Anleitung zur Herstellung von Perowskit-/organischen Bauelementen – Simulation von SCLC
1. Einleitung
Der durch die Raumladung begrenzte Strom (Space-Charge Limited Current, SCLC) tritt auf, wenn der Strom durch ein Bauelement nicht durch die Erzeugung von Ladungsträgern, sondern durch deren Transport begrenzt wird. In diesem Zustand folgt die Stromdichte dem Mott-Gurney-Gesetz:
\( J = \frac{9}{8} \, \varepsilon \mu \, \frac{V^2}{L^3} \)
wobei ε die Dielektrizitätskonstante, μ die Trägermobilität, V die angelegte Spannung und L die Dicke ist. In der Praxis ist SCLC eine der am häufigsten verwendeten Methoden, um die Trägermobilität und die Konzentration von Ladungsträgern in organischen und Perowskit-Halbleitern zu bestimmen.
2. Vorbereitung der Simulation
Starten Sie OghmaNano und öffnen Sie das Fenster „Neue Simulation“ (??). Wählen Sie die Vorlage für die SCLC-Diode aus (oder wählen Sie, falls diese nicht vorhanden ist, eine generische Perowskit-Diode und konfigurieren Sie die Kontakte für den Transport von Löchern oder Elektronen). Dadurch wird eine einfache Testvorrichtung eingerichtet, bei der die injizierten Ladungsträger den Strom dominieren.
3. Durchführung der Simulation
Schalten Sie es aus und wieder ein. Simulationsart zu Kennlinie der LeerlaufspannungStellen Sie den Spannungsbereich von 0 auf einige Volt ein (z. B. 0–5 V).
Drücken Sie Simulation starten (blaues Wiedergabesymbol) oder F9Sobald der Vorgang abgeschlossen ist, öffnen Sie die Datei. Ausgabe Tabelle und Diagramm jv.csv
(??).
4. Analyse von kleinzelligem Lungenkrebs
In der logarithmischen Darstellung von J in Abhängigkeit von V zeigt sich der SCLC-Bereich als eine Linie mit einer Steigung von etwa 2. Anhand der Kurve kann man das Mott-Gurney-Gesetz anwenden, um die Trägermobilität abzuschätzen. Wenn Fallenstellen berücksichtigt werden, weicht die Steigung von 2 ab, was die Abschätzung der Fallendichte und der Energieverteilung ermöglicht.
📝 Aufgabe 1 – Spannungsbereichserfassung
Führen Sie die JV-Simulation im Bereich von 0 bis 5 V durch. Stellen Sie die Ergebnisse in einem doppelt logarithmischen Diagramm dar und identifizieren Sie den Bereich, in dem die Steigung ungefähr 2 beträgt.
Erwartete Beobachtung
Das SCLC-Regime zeigt sich als eine gerade Linie mit einer Steigung von ≈ 2 in einem logarithmischen Diagramm. Unterhalb dieses Wertes wird der Strom durch die Injektion begrenzt; oberhalb dieses Wertes kann der Reihenwiderstand die dominierende Rolle spielen.
🧪 Aufgabe 2 – Veränderung der Mobilität
Ändern Sie in den elektrischen Parametern die Trägermobilität um den Faktor 10 nach oben und unten. Führen Sie die Simulation erneut aus und überlagern Sie die Kurven.
Erwartete Beobachtung
Die J–V-Kurve verschiebt sich vertikal in Abhängigkeit von der Beweglichkeit. Eine höhere Beweglichkeit führt zu einem höheren Strom bei gleicher Spannung, während die quadratische Steigung unverändert bleibt.
⚡ Aufgabe 3 – Fallen hinzufügen
Aktivieren Sie die Fallenladungszustände (z. B. Gauß- oder exponentieller Abfall) in den elektrischen Parametern. Vergleichen Sie die Strom-Spannungs-Kennlinie mit und ohne Fallenladungen.
Erwartete Beobachtung
Bei Vorhandensein von Fallen weicht die Steigung in der logarithmischen Darstellung von 2 ab (meist zwischen 2 und 4). Die Anstiegsspannung verschiebt sich nach oben, was auf eine geringere Effizienz bei der Ladungsträgererfassung hindeutet.
✅ Was Sie gelernt haben
- Wie richtet man eine SCLC-Simulation in OghmaNano ein und führt sie aus?
- Wie lässt sich der quadratische J–V-Bereich identifizieren und wie kann er zur Bestimmung der Beweglichkeit verwendet werden?
- Wie Fallen die Steigung und den Beginn der SCLC-Kurve verändern.
- Wie Simulationen bei der Interpretation experimenteller Daten von kleinen Zellen des Lungenkarzinoms (SCLC) helfen.
👉 Nächste Schritte:
- Kehren Sie zur Anleitung zur Simulation von Perowskit-Solarzellen zurück, um die vollständige Übersicht über das Tutorial anzuzeigen.