Perowskit-Solarzelle (PSC): Tutorial, Teil C: Untersuchung der Gerätearchitektur

Bevor Sie mit diesem Abschnitt beginnen, bearbeiten Sie bitte Teil A und Teil B.

1. Bearbeiten von Ebenen in der Designsoftware

Perowskit-Solarzellen bestehen aus einer Schicht dünner Materialien – einige sammeln oder leiten elektrische Ladung, andere absorbieren Licht. In OghmaNano wird diese Schicht mit dem Schichteditor bearbeitet, der über das Hauptfenster unter dem Reiter „Gerätestruktur“ aufgerufen werden kann (siehe ??). Der Editor selbst ist in ?? dargestellt.

Jede Zeile im Editor entspricht einer Schicht mit bearbeitbaren Feldern: Schichtname, Dicke, optisches Material und Schichttyp (z. B. aktiv, Kontakt, sonstige). In diesem Tutorial wird der aktive Absorber „std_perovskite“ verwendet (ein aus der Fachliteratur gewonnener, gemittelter MAPbI₃-Datensatz).

Die Dicke ist ein wichtiger Konstruktionsparameter. Sehr dünne Absorber (~50 nm) minimieren die Transportstrecke, absorbieren aber nicht das gesamte Licht; dickere Schichten (~400 nm) absorbieren mehr Photonen, erhöhen aber auch die Strecke, die die Ladungsträger zurücklegen müssen, was die Wahrscheinlichkeit einer Rekombination vor der Sammlung erhöht. Die Leistung erreicht daher bei einer bestimmten, nicht zu dünnen und nicht zu dicken Schicht ihren Höhepunkt, anstatt unbegrenzt anzusteigen – dieses Verhältnis ist ein zentraler Aspekt beim Design von Perowskit-Bauelementen.

3. Weitere Informationen zum Ebenen-Editor

Im Layer-Editor legen Sie die Schichtenfolge fest, die vom Simulator verwendet wird. Jede Zeile stellt eine Schicht dar, und jede Spalte steuert das optische und elektrische Verhalten dieser Schicht.

• Schichtname – eine für Menschen lesbare Bezeichnung (z. B. FTO, TiO₂, Perowskit, Spiro, Au). Der Name hat keinen Einfluss auf die physikalischen Eigenschaften.
• Dicke – die physikalische Dicke der Schicht (die Einheiten sind in der Tabelle angegeben, üblicherweise in Nanometern).
• Optisches Material – der Datensatz n/k, der für optische Anwendungen verwendet wird (aus den Datenbanken ausgewählt). Dies ist unabhängig vom elektrischen Modell.
• Layertyp – gibt an, wie der Solver die Ebene behandeln soll:
  • Aktiv: Die vollständige Drift-Diffusionsgleichung wird gelöst; Ladungsträger können erzeugt und rekombinieren.
  • Kontakt: Eine Elektrode, an der Randbedingungen (Arbeitsfunktion, Rekombinationsgeschwindigkeit) angelegt werden.
  • Sonstiges: passive/Transport-Schichten; in die Optik und Elektrostatik einbezogen, jedoch ohne vollständige Beschreibung der Erzeugungs- und Rekombinationsprozesse.

4. Welche Ebenen sollen aktiviert sein?

Im Prinzip müssen nur die Schichten als „aktiv“ gekennzeichnet werden, die sowohl Elektronen als auch Löcher leiten und in denen Photogenerierung oder Rekombination stattfindet. In einer minimalen Perowskit-Solarzelle würde dies bedeuten, dass nur der Perowskit-Absorber als aktiv markiert wird, während Transportschichten (z. B. TiO₂ und Spiro) in der Regel als passive Schichten belassen werden. Kontakte wie FTO und Au sind niemals aktiv, da sie nur als Elektroden fungieren.

In diesem Tutorial sind jedoch auch die TiO₂-Schicht (Elektronentransportschicht) und die Spiro-Schicht (Lochtransportschicht) als „Aktiv“ gekennzeichnet. Diese Konfiguration ermöglicht es Ihnen, zu untersuchen, wie Ladungsträger sich durch diese Transportschichten bewegen, anstatt sie als idealisierte Widerstände zu behandeln. Diese Unterscheidung ist wichtig, da sie es ermöglicht, transportbezogene Verluste in Perowskiten zu erfassen, während wir in OPV-Tutorials die Transportschichten normalerweise als „Sonstige“ einstufen, um die Physik zu vereinfachen.

Als allgemeine Regel gilt: Aktivieren Sie zusätzliche Schichten nur dann, wenn Sie sich speziell für deren Transporteigenschaften oder für Phänomene wie blockierende Kontakte oder S-förmige Strom-Spannungs-Kennlinien interessieren. Andernfalls führt die Minimierung der Anzahl aktiver Schichten zu schnelleren Simulationen und erleichtert die Interpretation der Ergebnisse.