Anleitung zum Exiton-Domänen-Modell (Teil B): Bearbeitung der Geometrie und der optischen Eigenschaften

1. Die Form des Bereichs bearbeiten

In realen Systemen mit heterogenen Bulk-Übergängen sind die Donordomänen weder vollkommen kugelförmig noch homogen. Ihre Größe, Form und Konnektivität variieren im Nanometerbereich, und diese geometrischen Eigenschaften beeinflussen direkt, wie weit sich Exzitonen ausbreiten müssen, bevor sie eine Donator-Akzeptor-Grenzfläche erreichen. Da das Exziton-Domänen-Modell vollständig dreidimensional und auf einem Netz basiert, ermöglicht es, zu untersuchen, wie sich Veränderungen in der Domänenmorphologie – über einfache Größenvariationen hinaus – auf den Exzitontransport und die Exzitonen-Dissoziation auswirken.

Um die Geometrie des Bereichs zu ändern, klicken Sie mit der rechten Maustaste auf das eingebettete Objekt (die Kugel im Standardbeispiel) im Hauptfenster der Simulation. Das Kontextmenü wird in Abbildung ?? angezeigt. Wählen Sie „Mesh-Editor“, um den Geometrie-Editor zu öffnen.

Innerhalb des Netzgenerators können Sie aus einer Bibliothek vordefinierter Formen auswählen oder Ihre eigenen Geometrien importieren. Der Exzitonen-Solver ist unabhängig von der Topologie: Solange die Form vernetzt werden kann, kann sie als Donorbereich verwendet werden. Zur Veranschaulichung ersetzen wir die Kugel durch einen teekannenförmigen Bereich, der auf Nanometergröße skaliert ist. Obwohl dies offensichtlich keine realistische Morphologie für eine BHJ ist, bietet diese bewusst komplexe, nanobasierte Form eine intuitive Möglichkeit, zu erkennen, wie Krümmung, Konkavität und lokale Dicke die Exzitonen-Diffusionswege und die Grenzflächen-Dissoziation beeinflussen.

Wählen Sie die Form der Teekanne aus, indem Sie auf das Symbol für die Formdatenbank klicken (das Symbol mit den drei Punkten) und anschließend doppelt auf „Teekanne“ klicken. Schließen Sie den Mesh-Editor. Das Hauptfenster der Simulation wird automatisch aktualisiert, wie in Abbildung ?? dargestellt.

Führen Sie die Simulation wie zuvor durch. Sobald sie abgeschlossen ist, navigieren Sie zu „Exciton-Ausgabe“ und öffnen Sie exciton.csv. Das resultierende Exciton-Dichtefeld wird in Abbildung ?? dargestellt. Obwohl die hier verwendete spezifische Form künstlich ist, ist die zugrunde liegende Physik identisch mit dem sphärischen Fall: Exzitonen werden innerhalb des Donors erzeugt, diffundieren durch das dreidimensionale Gebiet und werden an den Grenzflächen entfernt, an denen die Dissoziation stark ist. Der Vorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass die Geometrie durch eine beliebige gewünschte Form ersetzt werden kann, wodurch das Modell sich gut für systematische „Was-wäre-wenn“-Studien eignet, um zu untersuchen, wie die Domänenmorphologie den Excitonentransport und die effektive Ladungserzeugung beeinflusst.

2. Optische Eigenschaften

Die optischen Eigenschaften im Exiton-Domänen-Modell werden jedem einzelnen Objekt zugewiesen. Um sie zu bearbeiten, klicken Sie mit der rechten Maustaste entweder auf die umgebende Schicht oder auf die eingebettete Donor-Domäne und wählen Sie „Objekt-Editor“ aus. Daraufhin wird das in Abbildung ?? gezeigte Fenster des Objekt-Editors geöffnet. Jedem Objekt kann ein bestimmtes optisches Material zugeordnet werden, und zu diesen Materialien gehören wellenlängenabhängige Daten zum Brechungsindex (\(n,k\)). In einer vollständigen optischen Simulation würden diese Materialeigenschaften verwendet, um zu bestimmen, wie Licht räumlich innerhalb der Struktur absorbiert wird und wie Exzitonen in Abhängigkeit von der Position und der Wellenlänge erzeugt werden.

In diesem Tutorial werden die optischen Materialdaten (die jedem Objekt zugewiesene Kennung \(n,k\)) nicht verwendet, um die Absorption zu berechnen. Stattdessen wird die Erzeugung von Exzitonen direkt durch eine konstante Exzitonerzeugungsrate festgelegt. Dies ist eine bewusste Modellierungsentscheidung, die darauf abzielt, den Exzitontransport, die Rekombination und die Dissoziation an der Grenzfläche von optischen Interferenz- und wellenlängenabhängigen Effekten zu isolieren. Die entsprechende Konfiguration wird im Editor für die optische Simulation eingestellt, der über die Registerkarte „Optik“ im Hauptfenster aufgerufen wird, und ist in Abbildung ?? dargestellt.

Im optischen Editor ist das Generierungsmodell derzeit auf einen konstanten Wert eingestellt. Die objektbezogenen Generierungsraten können angezeigt werden, indem man das Dropdown-Menü öffnet, das dem konstanten Wert zugeordnet ist, und „Konstante bearbeiten“ auswählt. Dadurch wird der in der Abbildung gezeigte Generierungsraten-Editor geöffnet, der die für jedes Objekt in der Szene festgelegte Generierungsrate auflistet. In der aktuellen Konfiguration wird dem Donorbereich (Kugel oder Teekanne) eine gleichmäßige Generierungsrate von \(1\times10^{27}\,\mathrm{m^{-3}\,s^{-1}}\) zugewiesen, während der umgebende Bereich auf Null gesetzt wird. Dies erzeugt eine räumlich gleichmäßige Exzitonenquelle, die auf den Donorbereich beschränkt ist. Da die Generierungsrate überall festgelegt und bekannt ist, können die resultierende Exzitondichte und die Dissoziationsmuster direkt im Hinblick auf Diffusions-, Rekombinations- und Grenzflächenverlustprozesse interpretiert werden, ohne die zusätzliche Unklarheit, die durch wellenlängenabhängige Absorptionsprofile entsteht.

Nachdem die Geometrie und die optische Erzeugung festgelegt wurden, ist das Exiton-Domänen-Modell nun vollständig. Sie können nun untersuchen, wie sich Änderungen der Domänenform, -größe und der Exiton-Parameter auf die in exciton_sim_info.json beschriebene Dissoziationseffizienz auswirken.