Simulación de dispositivos semiconductores orgánicos: células fotovoltaicas orgánicas, diodos orgánicos emisores de luz y transistores orgánicos de efecto de campo.

1. Introducción a los semiconductores orgánicos

Los semiconductores orgánicos son materiales a base de carbono que se forman a partir de polímeros y moléculas pequeñas, en lugar de estructuras cristalinas. Como resultado, se asemejan a conjuntos moleculares desordenados más que a sólidos periódicos (véase ??). Esto les confiere propiedades interesantes, como la posibilidad de procesarlos a baja temperatura y un coste de fabricación potencialmente reducido, pero también introduce un desorden estructural y energético significativo. A diferencia del silicio o los semiconductores de tipo III-V, donde los portadores se mueven en bandas bien definidas (véase ??), el transporte de carga en los materiales orgánicos se produce a través de una amplia distribución de estados localizados (véase ??).

La consecuencia para la física de los dispositivos es que el transporte no se produce de forma continua en bandas, sino que suele estar limitado por las trampas y activado térmicamente. Los portadores saltan entre estados localizados, son capturados y liberados repetidamente por las trampas y experimentan un entorno espacial y energéticamente desordenado. Por lo tanto, la densidad de estados no es un límite de banda definido, sino una distribución, y la ocupación de esa distribución evoluciona en función del sesgo, la iluminación y la posición dentro del dispositivo. La respuesta medida de corriente-voltaje es, por lo tanto, una señal combinada de la movilidad, el llenado de las trampas, la recombinación, la redistribución del campo eléctrico interno y la inyección en el contacto.

Para la simulación, esto significa que los estados de trampa y el desorden deben tratarse de forma explícita. Considerar las trampas como una pequeña perturbación suele ser incorrecto: en muchos dispositivos orgánicos, son el factor físico dominante. Por lo tanto, los modelos realistas deben incluir tanto las distribuciones de estados de trampa como la recombinación de Shockley-Read-Hall (SRH), que en conjunto describen la captura, la emisión y la recombinación de portadores a través de estados localizados. Estos procesos controlan la vida útil de los portadores, las vías de recombinación y, en última instancia, la eficiencia del dispositivo.

3. Tutoriales sobre dispositivos orgánicos

Estos tutoriales presentan las principales clases de dispositivos orgánicos compatibles con OghmaNano. El tutorial sobre células fotovoltaicas orgánicas (OPV) es el punto de partida recomendado, ya que muestra la secuencia completa del modelado del dispositivo: absorción óptica, generación de carga, transporte por deriva y difusión, recombinación y extracción. Una vez que se comprende este flujo de trabajo, se puede aplicar el mismo marco físico a los OLED, los OFET y otras estructuras de semiconductores desordenados más especializadas.

• Simulación de células solares orgánicas (OPV) — desarrolle una simulación completa de una célula fotovoltaica orgánica, calcule una curva de corriente-voltaje (J-V) e interprete \(J_{SC}\), \(V_{OC}\), el factor de llenado y la eficiencia en términos de generación, recombinación, movilidad, trampas y extracción de carga en el contacto.
• Simulación de transistores orgánicos de efecto de campo (OFET) — modelo del funcionamiento de los transistores orgánicos, en el que la electrostática, la acumulación inducida por la puerta, la inyección de corriente en el contacto, la movilidad y el transporte controlado por el desorden determinan la salida medida.
• Simulación de dispositivos OLED: óptica coherente de películas delgadas — simule los campos ópticos de los OLED utilizando la óptica coherente de películas delgadas, donde la interferencia, el grosor de la capa y el contraste del índice de refracción controlan el entorno óptico dentro del dispositivo.
• Simulación de dispositivos OLED — óptica 3D incoherente — explore la extracción de luz de los OLED y la propagación óptica mediante métodos de trazado de rayos adaptados a estructuras ópticas más gruesas, con texturas o de geometría compleja.

4. Física de los dispositivos de células solares orgánicas

Las células solares orgánicas se rigen por la interacción entre el desorden, la morfología y la recombinación. Por lo tanto, una simulación de alta calidad de una célula fotovoltaica orgánica (OPV) debe ir más allá de simplemente ajustar una curva de corriente-voltaje (JV). Debe determinar cómo se generan los portadores de carga, cómo se mueven a través de una densidad de estados desordenada, cómo se llenan las trampas bajo polarización y cómo la recombinación varía con la densidad de portadores, el campo eléctrico y la posición espacial.

• Ejemplo de corriente limitada por la carga espacial (SCLC). —estudiar la inyección, la formación de la carga espacial y el flujo de corriente limitado por las trampas. Las simulaciones de SCLC son importantes porque la movilidad aparente que se obtiene a partir de los experimentos suele contener contribuciones de los contactos, las trampas, el desorden energético y la redistribución del campo.
• Simulación de dispositivos OPV de gran superficie — pasar de la simulación de celdas pequeñas e idealizadas a dispositivos más grandes, en los que la resistencia superficial, el flujo de corriente lateral, los contactos y las pérdidas debidas al aumento de tamaño se convierten en elementos que forman parte de la física del dispositivo.
• Simulación de la morfología de heterouniones masivas mediante cortes eléctricos bidimensionales — se analiza cómo la separación de fases a nanoescala, las vías de percolación y la geometría donante-aceptora influyen en la extracción, la recombinación y la acumulación local de portadores en las células solares de heterounión masiva.

5. Estados excitados y física de los excitones.

En los dispositivos optoelectrónicos orgánicos, la absorción de luz suele generar excitones ligados en lugar de producir directamente portadores libres. Esta es una de las diferencias fundamentales entre la modelización de dispositivos orgánicos y la de dispositivos semiconductores inorgánicos convencionales. Por lo tanto, la simulación debe incluir no solo los lugares donde se absorben los fotones, sino también los lugares donde se difunden los excitones, donde se disocian y dónde se pierden antes de generar una carga útil.

Esto es especialmente importante en las heterouniones a granel, donde las dimensiones relevantes suelen ser comparables a las longitudes de difusión de los excitones. Por lo tanto, la morfología no es un mero detalle estructural decorativo: determina si la luz absorbida se convierte en carga extraída, en pérdida por recombinación geminada, en recombinación no geminada o en calor.

• Dinámica de los excitones en dispositivos OPV — simular la generación, difusión, disociación y pérdida de excitones en dispositivos fotovoltaicos orgánicos, y establecer una conexión entre la absorción óptica y la generación de portadores libres.
• Transporte de excitones en los dominios de BHJ — se examina el movimiento de los excitones en los dominios donante-aceptor con una estructura espacial definida, donde el tamaño del dominio, el área de la interfaz y la longitud de difusión controlan la generación de carga.

6. Simulaciones en el dominio de la frecuencia: IS, IMPS e IMVS.

Las mediciones en el dominio de la frecuencia son muy útiles porque permiten analizar las constantes de tiempo internas de un dispositivo, en lugar de limitarse a su respuesta en estado estacionario. En los semiconductores orgánicos desordenados, estas constantes de tiempo rara vez son sencillas. Pueden surgir de retrasos en el transporte, de fenómenos de atrapamiento y liberación, de la capacitancia química, de los efectos de contacto, de la cinética de recombinación, del movimiento iónico o de la extracción dependiente de la morfología.

Las simulaciones en el dominio de la frecuencia de OghmaNano permiten estudiar estos efectos a partir del mismo modelo físico que se utiliza para el dispositivo en estado estacionario. Esto es importante: las técnicas IS, IMPS e IMVS son más útiles cuando no se tratan como ejercicios independientes de ajuste de circuitos equivalentes, sino como sondas dinámicas de la misma física de deriva-difusión, de trampas y de recombinación que controla la curva JV.

• Espectroscopía de impedancia (EI) — analiza la respuesta eléctrica a señales de baja amplitud, la capacitancia, la resistencia al transporte y la recombinación dependiente de la frecuencia en dispositivos orgánicos simulados.
• Espectroscopía de fotocorriente modulada en intensidad (IMPS) — estudio de la respuesta de la fotocorriente bajo una iluminación modulada, que permite establecer una relación entre la dinámica de extracción y el transporte y la recombinación de portadores.
• Espectroscopía de voltaje modulada en intensidad (IMVS) — estudio de la respuesta del voltaje bajo una iluminación modulada, que se utiliza a menudo para analizar los tiempos de recombinación, el almacenamiento de carga y la dinámica del nivel cuasi-Fermi.

7. Modelado térmico orgánico.

La temperatura no es un parámetro secundario en los semiconductores orgánicos desordenados. Dado que los procesos de salto, atrapamiento, liberación, recombinación y movilidad suelen activarse térmicamente, incluso un ligero aumento de la temperatura puede modificar el comportamiento aparente del transporte y la recombinación de un dispositivo. En los dispositivos con alta densidad de corriente, los módulos de gran superficie y las estructuras con una disipación térmica deficiente, el acoplamiento electrotérmico puede afectar tanto al rendimiento como a la interpretación de los resultados.

• Simulación electrotérmica: tutorial sobre el auto-calentamiento — modelado de la generación de calor, la transferencia térmica y el comportamiento de los dispositivos en función de la temperatura en estructuras de semiconductores orgánicos.

8. Principios físicos subyacentes.

Los tutoriales mencionados se basan en el marco de modelado de transporte y óptico de OghmaNano. En el caso de los semiconductores desordenados, el punto clave es que la densidad de portadores, la movilidad y la recombinación no son parámetros independientes. Están interconectados a través de la densidad de estados, la ocupación de las trampas y el potencial electrostático interno. Un cambio en la iluminación, el sesgo o las condiciones de contorno de contacto modifica la ocupación de las trampas; la modificación de la ocupación de las trampas altera la población de portadores libres; la alteración de la población de portadores libres modifica la recombinación y la conductividad; y la redistribución del campo resultante afecta a la extracción.

Por este motivo, OghmaNano integra la física de los estados de trampa, la recombinación SRH, la captura fuera del equilibrio, la generación óptica y el transporte por deriva y difusión en el mismo entorno de modelado. En el caso de los semiconductores orgánicos, separar estos efectos de forma demasiado drástica suele dar lugar a simulaciones que son fáciles de ajustar, pero que resultan engañosas desde el punto de vista físico.

• Teoría del modelado de deriva-difusión — el modelo de transporte eléctrico que se utiliza para resolver las ecuaciones de continuidad de los portadores de carga, el flujo de corriente y el acoplamiento electrostático en las simulaciones de dispositivos.
• La necesidad de estados de trampa en los modelos de dispositivos orgánicos — por qué los estados de trampa distribuidos y el desorden energético son esenciales para modelar los semiconductores orgánicos y otros semiconductores desordenados.
• Recombinación de Shockley–Read–Hall — tratamiento analítico de la recombinación asistida por trampas y la base física de la pérdida de portadores mediada por trampas.
• Captura y recombinación de portadores en estados no en equilibrio según el modelo SRH — tratamiento numérico de la captura, emisión y recombinación en distribuciones de trampas resueltas en energía, donde los supuestos de equilibrio no son suficientes.
• Movilidad de los portadores de carga — modelos de movilidad, supuestos sobre el transporte y la interpretación de la movilidad en dispositivos semiconductores desordenados.

9. ¿Por dónde deberías empezar?

Si es la primera vez que utiliza OghmaNano, comience con el tutorial de OPV. Este le proporcionará la forma más rápida de realizar una simulación completa de un dispositivo semiconductor orgánico: defina la estructura, ejecute el modelo, analice la curva JV y vincule el resultado con magnitudes físicas como la generación, la extracción, la recombinación y la pérdida de voltaje.

Si ya comprende el flujo de trabajo básico, pase directamente a los tutoriales de física. Utilice SCLC para comprender el transporte limitado por la inyección y las trampas, los tutoriales sobre excitones para comprender la conversión de la luz absorbida en portadores libres, los tutoriales sobre BHJ para estudiar la morfología y IS/IMPS/IMVS para relacionar el mismo modelo físico con la caracterización experimental dinámica.