OPV-Bauelementstruktur: Schichtbearbeitung, aktive Schichten und Dicke

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1. Bearbeitung der Struktur der OPV-Zelle

Organische Solarzellen sind mehrschichtige Bauelemente, und die Struktur des OPV-Bauelements hat einen großen Einfluss auf die optische Absorption, die Ladungsträgerentnahme und die simulierte Leistung. Bei OghmaNano wird der Schichteneditor verwendet, um die Schichtanordnung der Solarzelle zu definieren, einschließlich der Schichtdicke, des optischen Materials und der Festlegung, ob jede Schicht als aktive, Kontakt- oder andere Schicht behandelt wird. Dieser Editor kann aus dem Hauptfenster der Simulation unter dem Reiter „Bauelementstruktur“ geöffnet werden, wie in ?? dargestellt. Der Schichteneditor selbst ist in ?? dargestellt.

Das Fenster des Layer-Editors zeigt eine Tabelle an, die die Struktur des Bauelements beschreibt. Jede Zeile entspricht einer Schicht, wobei die Spalten Eigenschaften wie Name, optisches Material, Typ und Dicke enthalten. Die Dicke bestimmt die physikalische Dicke der Schicht. In diesem Beispiel ist die P3HT:PCBM-Schicht die aktive Schicht – der Teil des Bauelements, der Photonen absorbiert und Ladungsträger (Elektronen und Löcher) erzeugt.

2. Dicke der aktiven Schicht und Leistung von OPV-Zellen

Eine Dicke der aktiven Schicht von etwa 50 nm wird bei organischen Photovoltaikzellen (OPV) als dünn betrachtet, während 400 nm relativ dick ist. Eine dickere Schicht absorbiert mehr Licht, aber sie erhöht auch die Strecke, die die durch Licht erzeugten Ladungsträger zurücklegen müssen, um die Kontakte zu erreichen. Je größer diese Strecke ist, desto größer ist auch die Wahrscheinlichkeit, dass ein durch Licht erzeugtes Elektron auf ein durch Licht erzeugtes Loch trifft (Rekombination). Dadurch sinkt der Anteil der Ladungsträger, die erfolgreich extrahiert werden können. Folglich verbessert sich die Leistung des Bauelements nicht unbegrenzt mit zunehmender Absorption. Daher gibt es immer einen Kompromiss zwischen der vollständigen Absorption des Lichts durch eine dickere Bauweise und der Vermeidung einer zu dicken Bauweise, damit die Ladungsträger eine gute Chance haben, dem Bauelement zu entkommen. Dieser Kompromiss ist ein zentrales Prinzip beim Design von OPV-Zellen.

3. Felder des Layereditors

Der Layer-Editor verfügt über die folgenden Spalten:

• Layernamen: Ein einfacher Textname für die Ebene. Sie können den Ebenen beliebige Namen geben (z. B. ITO, PEDOT, Fred oder Bob); der Name selbst hat keine physikalische Bedeutung.
• Dicke: Die Schichtdicke wird in Metern angegeben.
• Optisches Material: Gibt den verwendeten n/k-Datensatz an, der zur Beschreibung der optischen Eigenschaften des Materials dient. Diese Werte stammen aus experimentellen Daten, die in der optischen Datenbank (??) gespeichert sind, und sind unabhängig von elektrischen Eigenschaften wie der Bandlücke.
• Layertyp: Definiert, wie der Simulator die Ebene behandelt:
  • aktiv: Eine elektrisch aktive Schicht, in der der Drift-Diffusions-Solver die elektrischen Gleichungen löst (??). Es können mehrere aktive Schichten vorhanden sein, diese müssen jedoch aneinandergrenzen.
  • Kontakt: Eine Schicht, die als Elektrode definiert ist, an der eine Spannung angelegt wird. Einzelheiten finden Sie unter ??.
  • Sonstige: Alle Schichten, die weder eine Kontaktschicht noch eine aktive Schicht sind. Diese werden als passive Schichten behandelt.

4. Welche Schichten der organischen Photovoltaikzelle sollen aktiv sein?

Ein häufiger Fehler bei der Definition einer Bauelementstruktur besteht darin, anzunehmen, dass alle Schichten als aktiv eingestellt werden müssen, nur weil jede Schicht Strom leitet. In der Realität leiten die meisten Transportschichten oder Kontaktschichten nur eine Art von Ladungsträger (entweder Elektronen oder Löcher) und verhalten sich im Wesentlichen wie Widerstände. In einer Standard-P3HT:PCBM-Solarzelle beispielsweise leitet die PEDOT:PSS-Schicht nur Löcher, während der Ca/Al-Kontakt nur Elektronen leitet. Das Lösen der vollständigen Drift-Diffusions-Gleichungen (für beide Arten von Ladungsträgern) in solchen Schichten ist physikalisch nicht sinnvoll.

Aktive Schichten sollten daher auf Bereiche beschränkt werden, in denen beide Ladungsträger vorhanden sind und in denen Photogenerierung, Rekombination oder Ladungsträgerfang stattfindet. In organischen Photovoltaikzellen (OPV) bedeutet dies die voluminöse Heteroverbindung (BHJ); in Perowskit-Solarzellen der Perowskit-Absorber. Dies sind die Schichten, in denen die vollständige physikalische Modellierung des Bauelements erfolgen muss.

Es gibt Ausnahmen. Wenn Sie beispielsweise die Auswirkungen schlechter oder blockierender Kontakte untersuchen möchten (die zu Effekten wie S-förmigen Strom-Spannungs-Kennlinien führen) oder wenn mehrere Schichten tatsächlich beide Ladungsträgertypen enthalten (z. B. in OLEDs), können Sie zusätzliche Schichten als aktive Schichten definieren. Als allgemeine Regel sollten Sie die Anzahl der aktiven Schichten jedoch auf ein Minimum beschränken. Dies hält die Simulationen einfach und effizient und erleichtert die Interpretation der zugrunde liegenden physikalischen Prozesse.