음으로 기생 저항이 암 JV를 어떻게 형성하는지 살펴봅니다. 먼저 R_shunt를 높은 값(예: 1 MΩ·m²)으로 설정하고 JV 스윕을 실행한 다음, 훨씬 낮은 값(예: 1 Ω·m²)으로 줄여 곡선을 비교하십시오. 낮은 전압에서 기울기가 션트 누설에 의해 어떻게 영향을 받는지 관찰하십시오. 그런 다음 직렬 저항에 대해서도 같은 과정을 반복합니다: R_s를 먼저 0 Ω로, 그다음 더 큰 값(예: 20 Ω)으로 설정합니다. JV의 고전압 영역을 비교하고 롤오프가 어떻게 변하는지 확인하십시오. 각 경우를 x-선형 / y-로그 축(l 누름)에 플롯하여 차이가 명확하게 보이도록 하십시오. ??는 저항이 JV 곡선의 서로 다른 부분에 어떻게 영향을 주어야 하는지를 보여줍니다. 저항만 바꾸어서는 재결합 영역에 영향을 줄 수 없다는 점에 유의하십시오 - 이는 나중에 다룹니다.