Simulation de dispositifs sur de grandes surfaces – Partie A : Configuration et compréhension d’un modèle de contact tridimensionnel.
Les dispositifs optoélectroniques de grande surface – tels que les cellules solaires flexibles, les modules à base de pérovskite, les panneaux OLED et l’électronique imprimée – sont souvent limités non pas par le semi-conducteur actif, mais par les contacts électriques. À mesure que la surface du dispositif augmente, le courant doit se déplacer latéralement à travers des conducteurs transparents avant d’atteindre un contact externe très conducteur. Les pertes résistives qui en résultent peuvent réduire considérablement l’efficacité, le facteur de remplissage ou l’uniformité de la luminosité.
Une solution courante consiste à combiner un polymère conducteur ou un conducteur transparent (pour la collecte locale du courant) avec une grille métallique (pour le transport du courant sur de plus longues distances). La grille peut être hexagonale, carrée, en forme de doigts ou entièrement personnalisée. La conception expérimentale de ces contacts est coûteuse : la lithographie, l’impression et l’optimisation des procédés entraînent tous des coûts importants. La simulation numérique permet d’estimer la résistance, la chute de tension et la concentration du courant avant la fabrication.
Dans ce tutoriel, nous nous concentrons exclusivement sur le contact lui-même. La structure présentée ici ne constitue pas une cellule solaire ou une LED complète ; il s’agit plutôt d’un modèle de contact réutilisable qui pourrait être placé sur n’importe quel dispositif. Les tutoriels suivants montreront comment intégrer ces contacts dans des assemblages optoélectroniques complets. Ici, notre objectif est de comprendre comment le courant circule dans le contact et où se produisent les pertes.
Étape 1 : Créer une nouvelle simulation de contact sur une grande surface.
Dans la fenêtre principale d’OghmaNano, cliquez sur « Nouvelle simulation ». Dans la bibliothèque de simulations, double-cliquez sur « Modèles de dispositifs 3D à grande surface », comme indiqué dans ??. Cela ouvre une liste de structures prédéfinies à grande surface (??). Double-cliquez sur « Contact hexagonal à grande surface ».
Étape 2 : Vérification de la structure des contacts.
La fenêtre principale de simulation s’ouvre maintenant (??). Cette structure représente un contact électrique indépendant. Il n’est pas encore connecté à un dispositif photovoltaïque ou électroluminescent ; au lieu de cela, il modélise la façon dont le courant circule à l’intérieur des couches du contact lui-même.
Vous pouvez faire pivoter la vue en faisant glisser l’arrière-plan étoilé. Les principales caractéristiques sont les suivantes :
- Grille métallique (rouge) : un réseau à haute conductivité (ici, de forme hexagonale) qui transporte le courant sur de longues distances.
- Polymère conducteur (vert) : une couche à faible conductivité (ici, PEDOT:PSS) qui recueille le courant localement et l’achemine vers la structure en réseau.
- Barre d’extraction (jaune) : il s’agit de l’électrode externe par laquelle le courant est finalement extrait de l’appareil.
Bien que cet exemple utilise une grille hexagonale et du PEDOT:PSS, aucun de ces éléments n’est essentiel. Vous pouvez remplacer la grille par des formes géométriques quelconques et le polymère par n’importe quelle couche conductrice. L’objectif de ce tutoriel est de comprendre les conséquences électriques de ces choix de conception.
Étape 3 : Définition des calques et des contacts.
Ouvrez l’éditeur de calques pour afficher les calques définis (??). Trois calques sont disponibles :
- Couche d’air : une couche d’isolation qui sert de support pour la couche de contact supérieure.
- Argent – la couche métallique en forme de treillis.
- PEDOT:PSS : la couche de polymère conducteur située sous la grille.
Notez que la couche d’air est indiquée comme étant une « couche de contact », tandis que les couches d’argent et de polymère sont indiquées comme étant « actives ». Dans ce contexte, le terme « actif » signifie simplement qu’OghmaNano résout les équations électriques à cet endroit. Aucun modèle de physique de dérive-diffusion des semi-conducteurs n’est utilisé dans cet exemple.
Ouvrez l’éditeur de contacts (??). Deux contacts sont définis : un contact supérieur maintenu à 0 V et un contact inférieur dont la tension sera modifiée lors des simulations ultérieures. La largeur des contacts définit la région physique dans laquelle le courant est injecté ou extrait.
Étape 4 : Création de la représentation 3D du circuit.
Étant donné qu’il s’agit d’une structure métallique et polymère de grande taille, il serait inutile et inefficace de résoudre les équations complètes de dérive et de diffusion des semi-conducteurs. Au lieu de cela, OghmaNano traite ce modèle comme un réseau résistif tridimensionnel régi par les lois de Kirchhoff sur le courant et la tension. Chaque petit élément de volume devient une résistance, et l’ensemble de la structure est résolu comme un grand circuit.
Passez à l’onglet « Schéma de circuit », puis cliquez sur l’icône de recyclage située dans le coin inférieur gauche. Cela générera la représentation 3D du circuit, comme illustré ci-dessous.
Dans cette représentation, chaque liaison correspond à une résistance, et chaque nœud vert représente un point de connexion du circuit. Les nœuds bleus indiquent les points où le courant est extrait de la structure. La barre d’extraction jaune que nous avons vue précédemment définit les régions qui servent de points de sortie électrique. En inversant la structure, on constate que la surface inférieure contient également des points d’extraction, qui correspondent à la connexion inférieure.
À ce stade, la géométrie de la simulation et la représentation du circuit sont entièrement définies. Dans la prochaine partie du tutoriel, nous appliquerons des tensions, lancerons le solveur et quantifierons les pertes résistives et les chutes de tension au niveau du contact.
👉 Prochaine étape : Continuez à Partie B pour exécuter la simulation et analyser le courant et les pertes de tension.