Simulation großflächiger organischer Solarzellen (PM6:Y6): Von dreidimensionalen Kontaktnetzwerken bis hin zu beleuchteten Bauelementen
1. Einleitung
In diesem Tutorial setzen wir die Reihe über die Simulation großflächiger Bauelemente fort und konzentrieren uns dabei auf Bauelemente, die die Phase kleiner Laborzellen hinter sich gelassen haben und nun in anwendungsspezifischen Größenordnungen eingesetzt werden. Es schließt an zwei bestehende Arbeitsabläufe in der Anleitung an: Gestaltung großflächiger Kontakte (ohne aktive Bauelemente) und komplexe 3D-Perowskitmodule. Dieses Beispiel schlägt die Brücke zwischen diesen beiden Arbeitsabläufen, indem es Dioden und Lichtabsorption in eine zuvor entworfene Kontaktstruktur einbringt, jedoch nicht bis zu einem vollständig vernetzten Modul geht.
Hier simulieren wir eine einzelne, großflächige organische Solarzelle, die auf einer PM6:Y6-Architektur mit aufgedruckten, hexagonalen Metallkontakten basiert. Ziel ist es, zu verstehen, wie sich ein Gerät, das auf kleiner Fläche gut funktioniert, verhält, wenn es auf eine größere Fläche skaliert wird, wobei der laterale Stromfluss, der Spannungsabfall und der Kontaktwiderstand immer stärker ins Gewicht fallen. Obwohl dieses Tutorial OPV-Materialien verwendet, ist der Arbeitsablauf allgemein: Durch den Austausch der optischen n/k-Daten und die Anpassung der Komponentenwerte kann dasselbe Modell Ihr Forschungsgerät darstellen.
Um diesen Arbeitsablauf auf Ihr eigenes Gerät anzuwenden, geben Sie einfach zwei Datensätze ein: die spezifischen Widerstände der Schichten (in der Regel aus der Fachliteratur oder einfachen Teststrukturen entnommen) und eine kleine Anzahl von Diodenparametern, wie z. B. den Idealitätsfaktor, den Photostrom und den Sättigungsstrom. Sobald diese Werte festgelegt sind, ermöglicht das Modell Ihnen, ein Laborgerät virtuell auf eine größere Größe zu skalieren und zu ermitteln, welche Verlustmechanismen seine Effizienz beeinträchtigen werden, wenn es in großflächige, reale Geometrien überführt wird.
Hier verwenden wir nicht den vollständigen 3D-Drift-Diffusions-Solver, obwohl OghmaNano einen solchen anbietet. Bei großflächigen Bauelementen wird eine vollständig aufgelöste 3D-Drift-Diffusion schnell rechentechnisch unpraktikabel und oft unnötig, da die Hauptbeschränkungen eher von der lateralen Transport und dem Kontaktwiderstand als von der Bewegung der Ladungsträger durch jede Schicht herrühren. Stattdessen erstellt OghmaNano ein geometrieabhängiges 3D-Schaltungsmodell, in dem die laterale Transport und die Kontakte durch resistive Elemente dargestellt und das photovoltaische Verhalten mithilfe eingebetteter Dioden modelliert wird.
Während das elektrische Problem mithilfe einer Schaltungsmodellierung gelöst wird, werden die optischen Aspekte umfassend berücksichtigt. Die Photogenerierung wird mithilfe eines Transfermatrix-basierten optischen Solvers berechnet, der in eindimensionalen Abschnitten über die dreidimensionale Geometrie ausgewertet wird. Dabei werden die Interferenz- und Absorptionseffekte von Dünnschichten beibehalten, während der Schaltungssolver die Stromerfassung über große Flächen übernimmt.
2. Erstellen Sie die Simulation.
Im Hauptfenster klicken Sie auf „Neue Simulation“. Es wird eine Liste mit Simulationskategorien angezeigt (siehe ??). Klicken Sie dann doppelt auf „Großflächige PM6:Y6-Solarzelle“ (siehe ??).
Nachdem die Simulation erstellt wurde, öffnet sich das Hauptfenster und zeigt die Gerätegeometrie in drei Dimensionen an (siehe ??). Der obere Kontakt besteht aus einem hexagonalen (Waben-)Metallgitter, das mit Ag gekennzeichnet ist. Diese Silberschicht dient als hochleitfähiges Stromsammler-Gitter. Da sie als Gitter ausgeführt ist, bleibt der Großteil der Oberfläche offen, sodass Licht durch den Kontakt hindurchtreten kann. Unter dem Silbernetz befindet sich PEDOT:PSS, das als laterale Stromverteilungsschicht dient. Wie im Tutorial für großflächige Kontakte wird die Ladung zunächst lateral in der Polymerschicht gesammelt und dann in das niederohmige Silbernetz übertragen, um eine effiziente Stromabnahme zu ermöglichen.
Die photoaktive Schicht besteht aus PM6:Y6. Elektrisch wird diese Schicht durch ein Diodenelement dargestellt, bei dem die optische Erzeugung aktiviert ist. Zusätzliche Widerstandskomponenten sorgen dafür, dass die Berechnung die endliche Leitfähigkeit berücksichtigt. Am unteren Ende des Stapels befindet sich ein durchgängiger Ag-Kontakt, der die gesamte Gerätefläche abdeckt und die elektrische Verbindung herstellt.
Die grüne Leiste, die im Hauptfenster sichtbar ist, scheint möglicherweise zu schweben, ist aber lediglich eine visuelle Anzeige der Randbedingung für die Extraktion. Sie kennzeichnet den Bereich, in dem der Solver den elektrischen Kontakt anwendet, der zur Stromentnahme aus dem Schaltungsnetzwerk dient.
3. Überprüfen Sie die epitaktische Schichtstruktur und die Kontakte.
Diese Simulation (und das zuvor gezeigte Beispiel einer großflächigen Kontaktstruktur) basiert auf einer geschichteten epitaktischen Struktur. Das Bauelement wird als Stapel dünner Schichten mithilfe des Schichteditors aufgebaut, wodurch sichergestellt wird, dass jede Schicht sauber auf der vorherigen aufgetragen wird, ohne Lücken und mit einer einheitlichen Behandlung der Schichtdicke. Dieser Ansatz eignet sich gut für planare, großflächige Bauelemente, bei denen der vertikale Stapel festgelegt ist und das laterale Verhalten durch das Schaltungsmodell eingeführt wird. Er unterscheidet sich von späteren Simulationen im Modulstil (siehe das Tutorial interconnected module tutorial), bei denen Finger, Sammelschienen und komplexere Layouts explizit mithilfe einer vollständigen 3D-Geometrie definiert werden.
Um die Struktur zu überprüfen, öffnen Sie den Layer-Editor, um die Layer-Anordnung anzuzeigen (siehe ??), und öffnen Sie anschließend das Kontakt-Panel im Editor für die Bauelementstruktur (siehe ??). Geometrisch gesehen ist die Konfiguration einfach, aber wichtig: Der untere Kontakt erstreckt sich über die gesamte Fläche des Bauelements, während der obere Kontakt viel kleiner ist und den Bereich definiert, aus dem der Strom entnommen wird, was mit dem in der 3D-Ansicht angezeigten grünen Stromabnahme-Marker übereinstimmt. Das Verständnis dieser Kontaktgeometrie ist entscheidend, da sie die lateralen Strompfade festlegt, die das Verhalten von Bauelementen mit großer Fläche bestimmen.
4. Überprüfung des Gitters
Wechseln Sie zum Reiter „Schaltplan“ und klicken Sie auf das Aktualisierungssymbol unten links (das Symbol in Form eines Recyclingsymbols). Durch diese Aktion wird die Schaltungsdarstellung des Bauteils direkt aus der definierten Geometrie und der Schichtanordnung erstellt. Das resultierende Schaltungsnetz wird in ?? dargestellt. Jede Verbindung im Netz entspricht einem Schaltungselement, wie z. B. einem Widerstand oder einer Diode, wobei die Farbe die Schicht oder den Materialbereich angibt, aus dem es stammt.
Durch Drehen der Ansicht können Sie die oberen und unteren Kontaktbereiche deutlich erkennen. In ?? und ?? zeigen die blauen Punkte die Knoten an, aus denen der Strom aus dem Schaltkreisnetz entnommen wird. Diese Knoten definieren die Kontaktgrenzbedingungen und geben die Stellen an, an denen der Schaltungslöser den Strom vom Bauelement bezieht.
5. Elektrische Parameter und optische Erzeugung
Öffnen Sie die elektrischen Parameter über das Bedienfeld der Bauelementstruktur. Dieser Editor steuert die Eigenschaften von Widerständen und Dioden, die im großflächigen Schaltungsmodell verwendet werden. Beispielhafte Einstellungen sind in ?? und ?? dargestellt. Für die PM6:Y6-Schicht werden Sie Parameter sehen, die spezifisch für ein Diodenelement sind, einschließlich des Idealitätsfaktors n und des Sperrstroms (Sättigungsstroms) I0. Wenn Sie diese Werte durch Werte aus Ihren eigenen experimentellen Kurven ersetzen, können Sie sehen, wie sich Ihr Bauelement verhält. Sie können auch die optische Erzeugung von Ladungsträgern aktivieren. Wenn die optische Erzeugung aktiviert ist, stellt der Transfermatrix-basierte optische Solver einen Photostromterm bereit, der als Photostrom Iph in die elektrische Modellgleichung der beleuchteten Diode einfließt:
I(V) = I0 [exp(qV / (n k T)) − 1] − Iph
In diesem Tutorial steuert der Schalter effektiv den Iph-Wert. Wenn die optische Erzeugung deaktiviert ist, verhält sich die Schaltung wie ein Netzwerk aus dunklen Dioden. Wenn sie aktiviert ist, führt die Beleuchtung dazu, dass Strom durch das Diodenelement in die Schaltung eingespeist wird, wobei Iph durch den absorbierten Photonenfluss der Transfermatrix-Optik bestimmt wird.
💡 Implementierungsdetail: Die aktive Schicht kann in ihrer Dicke in mehrere resistive Elemente unterteilt werden, um den Ladungstransport im Volumen und den Serienwiderstand zu berücksichtigen. Das Schaltkreismodell enthält jedoch immer eine einzelne Diodenschicht, die typischerweise am unteren Ende der aktiven Region angeordnet ist. Dies spiegelt die Tatsache wider, dass die Diode die gesamte Strom-Spannungs-Kennlinie und die Photogenerierung des Bauelements darstellt, während die resistiven Elemente den Spannungsabfall und die Stromverteilung innerhalb des Materials berücksichtigen.
6. Durchführung der Simulation
Um die Simulation zu starten, klicken Sie auf „Simulation ausführen“ (das blaue Dreieck in der Hauptsymbolleiste) oder drücken Sie F9. Der Solver beginnt sofort mit der Ausführung, und das Ausgabefenster wird in Echtzeit aktualisiert (siehe ??).
Die farbigen Linien, die zu Beginn der Ausgabe erscheinen, entsprechen der optischen Berechnung. In dieser Phase berechnet der Solver mithilfe der Transfermatrix die Photogenerierung im gesamten Bauelement, Schicht für Schicht, um das räumlich aufgelöste Generationsprofil zu erstellen. Sobald dies abgeschlossen ist, geht der Solver zum elektrischen Problem über und beginnt mit der Lösung des Schaltkreises.
Es lohnt sich, die Terminalausgabe während der Simulation zu beobachten. Diese Informationen stellen kein störendes Rauschen dar, sondern liefern nützliche Einblicke darüber, ob die Simulation physikalisch korrekt verläuft. In dem gezeigten Screenshot können wir sehen, dass etwa −9,48 × 102 A m−2 aus einem der Kontakte fließt, während −9,48 × 101 A m−2 aus dem anderen fließt. Gleichzeitig zeigt der angegebene Solver-Restwert F = 1,7 × 10−14, dass die Stromkontinuität mit extrem hoher Genauigkeit erfüllt wurde, wobei der erste JV-Punkt in etwa 17 ms berechnet wurde.
Die Differenz in der Stromdichte zwischen den beiden Kontakten ist völlig normal. Der untere Kontakt erstreckt sich über die gesamte Fläche des Bauelements, während der obere Kontakt nur einen kleinen Bereich einnimmt. Infolgedessen wird der gleiche Gesamtstrom über eine viel kleinere Fläche am oberen Kontakt abgeleitet, was zu einer deutlich höheren Stromdichte dort führt. Die Analyse der Terminalausgabe auf diese Weise ermöglicht eine schnelle und effektive Überprüfung, ob die Simulationsgeometrie und die Randbedingungen physikalisch konsistent sind. Wenn der Restfehler auf etwa 1 ansteigen würde oder die Berechnungszeit ungewöhnlich lang wäre, würde dies in der Regel auf ein Problem hindeuten, z. B. ein fehlerhaftes Netz oder einen nicht verbundenen Kontakt. Sobald die Simulation abgeschlossen ist, öffnen Sie die Registerkarte „Ausgabe“ (siehe ??). Die verfügbaren Ausgaben werden in vorheriges Tutorial detaillierter beschrieben und in nächstes Tutorial weiter erläutert. Hier konzentrieren wir uns ausschließlich auf die kontaktbezogenen Strom-Spannungs-Kennlinien.
Jeder elektrische Kontakt verfügt über eine eigene JV-Datei, nämlich jv_contact0.csv und jv_contact1.csv, in der der Strom aufgezeichnet wird, der aus dem jeweiligen Kontakt fließt. Obwohl sich die Stromdichten unterscheiden, ist der gesamte abgeführte Strom gleich, sobald die Kontaktflächen berücksichtigt werden. Durch das Öffnen der Datei jv_contact0.csv wird die unten dargestellte JV-Kurve erzeugt.
7. Bearbeiten der Materialparameter
Die Materialeigenschaften können direkt über den Objekt-Editor geändert werden. Durch einen Rechtsklick auf eine beliebige Ebene in der 3D-Ansicht und Auswahl von „Objekt bearbeiten“ wird der Objekt-Editor geöffnet (siehe ?? und ??).
Von hier aus können Sie das dem Objekt zugewiesene optische Material ändern, seine geometrische Form anpassen (zum Beispiel bei der Verwendung strukturierter Kontaktlinsen wie Wabenstrukturen) oder visuelle Attribute wie die Farbe einstellen. In dieser epitaxieähnlichen Simulation wird die absolute Objektposition weitgehend durch die Schichtanordnung bestimmt, sodass Parameter wie Verschiebung und Drehung in der Regel nur geringe Auswirkungen haben. Entscheidend sind die Zuweisung des optischen Materials und die Geometrie des Objekts.
💡 Probieren Sie Folgendes aus: Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die Ebene „PM6:Y6“ und ersetzen Sie das verwendete optische Material durch ein Perowskit-Material. Führen Sie die Simulation anschließend erneut aus und beobachten Sie, wie sich die Kennlinie (JV-Kurve) verändert. Wenn Sie möchten, können Sie auch die Diodenparameter – wie den Idealitätsfaktor, den Sättigungsstrom und den Photostrom – mit Werten aktualisieren, die in der Fachliteratur zu Perowskiten angegeben sind.
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