Προσομοίωση της μορφολογίας των ομοιοκατανομικών ετεροενώσεων με τη χρήση δισδιάστατων ηλεκτρικών τομών.

1. Εισαγωγή

Οι ομοιοκατασκευές (BHJ) αποτελούν τη βασική μικροδομή για πολλές οργανικές ηλεκτρονικές συσκευές – πιο συγκεκριμένα, για τις οργανικές ηλιακές κυψέλες, αλλά και για φωτοανιχνευτές, αισθητήρες και άλλα μικτά ιονικά-ηλεκτρονικά συστήματα, όπου οι διαπερατές διαδρομές και τα τοπικά σημεία συμφόρησης είναι σημαντικά. Σε μια BHJ, δύο φάσεις αλληλεπιδρούν σε κλίμακα 10–100 nm, δημιουργώντας μια μεγάλη εσωτερική διεπαφή και ένα τοπίο μεταφοράς που δεν είναι θεμελιωδώς μονοδιάστατο. Το κόστος είναι η πολυπλοκότητα: μόλις αναλύσετε τη μικροδομή, αναπόφευκτα θα αντιμετωπίσετε όρια διαπερατότητας, αδιέξοδα, στενώσεις και σημαντικές χωρικές διακυμάνσεις στην πυκνότητα των φορέων και στην ανασυνδυασμό. Για τις περισσότερες καθημερινές προσομοιώσεις συσκευών, δεν θα ξεκινήσετε από εδώ. Συνήθως, θα εργαστείτε σε επίπεδο 1D συσκευής – μια προσέγγιση γρήγορη, αξιόπιστη και συχνά απολύτως κατάλληλη – ενδεχομένως συμπεριλαμβάνοντας επιπλέον φυσικές ιδιότητες, όπως παγίδευση και ανασυνδυασμό. Για παράδειγμα, το το γρήγορο εγχειρίδιο εκκίνησης για OPV παρουσιάζει μια τυπική ροή εργασίας 1D (συμπεριλαμβανομένης της φυσικής των παγίδων, όπου απαιτείται), η οποία είναι το κατάλληλο εργαλείο για την πλειονότητα των συνηθισμένων μελετών και της εξαγωγής παραμέτρων.

Στο άλλο άκρο της κλίμακας αφαίρεσης, εάν ο στόχος σας είναι ερωτήματα σε επίπεδο συστήματος, όπως η επεκτασιμότητα, οι απώλειες σε σειρά/παράλληλη σύνδεση ή η συμπεριφορά των μονάδων/πινάκων, τότε συνήθως θα προτιμούσατε μια περιγραφή μεγάλης επιφάνειας/σε επίπεδο κυκλώματος αντί να εστιάζετε στη μορφολογία σε νανοκλίμακα. Το large-area PM6:Y6 tutorial αποτελεί ένα παράδειγμα αυτής της προσέγγισης μοντελοποίησης σε υψηλότερο επίπεδο.

Αυτό το εκπαιδευτικό υλικό ακολουθεί σκόπιμα μια αντίθετη προσέγγιση: διατηρεί τη μικροδομή (μέσω μιας σαφώς καθορισμένης μορφολογίας BHJ), αλλά παραμένει πρακτικό από υπολογιστική άποψη, επιλύοντας το ηλεκτρικό πρόβλημα σε δισδιάστατες τομές. Δεν πρόκειται για το ότι κάθε συσκευή θα πρέπει να προσομοιωθεί με αυτόν τον τρόπο, αλλά ότι η ύπαρξη μιας μεθοδολογίας που επιλύει τη μικροδομή είναι επιστημονικά και τεχνολογικά πολύτιμη. Σας επιτρέπει να ελέγξετε σε ακραίες συνθήκες τις υποθέσεις του μοντέλου αποτελεσματικού μέσου, να δείτε πού τα «απλά» μοντέλα αποτυγχάνουν και να αναπτύξετε μια διαισθητική κατανόηση των ορίων απόδοσης που καθορίζονται από τη μορφολογία, ιδιαίτερα όταν η διασπορά και η χωρικά εντοπισμένη παγίδευση/ανασύνθεση είναι κυρίαρχες.

2. Δημιουργήστε μια προσομοίωση μορφολογίας και ελέγξτε το BHJ.

Από το κύριο παράθυρο, κάντε κλικ στην επιλογή "Νέα προσομοίωση". Αυτό ανοίγει τη βιβλιοθήκη τύπων συσκευών που εμφανίζεται στην εικόνα ??. Κάντε διπλό κλικ στην επιλογή "Μορφολογία" και, στη συνέχεια, αποθηκεύστε το έργο σε κάποιο φάκελο στον τοπικό σας δίσκο. Η τοπική αποθήκευση είναι σημαντική, επειδή οι προσομοιώσεις που βασίζονται στη μορφολογία μπορούν να δημιουργήσουν πολλά ενδιάμεσα αρχεία (πλέγματα, στιγμιότυπα, προσωρινά αρχεία) και η τοπική αποθήκευση είναι συνήθως πολύ πιο γρήγορη και αξιόπιστη από τους φακέλους που συγχρονίζονται μέσω δικτύου ή στο cloud.

Αφού δημιουργήσετε το έργο, ανοίγει το κύριο παράθυρο της συσκευής. Θα πρέπει να δείτε ένα κεντρικό κόκκινο αντικείμενο που αντιπροσωπεύει μία φάση της ομοιοκατάστατης ετεροδιάστασης (BHJ), ενσωματωμένο μέσα στην περιβάλλουσα περιοχή της ενεργού στρώσης, όπως φαίνεται στην εικόνα. ??Ενώ η πλήρης τρισδιάστατη προβολή είναι κατατοπιστική, η μορφολογία μπορεί να είναι οπτικά περίπλοκη. Για να γίνει η εσωτερική δομή πιο ευδιάκριτη, κάντε δεξί κλικ στο αντικείμενο BHJ και επιλέξτε Προβολή → Εμφάνιση της διατομής κατά μήκος του άξονα Υ..

Η ενεργοποίηση της λειτουργίας προβολής διατομής δημιουργεί την απεικόνιση που φαίνεται στην ??, η οποία εμφανίζει μια δισδιάστατη τομή της τρισδιάστατης μορφολογίας. Αυτό διευκολύνει σημαντικά την οπτικοποίηση της συνδεσιμότητας των φάσεων, των διεπαφών και των διαδρομών διάχυσης εντός του BHJ.

Ένα χρήσιμο νοητικό μοντέλο σε αυτό το στάδιο είναι το εξής: η εξωτερική ορθογώνια περιοχή ορίζει τον όγκο της ενεργού στρώσης, ενώ το ενσωματωμένο κόκκινο αντικείμενο ορίζει μία συγκεκριμένη φάση BHJ (για παράδειγμα, το πολυμερές). Η συμπληρωματική φάση ορίζεται έμμεσα ως το υπόλοιπο του όγκου της ενεργού στρώσης που δεν καταλαμβάνεται από το ενσωματωμένο αντικείμενο. Αυτός ο διαχωρισμός γίνεται σαφής κατά την εξέταση των ιδιοτήτων του αντικειμένου στον επεξεργαστή αντικειμένων στις επόμενες ενότητες.

3. Δομή της συσκευής: ενεργή στρώση και ενσωματωμένη μορφολογία BHJ.

Ανοίξτε την καρτέλα "Δομή συσκευής" και κάντε κλικ στο "Επεξεργαστής στρώσεων". Η συσκευή αποτελείται από τρεις στρώσεις: μια επάνω επαφή, μια ενιαία ενεργή στρώση και μια κάτω επαφή (Εικόνα ??). Αυτή η σκόπιμα απλή διάταξη διευκολύνει την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο η μορφολογία επηρεάζει το ηλεκτρικό πρόβλημα, χωρίς να εισάγει επιπλέον διεπαφές ή στρώσεις μεταφοράς. Το βασικό σημείο είναι ότι η ίδια η ενεργή στρώση είναι ένας απλός ορθογώνιος όγκος που ορίζεται στον επεξεργαστή στρώσεων. Σε αυτό το παράδειγμα, έχει ανατεθεί το μοριακό υλικό Y6, ένα δέκτη, και από μόνη της, είναι απλώς ένα κουτί. Όλη η δομική πολυπλοκότητα που σχετίζεται με την ομοιοκατανομή χύδην εισάγεται ξεχωριστά, ενσωματώνοντας ένα δεύτερο αντικείμενο μέσα σε αυτόν τον όγκο της ενεργού στρώσης. Αυτό το ενσωματωμένο αντικείμενο είναι ένα σύνθετο πλέγμα CAD που εισάγεται από τη βάση δεδομένων Shape και αντιπροσωπεύει τη φάση του πολυμερούς PM6. Το πλέγμα του πολυμερούς ορίζει έναν κλειστό τρισδιάστατο όγκο μέσα στην ενεργό στρώση. Η συμπληρωματική φάση (η περιοχή πλούσια σε δέκτες) ορίζεται στη συνέχεια έμμεσα ως το τμήμα της ενεργού στρώσης που δεν καταλαμβάνεται από το πλέγμα του πολυμερούς. Με άλλα λόγια, η BHJ αναπαρίσταται μέσω της αποκλειστικής χρήσης όγκου και όχι μέσω της ρητής ορισμού δύο αλληλένδετων πλεγμάτων.

Αυτός ο διαχωρισμός γίνεται σαφής κατά την εξέταση των αντικειμένων στην τρισδιάστατη προβολή. Υπάρχουν δύο σχετικά αντικείμενα: το περίβλημα του ενεργού στρώματος (που συνήθως εμφανίζεται ως ένα μπλε περίγραμμα) και η ενσωματωμένη πολυμερής μορφολογία (που εμφανίζεται με κόκκινο χρώμα). Για να εξετάσετε τις ιδιότητές τους, κάντε δεξί κλικ στην μπλε περιοχή περιγράμματος και επιλέξτε "Επεξεργασία αντικειμένου", όπως φαίνεται στην εικόνα ??.

Στον επεξεργαστή αντικειμένων, η διάκριση είναι σαφής. Για το περιβάλλον ενεργό αντικείμενο, το σχήμα του αντικειμένου είναι ένα απλό κουτί (με τις σύνθετες γεωμετρίες απενεργοποιημένες). Για το αντικείμενο πολυμερούς, το σχήμα του αντικειμένου αναφέρεται σε μια εγγραφή στη βάση δεδομένων σχημάτων, η οποία είναι το τριγωνοποιημένο πλέγμα που ορίζει τη μορφολογία PM6. Αλλάζοντας αυτήν την αναφορά, αλλάζει η μορφολογία του πολυμερούς, ενώ η γύρω ενεργή στρώση παραμένει αμετάβλητη.

Αυτή η κατασκευή – ένα απλό, ενεργό στρώμα σε σχήμα κουτιού συν έναν ενσωματωμένο όγκο πολυμερούς – είναι κεντρικής σημασίας για τον τρόπο με τον οποίο οι μορφολογίες BHJ διαχειρίζονται στο OghmaNano. Απλοποιεί τη γεωμετρία, διασφαλίζει ότι η πολυμερής φάση σχηματίζει μια καλά καθορισμένη, κλειστή περιοχή και σας επιτρέπει να μελετήσετε πώς η διασύνδεση, η συνδεσιμότητα και οι περιορισμοί στο πολυμερές δίκτυο επηρεάζουν τη μεταφορά φορτίου, μόλις εκτελεστεί ο ηλεκτρικός επιλυτής.

4. Ηλεκτρικές παράμετροι: κινητικότητες και ζώνες παγίδων SRH.

Ανοίξτε τον επεξεργαστή ηλεκτρικών παραμέτρων από το κύριο παράθυρο. Παρέχονται ξεχωριστά πάνελ παραμέτρων για τις δύο φάσεις της ενεργού στρώσης: την περιβάλλουσα ενεργή περιοχή (δέκτης / μήτρα) και τη ενσωματωμένη πολυμερή μορφολογία, όπως φαίνεται στις εικόνες ?? και ??. Εδώ είναι που οι δύο αλληλεπιδρούσες φάσεις καθίστανται ηλεκτρικά διακριτές.

Και οι δύο φάσεις χρησιμοποιούν την ίδια βασική τυπική προσέγγιση για τη μεταφορά: διάχυση με μετατόπιση, στατιστική κατανομή Maxwell-Boltzmann για τους φορείς και συμμετρικούς τανυστή κινητικότητας. Η κύρια διαφορά είναι η σκόπιμη αντίθεση στην κινητικότητα. Στην πολυμερική φάση, η κινητικότητα των οπών είναι υψηλή, ενώ η κινητικότητα των ηλεκτρονίων είναι μειωμένη· στην συμπληρωματική ενεργή φάση, αυτό αντιστρέφεται. Αυτό επιβάλλει επιλεκτική μεταφορά: οι οπές διαχέονται μέσω του πολυμερικού δικτύου, ενώ τα ηλεκτρόνια διαχέονται μέσω της μήτρας.

Αυτή η απλή ασυμμετρία είναι αρκετή για να δημιουργήσει μια φυσικά σημαντική συμπεριφορά του BHJ. Ακόμη και πριν από την εκτέλεση της προσομοίωσης, καθορίζει τι θα πρέπει να περιμένετε να δείτε στις χωρικές εξόδους: συνεχείς διαδρομές διαρροής, αδιέξοδα όπου οι φορείς παγιδεύονται γεωμετρικά και τοπική συσσώρευση φορτίου σε περιοχές στένωσης ή περιοχές της μορφολογίας με κακή σύνδεση. Εκτός από τη μεταφορά ελεύθερων φορέων, η μη ισορροπημένη παγίδευση Shockley–Read–Hall (SRH) ενεργοποιείται και στις δύο φάσεις. Όπως φαίνεται στα παράθυρα παραμέτρων, η πυκνότητα των καταστάσεων αναπαρίσταται χρησιμοποιώντας εκθετικές κατανομές ουράς τόσο για τα ηλεκτρόνια όσο και για τις οπές, με πανομοιότυπες πυκνότητες παγίδων και ενεργειακές κλίσεις σε κάθε φάση. Ο επιλυτής παρακολουθεί πέντε διακριτές ζώνες παγίδων σε κάθε σημείο του πλέγματος.

Κάθε ζώνη παγίδευσης ανταλλάσσει δυναμικά τους φορείς με τις ελεύθερες συγκεντρώσεις μέσω συγκεκριμένων όρων σύλληψης και εκπομπής (οι σταθερές σύζευξης από ελεύθερη σε παγιδευμένη κατάσταση είναι ορατές στον επεξεργαστή). Ως αποτέλεσμα, το σύστημα που επιλύεται περιλαμβάνει όχι μόνο τις συγκεντρώσεις των ελεύθερων ηλεκτρονίων και οπών, αλλά και πολλαπλές συγκεντρώσεις παγιδευμένων φορέων σε κάθε χωρική θέση. Αυτό αυξάνει σημαντικά την αριθμητική δυσκαμψία και το υπολογιστικό κόστος, αλλά είναι απαραίτητο για την ακριβή μοντελοποίηση της διασπορικής μεταφοράς, της ανασυνδυασμένης διαδικασίας με τη βοήθεια παγίδων και της ρεαλιστικής μεταβατικής συμπεριφοράς σε διαταραγμένους οργανικούς ημιαγωγούς. Οι αριθμητικές τιμές που χρησιμοποιούνται εδώ προορίζονται ως ένα σταθερό, εικονογραφικό παράδειγμα και όχι ως ένα βαθμονομημένο υλικό μοντέλο. Μόλις γίνει κατανοητή η ροή εργασίας, αυτές οι παράμετροι μπορούν να βελτιωθούν, να επικυρωθούν με πειραματικά δεδομένα ή να απλοποιηθούν εάν ο στόχος είναι να απομονωθούν οι επιπτώσεις της μορφολογίας και της διασύνδεσης και όχι η φυσική των παγίδων.

5. Δημιουργία πλέγματος.

Πριν εκτελέσετε την προσομοίωση, αξίζει να ελέγξετε το ηλεκτρικό πλέγμα για να βεβαιωθείτε ότι είναι σωστό. Στο κύριο παράθυρο, ανοίξτε την καρτέλα "Ηλεκτρικά" (Εικόνα ??) και κάντε κλικ στην επιλογή "Ηλεκτρικό πλέγμα". Αυτό ανοίγει τον επεξεργαστή πλέγματος που εμφανίζεται στην ??.

Σε αυτό το παράδειγμα, το πλέγμα είναι 40 × 40 στο επίπεδο xy, πράγμα που σημαίνει ότι το ηλεκτρικό πρόβλημα επιλύεται σε δύο διαστάσεις. Η διάσταση z παραλείπεται σκόπιμα. Στο OghmaNano είναι δυνατές οι πλήρως τρισδιάστατες ηλεκτρικές προσομοιώσεις, αλλά αυτές απαιτούν μια πραγματική τρισδιάστατη μορφολογία και συνεπάγονται σημαντική αύξηση του υπολογιστικού κόστους και της πολυπλοκότητας. Η κατασκευή και η ερμηνεία τέτοιων μοντέλων υπερβαίνει το πλαίσιο αυτού του εκπαιδευτικού προγράμματος.

Αντίθετα, αυτός ο υπολογισμός θα πρέπει να θεωρείται ως μια δισδιάστατη διατομή της συσκευής. Η διατομή περνάει από το κέντρο της μορφολογίας και διατηρεί την πλήρη πλευρική μικροδομή BHJ εντός αυτής της επιφάνειας. Αυτή η προσέγγιση αποτυπώνει τη διασύνδεση, τα σημεία συμφόρησης και τη φασική συνδεσιμότητα, ενώ παραμένει γρήγορη, εύκολη στην ερμηνεία και κατάλληλη για εξερεύνηση σε επίπεδο εκπαιδευτικού υλικού.

6. Εκτέλεση της προσομοίωσης.

Κάντε κλικ στο μπλε κουμπί "Εκτέλεση προσομοίωσης" στο κύριο παράθυρο για να ξεκινήσετε την επίλυση. Κατά τη διάρκεια της εκτέλεσης, το τερματικό εμφανίζει το σημείο λειτουργίας και την πυκνότητα ρεύματος σε κάθε βήμα (??). Σε αυτό το παράδειγμα, η τάση που εφαρμόζεται στην επάνω επαφή αυξάνεται σταδιακά από 0,00 V έως περίπου 0,54 V για να δημιουργηθεί μια καμπύλη JV. Σε χαμηλές τάσεις, η αναφερόμενη πυκνότητα ρεύματος είναι αρνητική υπό φωτισμό και, καθώς η τάση πλησιάζει την περιοχή ανοικτού κυκλώματος, το συνολικό ρεύμα διασχίζει το μηδέν και αλλάζει πρόσημο, γεγονός που είναι σύμφωνο με τη συμπεριφορά ενός ηλιακού στοιχείου.

Όταν ολοκληρωθεί η εκτέλεση, ανοίξτε την καρτέλα "Έξοδος" (??) για να ελέγξετε τα αρχεία που δημιουργήθηκαν. Η περίληψη στην κονσόλα αναφέρει τη συνολική διάρκεια της εκτέλεσης, τον αριθμό των εξισώσεων που επιλύθηκαν και βασικές στατιστικές εισόδου/εξόδου δίσκου. Στις προσομοιώσεις που εξετάζουν τη μορφολογία, είναι χρήσιμο να παρακολουθείτε την έξοδο των αρχείων: η εγγραφή μεγάλου αριθμού στιγμιότυπων μπορεί να καταναλώσει μεγάλο μέρος του χρόνου εκτέλεσης, ακόμη και όταν ο ίδιος ο επιλυτής είναι γρήγορος.

Για να ελέγξετε τη γεωμετρία, κάντε διπλό κλικ στο device.csv για να δείτε την τριγωνοποιημένη αναπαράσταση της συσκευής, όπως χρησιμοποιείται εσωτερικά από τον επιλυτή (??). Αυτό επιβεβαιώνει ότι η μορφολογία BHJ έχει εισαχθεί και διακριτοποιηθεί όπως αναμενόταν.

Για να δείτε την ηλεκτρική απόδοση, ανοίξτε το jv_contact_0.csv ή το jv_contact_1.csv για να δημιουργήσετε το γράφημα της καμπύλης JV (??). Για αυτήν την δισδιάστατη προσομοίωση, θα πρέπει να χρησιμοποιηθούν οι τιμές της καμπύλης JV ανά επαφή· το jv.csv μπορεί να παραλειφθεί.

7.0 Εξέταση στιγμιότυπων προσομοίωσης.

Μετά την ολοκλήρωση της προσομοίωσης, τα πιο χρήσιμα αποτελέσματα βρίσκονται στον κατάλογο snapshots/. Τα αρχεία στιγμιότυπων αποθηκεύουν τις εσωτερικές μεταβλητές κατάστασης του συστήματος διάχυσης-μεταφοράς-SRH, τα οποία καταγράφονται ως συνάρτηση της εφαρμοσμένης τάσης. Αυτά αποκαλύπτουν την χωρικά αναλυμένη λύση των εξισώσεων μεταφοράς σε κάθε βήμα τάσης, αντί για συνοπτικές αναλύσεις που έχουν υποστεί επεξεργασία. Όταν ανοίγει ένα στιγμιότυπο, δύο στοιχεία ελέγχου γίνονται διαθέσιμα: ένα ρυθμιστικό τάσης, το οποίο διατρέχει την καμπύλη JV, και ένα ρυθμιστικό θέσης τομής, το οποίο επιλέγει την δισδιάστατη τομή μέσω της μορφολογίας. Κατά τη διάρκεια αυτού του εκπαιδευτικού προγράμματος, το ηλεκτρικό πρόβλημα επιλύεται σε μια δισδιάστατη τομή και όλα τα δεδομένα στιγμιότυπων αντιστοιχούν σε αυτήν την τομή.

Οι εικόνες ??–?? παρουσιάζουν χαρακτηριστικές δισδιάστατες στιγμιότυπα σε σταθερή τάση. Αυτές οι ποσότητες θα πρέπει να ερμηνεύονται από κοινού. Η ενεργειακή επιφάνεια της ζώνης αγωγιμότητας (LUMO), Ec.csv (??), καθορίζει το ενεργειακό περιβάλλον για τα ηλεκτρόνια. Σε μια προσομοίωση που επιλύει τη μορφολογία, αυτή η επιφάνεια ποικίλλει πλευρικά λόγω τόσο της ενεργειακής εξάρτησης από τη φάση όσο και της ηλεκτροστατικής απόκρισης στην τοπική συσσώρευση φορτίου. Η πυκνότητα των ελεύθερων ηλεκτρονίων, Q_nfree.csv (??), αναδεικνύει περιοχές όπου τα ηλεκτρόνια μπορούν να κινούνται αποτελεσματικά μέσω του δικτύου αποδεκτών/υλικού μήτρας. Οι έντονες χωρικές διακυμάνσεις υποδεικνύουν διαδρομές διασύνδεσης, περιορισμούς και μορφολογικά προκαλούμενα σημεία συμφόρησης.

Η πυκνότητα των παγιδευμένων ηλεκτρονίων, Q_ntrap.csv (??), αποκαλύπτει πού συσσωρεύονται οι φορείς στα παγιδευμένα επίπεδα. Η σύγκριση των πυκνοτήτων των ελεύθερων και των παγιδευμένων φορέων είναι συχνά ο πιο γρήγορος τρόπος για να εντοπιστούν περιοχές με κακή εξαγωγή ή ισχυρή τοπική παγίδευση, η οποία συνδέεται με τη μορφολογία του BHJ. Η έξοδος που σχετίζεται με την κινητικότητα, mu_p_ft.csv (??), δείχνει μια αποτελεσματική κινητικότητα που υπολογίζεται κατά μέσο όρο για τους ελεύθερους και τους παγιδευμένους φορείς. Οι χωρικές διακυμάνσεις αντικατοπτρίζουν τόσο την εγγενή φασική αντίθεση όσο και την τοπική παγίδευση και συχνά συσχετίζονται έντονα με τη συνδεσιμότητα του υποκείμενου δικτύου.

Ενώ οι δισδιάστατες απεικονίσεις αποτελούν συχνά τον πιο σαφή τρόπο ανάλυσης της χωρικής μεταβολής, μερικές φορές είναι ευκολότερο να ερμηνευθούν τα ίδια δεδομένα στον πραγματικό χώρο. Ενεργοποιώντας τη τρισδιάστατη λειτουργία στο παράθυρο της στιγμιαίας εικόνας, η δισδιάστατη τομή προβάλλεται ξανά στην γεωμετρία της συσκευής. Οι εικόνες ??–?? παρουσιάζουν παραδείγματα αυτής της προβολής. Οι μέσες κινητικότητες ηλεκτρονίων και οπών (mu_n_ft.csv, mu_p_ft.csv), η σχετική επιφάνεια Fermi για τα ελεύθερα ηλεκτρόνια (Fn.csv) και η πυκνότητα ρεύματος ηλεκτρονίων στην κατεύθυνση μεταφοράς (Jn.csv) είναι ιδιαίτερα χρήσιμες για την οπτικοποίηση των διαδρομών διήθησης και της ροής ρεύματος μέσω του BHJ.

Αυτές οι στιγμιαίες απεικονίσεις αποτελούν την κύρια επιστημονική αξία των προσομοιώσεων που επιλύουν τη μορφολογία: επιτρέπουν την άμεση συσχέτιση των παρατηρήσιμων σε κλίμακα συσκευής με τις τοπικές ενεργειακές ιδιότητες, τις παγίδες και τη συνδεσιμότητα εντός της ετεροδιάστατης ένωσης.

8. Ενδεικτικές ασκήσεις

Ο πιο γρήγορος τρόπος για να αναπτύξετε τη διαίσθησή σας είναι να τροποποιήσετε το μοντέλο και να παρατηρήσετε τις αλλαγές. Οι παρακάτω εργασίες έχουν σχεδιαστεί για να είναι σύντομες: αλλάξτε το πλέγμα της μορφολογίας, εκτελέστε ξανά την προσομοίωση και συγκρίνετε την καμπύλη τάσης-ρεύματος (και, αν έχετε χρόνο, μερικές στιγμιότυπα με την ίδια τάση).

Εργασία 1 — αντικαταστήστε το πλέγμα μορφολογίας.

Στην κύρια προβολή της συσκευής, κάντε δεξί κλικ στο κόκκινο αντικείμενο BHJ (το ενσωματωμένο πολυμερές πλέγμα) και επιλέξτε "Επεξεργαστής πλέγματος". Στον επεξεργαστή, η τρέχουσα επιλογή θα πρέπει να είναι "Σχήμα από τη βάση δεδομένων". Αλλάξτε το επιλεγμένο σχήμα σε "μορφολογία/1", "μορφολογία/2" και "μορφολογία/3" (Εικόνες ??, ??, ??). Εκτελέστε ξανά την προσομοίωση μετά από κάθε αλλαγή και συγκρίνετε την καμπύλη JV.

Αυτό που αναζητάτε είναι ο τρόπος με τον οποίο η συνδεσιμότητα και τα σημεία συμφόρησης επηρεάζουν την εξαγωγή και την ανασυνδυασμό: ορισμένες μορφολογίες δημιουργούν καθαρότερες διαδρομές διέλευσης (υψηλότερο ρεύμα), ενώ άλλες αναγκάζουν τους φορείς να περάσουν από στενά σημεία και αδιέξοδα (περισσότερη συσσώρευση, περισσότερη παγίδευση και συνήθως χειρότερη απόδοση στις μετρήσεις ρεύματος-τάσης).

Ως ένα σκόπιμα «λανθασμένο αλλά διδακτικό» πείραμα, θα βρείτε επίσης στη βάση δεδομένων ένα σχήμα που ονομάζεται «τσαγιέρα». Αντικαταστήστε το πλέγμα BHJ με το σχήμα της τσαγιέρας, εκτελέστε ξανά την προσομοίωση και δημιουργήστε μια καμπύλη JV για μια συσκευή με μια ενσωμάτωση σε σχήμα τσαγιέρας. Δεν είναι ένα φυσικά ρεαλιστικό BHJ, αλλά αποδεικνύει ότι η ροή εργασίας καθορίζεται πραγματικά από τη γεωμετρία: οποιοδήποτε κλειστό πλέγμα CAD μπορεί να εισαχθεί και να αναλυθεί ηλεκτρικά.

Εργασία 2 — αλλαγή της έντασης της παγίδευσης (ζώνες παγίδευσης SRH).

Στις ηλεκτρικές παραμέτρους, ρυθμίστε τις παραμέτρους των παγίδων SRH εκτός ισορροπίας και εκτελέστε ξανά την προσομοίωση. Δοκιμάστε να αλλάξετε μία παράμετρο κάθε φορά:

• Αυξήστε/μειώστε την πυκνότητα των παγίδων κατά 1-2 τάξεις μεγέθους και συγκρίνετε τις τιμές Q_nfree και Q_ntrap.

Σκοπός αυτής της άσκησης είναι να εξεταστεί πώς η διασκορπιστική/περιορισμένη από παγίδες μεταφορά ανταγωνίζεται τη μορφολογία: η παγίδευση τείνει να ενισχύει τις «κακές» περιοχές (αδιέξοδα, στενώσεις) επειδή ο φορτίος δεν μπορεί να εκκενωθεί τόσο γρήγορα.

Εργασία 3 — αλλαγή των σταθερών του ρυθμού ανασυνδυασμού.

Ενώ εξακολουθείτε να βρίσκεστε στις ηλεκτρικές παραμέτρους, τροποποιήστε την ανασυνδυασμό και εκτελέστε ξανά την προσομοίωση. Δύο απλές αλλαγές:

• Αλλάξτε την σταθερά της ταχύτητας ανασύνθεσης των ελεύθερων ηλεκτρονίων-οπών (n_free σε p_free) αυξάνοντάς την ή μειώνοντάς την κατά 1–2 τάξεις μεγέθους. Παρατηρήστε πώς επηρεάζονται η καμπύλη JV και η χωρική κατανομή των φορτίων.
• Εάν το έργο σας αποκαλύπτει παραμέτρους σύζευξης/σύλληψης SRH (σταθερές σύζευξης ελεύθερων προς παγιδευμένων φορέων), αυξήστε ή μειώστε τις μαζί και συγκρίνετε την ισορροπία των Q_nfree και Q_ntrap στην ίδια τάση πόλωσης.

Μια χρήσιμη συνήθεια για τις εργασίες 2–3 είναι να διατηρείτε σταθερή τη μορφολογία, να αλλάζετε μία παράμετρο και στη συνέχεια να ελέγχετε κάθε φορά τα ίδια δύο πράγματα: (i) πώς μετατοπίζεται η καμπύλη τάσης-ρεύματος και (ii) εάν οι διαδρομές του ρεύματος (π.χ. Jn και τα πεδία της σχετικής στάθμης Fermi) γίνονται πιο ομαλές ή πιο «κατακερματισμένες» λόγω της μικροδομής.