Simulation de dispositifs à semi-conducteurs organiques : cellules photovoltaïques organiques, diodes électroluminescentes organiques et transistors organiques à effet de champ.

1. Introduction aux semi-conducteurs organiques

Les semi-conducteurs organiques sont des matériaux à base de carbone, constitués de polymères et de petites molécules plutôt que de réseaux cristallins. Par conséquent, ils ressemblent davantage à des assemblages moléculaires désordonnés qu’à des solides périodiques (voir ??). Cela leur confère des propriétés intéressantes, telles qu’une transformation possible à basse température et un coût de fabrication potentiellement faible, mais cela introduit également un désordre structurel et énergétique important. Contrairement au silicium ou aux semi-conducteurs de type III-V, où les porteurs se déplacent dans des bandes bien définies (voir ??), le transport de charge dans les matériaux organiques se produit par le biais d’une large distribution d’états localisés (voir ??).

Les conséquences pour la physique des dispositifs sont les suivantes : le transport n’est pas régi par des bandes d’énergie, mais plutôt limité par des pièges et activé thermiquement. Les porteurs effectuent des sauts entre des états localisés, sont capturés et relâchés à plusieurs reprises par les pièges, et évoluent dans un environnement spatialement et énergétiquement désordonné. La densité des états n’est donc pas une limite nette de bande, mais une distribution, et l’occupation de cette distribution évolue en fonction de la polarisation, de l’illumination et de la position à l’intérieur du dispositif. La réponse courant-tension mesurée est donc une signature combinée de la mobilité, du remplissage des pièges, de la recombinaison, de la redistribution du champ électrique interne et de l’injection au niveau des contacts.

En matière de simulation, cela signifie que il faut traiter explicitement les états de piégeage et le désordre.Considérer les pièges comme de simples perturbations est généralement incorrect : dans de nombreux dispositifs organiques, ils sont le facteur physique dominant. Les modèles réalistes doivent donc inclure les deux. distributions des états de piégeage et Recombinaison de Shockley-Read-Hall (SRH)qui, ensemble, décrivent la capture, l’émission et la recombinaison des porteurs d’énergie au sein d’états localisés. Ces processus contrôlent la durée de vie des porteurs, les voies de recombinaison et, en fin de compte, le rendement du dispositif.

3. Tutoriels sur les dispositifs organiques.

Ces tutoriels présentent les principales catégories de dispositifs organiques prises en charge par OghmaNano. Le tutoriel sur les cellules photovoltaïques organiques (OPV) est recommandé comme point de départ, car il présente l’ensemble de la chaîne de modélisation des dispositifs : absorption optique, génération de charges, transport par dérive et diffusion, recombinaison et extraction. Une fois ce processus compris, le même modèle physique peut être appliqué aux OLED, aux OFET et à d’autres structures de semi-conducteurs désordonnés plus spécialisées.

• Simulation de cellules solaires organiques (CSO) — créer une simulation complète d’une cellule photovoltaïque organique, calculer une courbe courant-tension (J-V) et interpréter les résultats. \(J_{SC}\), \(V_{OC}\)facteur de remplissage et rendement en termes de génération, de recombinaison, de mobilité, de pièges et d’extraction au niveau du contact.
• Simulation de transistors organiques à effet de champ (OFET) — modèle du fonctionnement d’un transistor organique, où l’électrostatique, l’accumulation induite par la grille, l’injection par contact, la mobilité et le transport contrôlé par le désordre déterminent la valeur mesurée en sortie.
• Simulation de dispositifs OLED – optique cohérente de couches minces — simuler les champs optiques des écrans OLED à l’aide d’une optique cohérente à couches minces, où l’interférence, l’épaisseur des couches et le contraste de l’indice de réfraction permettent de contrôler l’environnement optique à l’intérieur de l’appareil.
• Simulation de dispositifs OLED – optique 3D incohérente — étudier l’extraction de la lumière OLED et sa propagation optique à l’aide de méthodes de tracé de rayons adaptées aux structures optiques plus épaisses, texturées ou présentant une géométrie complexe.

4. Principes physiques des dispositifs de cellules solaires organiques.

Les cellules solaires organiques sont régies par l’interaction entre le désordre, la morphologie et la recombinaison. Une simulation de cellule photovoltaïque organique de haute qualité doit donc aller au-delà de la simple adaptation d’une courbe courant-tension. Elle doit déterminer comment les porteurs de charge sont générés, comment ils se déplacent dans une distribution d’états désordonnée, comment les pièges se remplissent sous l’effet d’une tension appliquée, et comment la recombinaison évolue en fonction de la densité des porteurs, du champ électrique et de la position spatiale.

• Exemple de courant limité par l’effet de charge d’espace (SCLC). — étudier l’injection, la formation de la charge d’espace et le flux de courant limité par les pièges. Les simulations du courant limité par les pièges (SCLC) sont importantes, car la mobilité apparente obtenue à partir d’expériences contient souvent des contributions provenant des contacts, des pièges, du désordre énergétique et de la redistribution du champ.
• Simulation de dispositifs photovoltaïques organiques à grande surface. — passer de cellules idéalisées de petite taille à des dispositifs plus grands, où la résistance de surface, le flux de courant latéral, les contacts et les pertes liées à la miniaturisation deviennent des éléments constitutifs de la physique du dispositif.
• Simulation des morphologies des hétérojonctions en volume à l’aide de coupes électriques bidimensionnelles. — étudier comment la séparation de phase à l’échelle nanométrique, les chemins de percolation et la géométrie donneur-accepteur influencent l’extraction, la recombinaison et l’accumulation locale des porteurs de charge dans les cellules solaires BHJ.

5. États excités et physique des excitons

Dans les dispositifs optoélectroniques organiques, l’absorption optique crée généralement des excitons liés plutôt que de générer immédiatement des porteurs libres. Il s’agit de l’une des différences fondamentales entre la modélisation des dispositifs organiques et celle des dispositifs semi-conducteurs inorganiques conventionnels. La simulation doit donc prendre en compte non seulement les endroits où les photons sont absorbés, mais aussi les endroits où les excitons se diffusent, où ils se dissocient et où ils sont perdus avant de produire une charge utile.

Cela est particulièrement important dans les hétérojonctions en vrac, où les longueurs caractéristiques sont souvent comparables aux longueurs de diffusion des excitons. La morphologie n’est donc pas un simple détail structurel décoratif : elle détermine si la lumière absorbée se transforme en charges extraites, en pertes par recombinaison, en recombinaison non geminate ou en chaleur.

• Dynamique des excitons dans les dispositifs photovoltaïques organiques. — simuler la génération, la diffusion, la dissociation et la disparition des excitons dans les dispositifs photovoltaïques organiques, et établir un lien entre l’absorption optique et la génération de porteurs libres.
• Transport des excitons dans les domaines BHJ. — étudier le mouvement des excitons dans des domaines accepteur-donneur à structure spatiale, où la taille du domaine, la surface de l’interface et la longueur de diffusion contrôlent la génération de charges.

6. Simulations dans le domaine fréquentiel : IS, IMPS et IMVS.

Les mesures dans le domaine fréquentiel sont très efficaces, car elles permettent d’analyser les constantes de temps internes d’un dispositif, et pas seulement son état de fonctionnement stable. Dans les semi-conducteurs organiques désordonnés, ces constantes de temps sont rarement simples. Elles peuvent être dues à des délais de transport, à des phénomènes de piégeage et de libération, à la capacité chimique, aux effets de contact, à la cinétique de recombinaison, au mouvement ionique ou à l’extraction qui dépend de la morphologie.

Les simulations dans le domaine fréquentiel d’OghmaNano permettent d’étudier ces effets à partir du même modèle physique utilisé pour le dispositif en régime permanent. C’est important : les techniques IS, IMPS et IMVS sont les plus utiles lorsqu’elles ne sont pas considérées comme des exercices distincts d’ajustement de circuits équivalents, mais plutôt comme des sondes dynamiques des mêmes phénomènes de dérive-diffusion, de piégeage et de recombinaison qui régissent la courbe J-V.

• Spectroscopie d’impédance (SI) — analyse de la réponse électrique aux petits signaux, de la capacité, de la résistance au transport et de la recombinaison en fonction de la fréquence dans les dispositifs organiques simulés.
• Spectroscopie de phototransport à intensité modulée (SPIM) — étudier la réponse du photocourant sous une illumination modulée, en établissant un lien entre la dynamique d’extraction et le transport et la recombinaison des porteurs de charge.
• Spectroscopie de tension à modulation d’intensité (SMTI) — étudier la réponse en tension sous un éclairage modulé, ce qui est souvent utilisé pour déterminer les durées de vie de la recombinaison, les capacités de stockage de charge et la dynamique du quasi-niveau de Fermi.

7. Modélisation thermique organique.

La température n’est pas un paramètre secondaire dans les semi-conducteurs organiques désordonnés. Étant donné que les phénomènes de saut, de piégeage, de libération, de recombinaison et de mobilité sont souvent activés thermiquement, même un léger auto-échauffement peut modifier le comportement apparent du transport et de la recombinaison d’un dispositif. Dans les dispositifs à forte densité de courant, les modules de grande surface et les structures à dissipation thermique médiocre, le couplage électrothermique peut donc affecter à la fois les performances et l’interprétation des résultats.

• Simulation électrothermique : tutoriel sur l’auto-échauffement. — modélisation de la génération de chaleur, du transfert thermique et du comportement des dispositifs en fonction de la température dans les structures semi-conductrices organiques.

8. Principes physiques fondamentaux

Les tutoriels présentés ci-dessus sont basés sur le modèle de transport et de modélisation optique de OghmaNano, qui prend en compte la dérive et la diffusion. Pour les semi-conducteurs désordonnés, l’élément essentiel est que la densité des porteurs, la mobilité et la recombinaison ne sont pas des paramètres indépendants. Ils sont liés par la densité des états, l’occupation des pièges et le potentiel électrostatique interne. Une modification de l’éclairage, de la polarisation ou des conditions aux limites de contact modifie le remplissage des pièges ; le remplissage des pièges modifie la population des porteurs libres ; la population des porteurs libres modifie la recombinaison et la conductivité ; et la redistribution du champ qui en résulte modifie l’extraction.

C’est pourquoi OghmaNano regroupe la physique des états de piégeage, la recombinaison SRH, le piégeage hors équilibre, la génération optique et le transport par dérive-diffusion dans le même environnement de modélisation. Pour les semi-conducteurs organiques, séparer ces effets de manière trop radicale produit souvent des simulations faciles à ajuster, mais physiquement trompeuses.

• Théorie de la modélisation par dérive et diffusion — le modèle de transport électrique utilisé pour résoudre les problèmes de continuité des porteurs de charge, de flux de courant et de couplage électrostatique dans les simulations de dispositifs.
• La nécessité de prendre en compte les états de piégeage dans les modèles des dispositifs organiques. — pourquoi les états de piégeage distribués et le désordre énergétique sont essentiels pour la modélisation des semi-conducteurs organiques et autres semi-conducteurs désordonnés.
• Recombinaison de Shockley-Read-Hall — analyse approfondie de la recombinaison assistée par des pièges et des fondements physiques de la perte de porteurs due à ces pièges.
• Piégeage et recombinaison de type SRH en régime non équilibré. — traitement numérique des phénomènes de piégeage, d’émission et de recombinaison dans les distributions de pièges résolues en énergie, où les hypothèses d’équilibre ne sont pas suffisantes.
• Mobilité des porteurs de charge — modèles de mobilité, hypothèses concernant les transports et interprétation de la mobilité dans les dispositifs semi-conducteurs désordonnés.

9. Par où devriez-vous commencer ?

Si vous utilisez OghmaNano pour la première fois, commencez par le tutoriel OPV. Il vous permettra de réaliser rapidement une simulation complète d’un dispositif semi-conducteur organique : définissez la structure multicouche, exécutez le modèle, analysez la courbe J-V et établissez un lien entre les résultats et les grandeurs physiques telles que la génération, l’extraction, la recombinaison et la perte de tension.

Si vous maîtrisez déjà les principes de base, passez directement aux tutoriels sur la physique. Utilisez SCLC pour comprendre les phénomènes d’injection et de transport limité par les pièges, les tutoriels sur les excitons pour comprendre la conversion de la lumière absorbée en porteurs libres, les tutoriels sur les hétérojonctions en couches minces (BHJ) pour étudier la morphologie, et IS/IMPS/IMVS pour relier le même modèle physique à une caractérisation expérimentale dynamique.