Tutorial de célula solar orgánica (OPV) Parte C: Exploración de la estructura del dispositivo

Antes de intentar esta sección, asegúrese de haber intentado la Parte A y la Parte B

1. Edición de las capas del dispositivo

Todas las células solares y la mayoría de los dispositivos electrónicos constan de una serie de capas. En materiales inorgánicos suelen depositarse una tras otra mediante deposición al vacío, y en orgánicos suelen depositarse mediante spin coating o impresión. Los dispositivos en OghmaNano constan de una serie de capas (a esto a veces se le denomina epitaxia - un término que proviene de los semiconductores inorgánicos). El Editor de capas puede utilizarse para editar estas capas; se puede acceder a él desde la ventana principal de simulación en la pestaña Estructura del dispositivo. Esto es visible a la izquierda de ??, resaltado en rojo. El propio Editor de capas se muestra en ??.

La ventana del Editor de capas muestra una tabla que describe la estructura del dispositivo. Cada fila corresponde a una capa, con columnas para propiedades como nombre, material óptico, tipo y Espesor, que establece el espesor físico de la capa. En este ejemplo, la capa P3HT:PCBM es la capa activa — la parte del dispositivo que absorbe fotones y genera portadores de carga (electrones y huecos).

Un espesor de capa activa de aproximadamente 50 nm se considera fino para un OPV, mientras que 400 nm es relativamente grueso. Una capa más gruesa absorbe más luz, pero también aumenta la distancia que las cargas fotogeneradas deben recorrer para alcanzar los contactos. A medida que aumenta la distancia que recorren, también lo hace la probabilidad de que un electrón fotogenerado se encuentre con un hueco fotogenerado (recombinación). Esto reduce la fracción de portadores que pueden extraerse con éxito. En consecuencia, el rendimiento del dispositivo no mejora indefinidamente con un aumento de la absorción. Por tanto, siempre existe un compromiso entre absorber toda la luz haciendo el dispositivo grueso y no hacer el dispositivo demasiado grueso para que los portadores tengan una buena probabilidad de escapar del dispositivo. Este compromiso es un principio central en el diseño de OPV.

3. Más sobre el editor de capas

El editor de capas tiene las siguientes columnas:

• Nombre de la capa: Un nombre en texto plano para la capa. Puede llamar a las capas como quiera (p. ej. ITO, PEDOT, Fred o Bob); el nombre en sí no tiene significado físico.
• Espesor: El espesor de la capa, especificado en metros.
• Material óptico: Especifica el conjunto de datos n/k utilizado para describir las propiedades ópticas del material. Estos valores proceden de datos experimentales almacenados en la base de datos óptica (??) y son independientes de propiedades eléctricas como la banda prohibida.
• Tipo de capa: Define cómo el simulador trata la capa:
  • activa: Una capa eléctricamente activa donde el solucionador drift–diffusion resuelve las ecuaciones eléctricas (??). Puede tener múltiples capas activas, pero deben ser contiguas.
  • contacto: Una capa definida como electrodo donde se aplica un voltaje. Véase ?? para más detalles.
  • otra: Cualquier capa que no sea ni un contacto ni activa. Estas se tratan como capas pasivas.

4. ¿Qué capas deben ser activas?

Un error común al definir la estructura de un dispositivo es suponer que todas las capas deben establecerse como activas simplemente porque cada capa conduce corriente. En realidad, la mayoría de las capas de transporte o de contacto solo conducen un tipo de portador (electrones o huecos) y se comportan efectivamente como resistencias. Por ejemplo, en una célula solar estándar de P3HT:PCBM, la capa PEDOT:PSS conduce solo huecos, mientras que el contacto Ca/Al conduce solo electrones. Resolver las ecuaciones completas de drift–diffusion (para ambos tipos de portadores) en tales capas no tiene sentido físico.

Por tanto, las capas activas deben restringirse a regiones donde estén presentes ambos portadores y donde se produzcan fotogeneración, recombinación o atrapamiento. En OPV, esto significa la heterounión volumétrica (BHJ); en células solares de perovskita, el absorbedor de perovskita. Estas son las capas en las que debe resolverse la física completa del dispositivo.

Hay excepciones. Por ejemplo, si desea estudiar el impacto de contactos deficientes o bloqueantes (que conducen a efectos como curvas JV en forma de S), o si múltiples capas realmente alojan ambos portadores (p. ej. en OLED), puede designar capas adicionales como activas. Sin embargo, como regla general, mantenga el número de capas activas al mínimo. Esto mantiene las simulaciones simples, eficientes y la física subyacente más fácil de interpretar.