Simulation · Multijonctions

Tandem & Multijonctions

Structures empilées optiquement et électriquement pour dépasser la limite de Shockley-Queisser (~33% en simple jonction). Module simulations/multijunction.py et simulations/multi_layer.py.

Tandem cellule — Fig. 1 — courbe J-V tandem.

Principe physique

Une cellule tandem 2 jonctions (Top + Bottom) capture des photons sur deux plages spectrales différentes :

Top Cell (grand gap Eg₁) : absorbe les photons à haute énergie (UV-visible). Ex : GaInP (Eg ≈ 1.90 eV), Perovskite (Eg ≈ 1.55 eV).
Bottom Cell (petit gap Eg₂) : absorbe les photons transmis (proche infrarouge). Ex : GaAs (Eg ≈ 1.42 eV), Si (Eg ≈ 1.12 eV).

Loi de filtrage Beer-Lambert cascade :
Φ_bottom(λ) = Φ_incident(λ) · exp(−α_top(λ) · d_top)

Limite SQ Tandem (2T) :
J_tandem = min(J_top, J_bottom)   [appariement de courant]
V_tandem = V_top + V_bottom

Modes disponibles

Type JSON	Description	Module interne
`"tandem"`	Cellule 2 jonctions (top + bottom) avec filtrage optique	`simulate_tandem()`
`"triple_junction"`	3 jonctions empilées (GaInP/GaAs/Ge typiquement)	`simulate_triple_junction()`
`"multi_layer"`	Structure générale N couches avec contacts intermédiaires	`simulate_multi_layer()`

Paramètres d'entrée

Clé JSON	Type	Description
`tandem.top_cell.material`	string	Matériau de la jonction frontale (fort gap)
`tandem.top_cell.thickness`	float (cm)	Épaisseur totale de la top cell
`tandem.top_cell.doping_n`	float (cm⁻³)	Dopage N de la top cell
`tandem.top_cell.doping_p`	float (cm⁻³)	Dopage P de la top cell
`tandem.bottom_cell.material`	string	Matériau de la jonction arrière (petit gap)
`tandem.bottom_cell.thickness`	float (cm)	Épaisseur totale de la bottom cell
`tandem.terminal_mode`	string	"2-terminal" (courant limité) ou "4-terminal" (cellules indépendantes)
`tandem.tunnel_junction`	bool	Activer la modélisation simplifiée de la jonction tunnel

Sorties clés

Clé	Description
`jsc_top / jsc_bottom`	Courants de court-circuit individuels des sous-cellules
`voc_top / voc_bottom`	Tensions en circuit ouvert individuelles
`current_matching_ratio`	Ratio Jtop/Jbottom (idéal = 1.0 pour 2T)
`tandem_efficiency`	Rendement global de l'empilement
`scientific_readiness`	Qualification de fiabilité — à vérifier avant toute conclusion

Validité des résultats. Les structures multijonctions sont marquées research_only ou invalid si le current matching est trop déséquilibré ou si l'une des sous-cellules diverge. Vérifiez toujours scientific_readiness et iv_metrics_valid avant d'interpréter les résultats.

Exemple de configuration JSON

config_perovskite_si_tandem.json

{
  "simulation_name": "perovskite_si_tandem",
  "simulation_type": "tandem",
  "tandem": {
    "terminal_mode": "2-terminal",
    "top_cell": {
      "material": "MAPbI3",
      "thickness_n": 5e-6,
      "thickness_p": 5e-5,
      "doping_n": 1e18,
      "doping_p": 1e17
    },
    "bottom_cell": {
      "material": "Si",
      "thickness_n": 1e-5,
      "thickness_p": 2e-4,
      "doping_n": 1e18,
      "doping_p": 1e15
    }
  },
  "voltages": { "start": 0.0, "stop": 1.8, "points": 80 },
  "illumination": { "enabled": true },
  "optical_model": "auto"
}

Stratégie d'optimisation recommandée

Pour maximiser l'appariement de courant en configuration 2T, utilisez le module d'optimisation SPARC avec :

Paramètre cible : current_matching_ratio (minimiser |1 − ratio|)
Variables libres : tandem.top_cell.thickness_p et tandem.top_cell.material (si catégoriel)
Moteur recommandé : BoTorch GP (peu de paramètres, simulation coûteuse)

Références

Shockley, W. & Queisser, H.J. (1961). Detailed balance limit of efficiency of p-n junction solar cells. J. Appl. Phys. 32, 510.
Henry, C.H. (1980). Limiting efficiencies of ideal single and multiple energy gap terrestrial solar cells. J. Appl. Phys. 51, 4494.
NREL Best Research-Cell Efficiencies Chart (2024).