Эффективность рассчитывается как температура изменяется от 150 до 350 К. соотношение между эффективностью и температуры может быть описана:

(13)

Температура растет, но снижается эффективность. Результаты приведены на рисунке 26.

Рисунок 26. Изменение эффективности с температурой P3HT:

PCBM объемный гетеропереход.

Если мы сравним наши результаты для фотоэлемента P3HT:PCBM с найденными результатами [18] солнечных элементов MDMO-PPV:PCBM, то отметим, что кпд при Т = 150 K для P3HT: PCPM равно 5.137% и MDMO-PPV в: PCBM равно 6.275%.

На рисунке 27 показано изменение кпд с изменением ширина щели запрещенной зоны полимера. Эффективность СЭ растет с уменьшением ширины запрещенной зоны полимера, и оно достигает 8% при ширине 1.5 eV.

Рисунок 27. Изменение эффективности с температурой MDMOPPV:PCBM объемный гетеропереход.

Рисунок 28. Изменение эффективности с запрещенной зоной полимера P3HT: PCBM объемный гетеропереход.

Оптимальная толщина фотоактивного слоя

Эффективность была рассчитана по мере изменения толщины смеси от 150 до 500 нм. Результаты приведены на рисунке 29. Результаты показывают, что оптимальная эффективность для фотоэлемента P3HT/PCBM достигается на толщине 400 nm. Оптимальное значение толщины, найденное в работе [24] тем же программным обеспечением AMPS-1D, составляет 120 нм.

Рисунок 29. Изменение эффективности с толщиной P3HT:PCBM объемный гетеропереход.

Моделирование не соответствует реальности (экспериментальным данным), поэтому рассмотрим пример моделирования в программе gvpdm

6.3.2 Моделирование в среде gvpdm

Напряжение фотоэлектрического устройства с объемным гетеропереходом электрически моделируется программным обеспечением GPVDM при разном сопротивлении серии. Это программное обеспечение специально разработано для моделирования объемных гетероструктурных органических солнечных элементов, например, на основе материалов P3HT: PCBM. Модель содержит как электрические, так и оптические свойства, обеспечивающие текущие характеристики плотности тока [22]. Моделирование органического фотовольтаического устройства можно разделить на две части: первое электрическое моделирование и второе оптическое моделирование.

Для описания переноса носителей (электронов и дыр) уравнения биполярной дрейфовой диффузии (14) и (15) решаются в пространстве положений для электронов и дыр. Они приведены как:

(14)

(15)

Где Jn и Jp - плотность тока электрона и дырки, мe и мp - подвижность электронов и дырок, nf и pf - концентрация электронов и дырок вдоль уровня Ферми, а ELUMO и EHOMO - энергия уровня LUMO и HOMO.

В этой модели устройства существуют два типа электронов (дырок), т. Е. Свободные электроны (дырки) и захваченные электроны (дырки). Свободные электроны (дырки) имеют конечную подвижность мe (мh), а захваченные электроны (дырки) вообще не могут двигаться и имеют подвижность нуля (23).

Для вычисления средней подвижности предполагается, что отношение свободного к захваченным носителям и умножение его на подвижность свободных носителей, выраженное в уравнении (16):

(16)

Таким образом, если бы все носители были свободными, то их средняя подвижность была бы мe, и если бы все носители были захвачены, то их средняя подвижность была бы равна нулю. Следует отметить, что в модели для вычисления используются только мe мh, а мe (n) - выходной параметр. В органических солнечных элементах фотогенерированные экситоны диссоциируют на электроны и дырки на донорно-акцепторном гетеропереходе. Считается, что вероятность диссоциации экситонов на гетеропереходе достаточно высока, чтобы концентрация экситонов на границе донорно-акцепторная составляла нулю. Таким образом, только генерации экситонов с расстоянием диффузионной длины экситонов от гетероперехода могут способствовать генерации фототока. [26]

Окно электрического моделирования показано на рисунке 30.

Рисунок 30. GPVDM Окно электрического моделирования

Для определения способности органического СЭ к фотопреобразованию падающего света в электроэнергию, его вольт-амперные характеристики измеряют в темноте и при освещении. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) показана на рисунке 31.

Хорошо известно, что в темном состоянии солнечный элемент идеально работает как диод. В условиях освещения устройство генерирует ток. Плотность тока короткого замыкания (Jsc) равна нулю при освещении при нулевой разности потенциалов между анодом и катодом.

Рисунок 31. Вольт-амперная характеристика

В условиях короткого замыкания Jsc находится на пересечении кривой, а напряжение разомкнутой цепи (Voc) является максимальным напряжением, которое может генерироваться органическим солнечным элементом. При напряжении разомкнутой цепи (Voc) плотность тока короткого замыкания (Jsc) при освещении равна нулю и определяется там, где кривая пересекает горизонтальную ось. Максимальная точка мощности (MPP) определяется как точка, где произведение плотности тока и напряжения является максимальным. Кривая J-V дает коэффициент заполнения (FF), который определяется как отношение между PMPP и теоретически максимальной мощностью устройства (Pmax), выраженное в уравнении (17)

(17)

где Vmax и Pmax - плотность напряжения и тока в максимальной точке мощности соответственно. Эффективность преобразования мощности для солнечного элемента, определяемая уравнением (18).

(18)

где Pin - плотность мощности света, а Pout - электрическая мощность, генерируемая объемным солнечным устройством гетероперехода в точке максимальной мощности.

В этой исследовательской работе объемный гетеросекционный солнечный элемент разработан программным обеспечением GPVDM для изучения характеристик J-V при различных сопротивлениях серии. Параметры моделирования показаны в таблице 2.

Таблица 2. Параметры моделирования

Характеристики освещения J-V моделируются при разных сопротивлениях 1Щ, 3Щ, 5Щ и 7Щ. Характеристические кривые J-V показаны на рисунке 32. Из характеристик характеристик J-V видно, что ток короткого замыкания уменьшается с увеличением последовательного сопротивления непрерывно, при 1 Ом ток короткого замыкания максимален и минимален при 7 Ом. Активная область делает номинальный ток фотогена более длинным, прежде чем он собирается на электродах. Положение контактов в устройстве вызывает ток в основном в направлении x, поэтому сопротивление должно зависеть только от длины устройства. В исследовании будет применена толстая сетка для поддержания низкого эффективного сопротивления ITO, даже когда площадь солнечного элемента станет большой.

По мере увеличения сопротивления серии падение напряжения между напряжением соединения и напряжением на клеммах становится больше для одного и того же тока. Результатом является то, что контролируемая током часть кривой I-V начинает просачиваться к началу координат, что приводит к значительному уменьшению напряжения на клеммах и небольшому уменьшению тока Isc. Очень высокие значения Rs также приведут к значительному уменьшению Isc; в этих режимах доминирует сопротивление серии, и поведение солнечного элемента напоминает сопротивление резистора. Эти эффекты показаны для кристаллических кремниевых солнечных элементов в кривых j-v [25].

Рисунок 32. ВАХ для разных значений последовательного контактного сопротивления 1?, 3?, 5?, 7?.

Заключение

В работе проведен анализ физико-химических свойств органических полупроводников, используемых в разработках солнечных элементов на основе гетеропереходов, показаны фотоэлектрические процессы, определяющие характеристики таких солнечных элементов, и влияние параметров структуры на эффективность фотопреобразования.

Выполнено моделирование характеристик солнечных элементов на основе гетероструктуры из полимерного композита P3HT/PCBM с использованием ПО AMPS и Gpvdm. Отмечены возможности каждого ПО. Показано, что программа Gpvdm представляет собой наиболее удобное ПО для моделирования органического солнечного элемента на основе гетероструктур. Моделирование фотоэлектрических параметров солнечного элемента на основе объемного гетероперехода показало, что вольт-амперная характеристика изменяется с изменением последовательного сопротивления. Так, при последовательном сопротивлении 1 Ом получается гладкая кривая, при которой достигается максимальный ток короткого замыкания и кпд устройства. Таким образом, результаты моделирования с помощью ПО Gpvdm ясно показывают, как последовательное сопротивление оказывает влияние на вольт-амперные характеристики органического солнечного элемента.

Список литературы