Herramientas de simulación de células solares avanzadas

Abstract

Las células solares de perovskita (PSCs) han atraido un considerable interés en investigación por presentar en su respuesta optoelectrónica una serie de características distintivas que tienen una influencia crucial en su comportamiento, particularmente en la respuesta a largo plazo. En esta tesis se presenta un conjunto de avances recientes, tanto en simulación de dispositivos como en su respuesta optoelectrónica y fotovoltaica, con el animo de abarcar de una forma comprensible dichos progresos. Las simulaciones de dispositivos se acompañan de discusiones clarifi cadoras respecto a las implicaciones del modelado difusión-deriva clásico y la inclusión de capas con carga iónica cerca de los contactos externos, selectivos para portadores libres. Asimismo, se estudia la histéresis presente en las curvas de corriente-tensión (J-V). Aunque incluye diferentes modelos y explicaciones alternativas en las discusiones, este trabajo se basa en un mecanismo clave capaz de generar la mayoría de las ricas respuestas experimentales recogidas en el: En particular, para las células solares más avanzadas que exhiben e ciencias del 20% o superiores, las interfaces con las capas más externas juegan un papel determinante en su comportamiento. El movimiento iónico y electrónico en la vecindad de cada interfaz, combinado con los mecanismos de extracción de carga y recombinación superfi cial, debe ser cuidadosamente estudiado para avanzar en la mejora del rendimiento. El conocimiento de los mecanismos que tienen lugar en los contactos selectivos, localizados en las heterouniones formadas por las capas de transporte de carga (CTL) y la perovskita, es crucial para la optimización de las células solares de perovskita (PSCs). Los anómalamente altos valores de la capacidad a baja frecuencia en cortocircuito y circuito abierto indican una alta acumulación de carga en las interfaces, la cual puede di ficultar la extracción e incrementar la histéresis en la curva de corriente-tensión. Para investigar esta cuestión, se ha desarrollado un modelo de simulación basado en las ecuaciones diferenciales de difusión y deriva con condiciones de contorno especfi cas en las interfaces. Se han simulado las estructuras CTL/perovskita como parte de la célula solar completa, con vistas a establecer per les de energía a realistas a lo largo de las interfaces. Los diagramas de energía a permiten detectar en que situaciones existe acumulación de carga libre en dichas interfaces, as como cuanfiti car esta acumulación en función de parámetros del material y el dispositivo. Asimismo, se discute sobre el papel y la importancia de cada interfaz, en circuito abierto y cortocircuito. Se concluye que la acumulación de carga en las interfaces se ve fuertemente afectada por el material de los contactos, y depende de forma crítica de un compromiso entre la presencia o no de iones, los valores de la movilidad de los portadores y los parámetros de la recombinación en el sustrato y en las interfaces. El modelado de la transferencia de carga que tiene lugar en los interfaces de las heterouniones CTL/perovskita es esencial para describir con exactitud el funcionamiento de las células solares de perovskita (PSCs). Valores an omalamente altos de capacidad a baja frecuencia en circuito abierto y cortocircuito indican alta acumulación de carga en las interfaces, lo que puede asociarse a histéresis en curvas de corriente-tensíon. Experimentos anteriores de medida de corriente en la oscuridad indican que, modi ficando el tipo de contacto selectivo, es posible eliminar la componente capacitiva de la corriente y reducir el ciclo de histéresis en la curva J-V. Para investigar el origen físico de estos hallazgos experimentales, se desarrolla un modelo de simulación basado en las ecuaciones diferenciales de difusión-deriva con un tratamiento especifico co de las interfaces. Se discute el papel y la importancia del uso de un modelo apropiado de recombinación en la interfaz en relación al funcionamiento de las PSCs en condiciones de oscuridad. En este sentido, se consideran diferentes mecanismos de recombinación propuestos en la literatura para las interfaces. Además, se propone un nuevo modelo de recombinación en el que se considera la existencia de una interfaz CTL/perovskita no abrupta, en donde existe recombinación cruzada de tipo banda-banda caracterizada por un ancho de banda prohibida efectivo y grosor especficos. Se incluyen asimismo perdidas resistivas en la simulación, con objeto de alcanzar ordenes de magnitud similares a los observados en las densidades de corriente experimentales. Este modelo es capaz de reproducir efectos de histéresis observados experimentalmente en curvas corriente-tensión en la oscuridad medidas a frecuencias de barrido medio-altas. Se constata asi la importancia de considerar un modelo de recombinación realista apropiado en las interfaces para poder interpretar la histéresis de corrientes obtenidas experimentalmente en condiciones de oscuridad, así como cuanfiti car el papel que juegan los contactos selectivos en estos experimentos

Perovskite solar cells (PSCs) have attracted considerable research interest because they exhibit a series of distinctive features in their optoelectronic response which have a crucial in uence on the performance, particularly for long-time response. A survey of recent advances, both in device simulation and optoelectronic and photovoltaic responses, is provided in this thesis, with the aim of comprehensively covering these recent advances. Device simulations are included with clarifying discussions about the implications of classical drift{di usion modeling and the inclusion of ionic charged layers near the outer carrier selective contacts. Hysteresis in current-voltage curves is also studied here. Although alternative models and explanations are included in the discussion, the work relies upon a key mechanism able to yield most of the rich experimental responses. Particularly for state-of-the-art solar cells exhibiting e ciencies around or exceeding 20 %, outer interfaces play a determining role on the PSC's performance. The ionic and electronic kinetics in the vicinity of the interfaces, coupled to surface recombination and carrier extraction mechanisms, should be carefully explored to progress further in performance enhancement. Knowledge of the mechanisms that take place at the selective contacts, located at the chargetransport- layer (CTL)/perovskite heterojunctions, is crucial for the optimization of perovskite solar cells. Anomalous high values of the low-frequency capacitance at open-circuit and short-circuit indicate a high accumulation of charge at the interfaces, which could hinder the extraction of charge and increase hysteresis in current-voltage curve. To investigate this issue, a simulation model based on the drift-di usion di erential equations with speci c boundary conditions at the interfaces has been developed. The CTL/perovskite structures has been simulated as part of the entire perovskite solar cell, in order to establish the realistic energy pro le across the interfaces. The energy pro le allows to detect in which situations free charge accumulation at the interfaces exists, and to quantify this accumulation as a function of the device and material parameters. The role and the importance of each CTL/perovskite interface at open-circuit and short-circuit is also discussed. The conclusion is that the accumulation of charge at the interfaces is strongly a ected by the speci c contact materials, and critically depends on a compromise between the presence of ions, the values of the carrier mobility, and the interfacial and bulk recombination parameters. Modeling the transfer of charge that occurs at the interfaces of the charge-transport-layer (CTL)/perovskite heterojunctions is esential for accurately describing the performance of perovskite solar cells (PSCs). Anomalous high values of the low-frequency capacitance at open-circuit and shortcircuit indicate a high accumulation of charge at the interfaces, which can be linked to hysteresis in current-voltage (J-V) curves. Past experiments measuring dark current indicate that by modifying the type of selective contact, it is possible to suppress the capacitive contribution of the current and reduce the J{V cycling hysteresis. To investigate the physical origin of these experimental facts, a simulation model based on the drift-di usion di erential equations with a speci c treatment of the interfaces is developed. The role and the importance of using a proper interface recombination model on the performance of PSCs under dark conditions is discussed. In this regard, di erent interface recombination mechanisms proposed in the literature are considered. In addition, a new recombination model is proposed; this model considers the existence of a non-abrupt perovskite/CTL interface, in which band-to-band crossed recombination takes place, and is characterized by a speci c e ective bandgap and a speci c thickness. Moreover, resistive losses are incorporated in the simulation in order to achieve similar order of magnitude to those obtained in experimental current densities. This model is able to reproduce medium/high-frequency hysteretic e ects observed in experimental current-voltage curves. We show the importance of considering a realistic recombination model at the interfaces in order to interpret experimental hysteretic currents in darkness, and to quantify the role played by the selective contacts in these experiments.