如何减少大面积有机太阳能电池的损失通道和缺陷
太阳辐照度场自洽分析软件（SETFOS）不仅能够深入解析纯光学特性参数的关键影响因素，并且通过一维太阳辐照度场自洽分析方法实现了对光电子行为的有效建模。
单一方向的模型虽然有助于优化堆叠结构但在设计分析以及改进电极至太阳能电池外部接触点之间横向电流流动方面存在局限性
该软件LAOSS作为一个融合了一维层叠与二维横向模拟的理想解决方案，在这篇博文中将深入探讨Matthias Diethelm及其团队的研究发现。他们利用该软件对厘米级有机太阳能电池进行建模分析，并重点关注潜在损失路径及宏观缺陷的影响机制。
如果你正在进行掌握分流和缺陷对过氧化物太阳能电池的JV曲线影响的学习，这个教程可能会非常有帮助。
图1：本研究中使用的厘米级太阳能电池的光学图像。
仿真
基于2D+1D方法的基本假设指出，在太阳能电池结构中仅限于电极区域中的电流横向流动，在半导体层内部则仅限于垂直于电极的方向流动。通过对半导体材料特性的分析可知，在此情况下两者之间存在数量级上的显著差异。因此这种关于电流分布模式的具体假设具有一定的合理性。基于此理论基础的方法使得原本复杂的三维数值模拟得以分解为二维和平面几何建模（图2所示）。从而使得不仅能够实现对微小结构特征的有效模拟与优化设计，并且能够显著放大对基底材料几何尺寸的研究范围
在本研究中，阳极与阴极之间的垂直耦合关系被视为三种不同的情况之一。
1.零，如果阴极和阳极没有连接。
2.欧姆，如果有一个分流。
3. 一个二极管模型，用于太阳能电池的有源区。
层内及层间的热传导归因于横向与垂直两个方面（图2）。随后估算至大气环境所导致的散热损失，并评估由水平与垂直电流所引发的焦耳热量。
电学和热学模型与指数依赖性相互作用，在温度升高时二极管电流呈现增加趋势
如图2所示是电学（左侧）与热学模型（右侧）的工作原理图。在电学模拟过程中该模型被划分为二维横向与一维垂直两个模块其中横向模块用于计算流经电极区域内的电流分布情况而纵向模块则负责计算流经半导体层之间的电流流动每一部分都具有特定的功能：横向模块用于计算流经电极区域内的电流分布情况纵向模块则负责计算流经半导体层之间的电流流动同时还需要考虑散热系统的作用以保证整个装置运行效率
测量
电致发光（EL）成像用于描绘有机太阳能电池活性层中的电流流动。电致发光信号源自电荷载流子的辐射结合，并与垂直于电极的局部二极管电流呈正相关。通过这些方法可以清晰识别分流区和光电流活跃区域，因为它们在图像上表现为黑色斑点。
电致发光（EL）成像用于描绘有机太阳能电池活性层中的电流流动。电致发光信号源自电荷载流子的辐射结合，并与垂直于电极的局部二极管电流呈正相关。通过这些方法可以清晰识别分流区和光电流活跃区域，因为它们在图像上表现为黑色斑点。
红外成像技术用于测量太阳能电池板上分流的情况。当存在分流时，在局部区域会产生较高的电流，并由此引发温度升高。与EL成像不同的是，在活性较低的区域温度会相对较低。因此这种方法的应用前景非常值得探讨。经过短暂的时间后系统趋于稳定状态
本研究分析了两种不同类型的有机太阳能电池组件。通过使用模拟软件LAOSS分别实现了其伏安特性和电阻率曲线数据的获取与计算分析，并基于此建立缺陷位置与性能参数之间的关系模型。随后，在深入理解其工作原理的基础上对该系统中的关键部件——第二个有机太阳能电池组件也进行了优化设计与改进方案验证
结果
图3.中的电致光效应测量及数值模拟表明，在这种情况下假设成立。在图3.所示的结果中未考虑顶部电极对发射光子的影响。通过正下方位置测得的电流密度值最大，在该区域产生的光子被太阳能电池截获的可能性较高。其整体亮度表现得到了精确模拟，并且这一现象可直接归因于所采用片状电阻结构所带来的直接结果。通过对比实验数据与数值模拟结果之间的差异性分析可知，在这种片状电阻结构下能够成功提取出相应的阻抗特性。
图3展示了电致发光影像（顶部）与电流密度分布（底部）。从左至右观察可看出电致发光强度呈现逐渐递减的趋势，并且这一变化趋势得到了精确模拟。
通过热成像技术和电热模拟工具（如图4所示），研究证实了LAOSS系统中电热耦合现象在很大程度上模仿了局部温度变化特征。这一发现表明不仅因为自发热导致的局部温度升高被精确计算，并且该系统成功地实现了基于温度变化监测的反馈机制应用，在损耗通道建模过程中具有不可替代的作用
图4显示了有机太阳能电池的热图像（顶部）与电热带模拟（底部）。并非所有分流量计都进行了模拟。在后续步骤中，将沿着预先指定的线切割太阳能电池并进行重新测量。以研究较大分流量计的影响。
研究者将柔性有机太阳能电池切分为两块以便探究单个分流器的作用这一操作不仅改变了电流密度分布还导致整体温度的变化如图5所示这些现象同样可以在LAOSS模型中观察到
深入调查发现：分流器的数量以及它们在子电池上的布局对于构建整个太阳能电池模块的 JV 特性模型具有至关重要的作用。如果仅有一个子电池不具备分流器，则该子电池在整个模块短路情况下的 JV 曲线将占据主导地位。因此，在这种情况下：尽管存在几个分流器：但整体上该太阳能电池模块似乎不具备任何分流功能
图5展示了测定与模拟太阳能电池 JV 曲线（左），以及对应情况下的温度曲线（右）。是否切除一个主要分流器是实验设置的关键区别之一。实验结果表明样品相对温度的变化得到了较为理想的模拟。采用 LAOSS 方法能够较为精确地模拟切除主要分流物的过程，在此过程中设备整体温度有所上升，并在40毫米处出现了一个明显的温升现象。
综上所述，在借助LAOSS的帮助之下，研究人员现在已经能够在电热测量方面取得成功，并且能够重现和深入理解他们在厘米级有机太阳能电池上的相关数据。各个电极层的片状电阻可以通过将LAOSS模拟结果与电致发光图像结合来进行精确计算。
因此，基于拉索（LAOSS）的方法帮助研究人员能够对比无接触式光学成像与红外热成像相结合的二维/一维模拟技术来进行横向空间分布特征的影响分析，并从中提取关键参数以进一步优化太阳能电池组件性能。借助于该技术手段，在材料科学领域内工程师可以通过系统性地平衡活性层中的阴影区域以及载流子分布情况来精确调控材料性能参数，并最终确定出最优化的电极几何设计从而显著缩短研发周期。
References
[1] M. Diethelm et al., ["Finite element modeling for analysis of electroluminescence and infrared images of thin-film solar cells"](https://doi.org/10.1016/j.solener.2020.08.058 ""Finite element modeling for analysis of electroluminescence and infrared images of thin-film solar cells""), Solar Energy, 209, 2020