Μοντελοποίηση της εξκιτονικής/ομόζυμης ανασύνθεσης – μόνο για οργανικά υλικά.
Γιατί δεν θα έπρεπε να δημιουργείτε μοντέλα για τα εξκιτόνια.
Το OghmaNano περιλαμβάνει μοντέλα για την επεξεργασία διεγερμένων καταστάσεων: ενότητες για την προσομοίωση εκσιτονίων και της επανασυνδυασμένης διάσπασης για οργανικές φωτοβολταϊκές συσκευές (OPV) (π.χ., το μοντέλο Onsager–Braun για την απόδοση διάσπασης) και πιο λεπτομερή μοντέλα διεγερμένων καταστάσεων για οργανικές διόδους εκπομπής φωτός (OLED) που παρακολουθούν τα μονή και τα τριπλέ. Ωστόσο, για τις προσομοιώσεις συσκευών OPV, συνήθως δεν χρειάζεται να μοντελοποιήσετε ρητά τα εκσιτόνια. Έχουν προταθεί μερικά μοντέλα στη βιβλιογραφία για τον υπολογισμό του αριθμού των ζευγών επανασυνδυασμένης διάσπασης που μετατρέπονται σε ελεύθερους φορείς φορτίου — για παράδειγμα, το μοντέλο Onsager–Braun θα σας δώσει την απόδοση διάσπασης των εκσιτονίων. Υπάρχουν και άλλα μοντέλα που θα σας επιτρέψουν να υπολογίσετε την κατανομή των εκσιτονίων σε μια συσκευή ως συνάρτηση της θέσης.
Ωστόσο, αυτά τα μοντέλα απαιτούν γενικά παραμέτρους που σπάνια είναι γνωστές με ακρίβεια για ένα συγκεκριμένο σύστημα και είναι δύσκολο να μετρηθούν (π.χ. διάρκεια ζωής των εκσιτονίων, μήκος διάχυσης, ρυθμός διάσπασης), απαιτώντας συχνά εξειδικευμένα πειράματα (TRPL, pump–probe, στοίβες PL-quenching, μετρήσεις EQE/EL που εξαρτώνται από την τάση) και δίνοντας τιμές που εξαρτώνται από τη μορφολογία και την επεξεργασία. Επομένως, αν και είναι δυνατό (και ενδιαφέρον) να προσομοιωθεί η ομόζυγη ανασύνθεση, συνήθως είναι καλύτερο να εισαχθεί απλώς ένας παράγοντας απόδοσης φωτονίων \(\eta_{photon}\). Αυτός ο αριθμός κυμαίνεται μεταξύ 0,0 και 1,0 και πολλαπλασιάζεται με τον αριθμό των φωτονίων που απορροφώνται σε οποιοδήποτε σημείο της συσκευής, ώστε να ληφθούν υπόψη οι απώλειες λόγω ομόζυγης ανασύνθεσης.
\[ G = G_{abs}\cdot \eta_{photon} \]
πού \(G\) είναι ο ρυθμός δημιουργίας φορέων φορτίου στο \(m^{-3}s^{-1}\) στις εξισώσεις [εξ:συνέ] και [εξ:συνέ].
Αυτός ο παράγοντας μπορεί να προσδιοριστεί σε ικανοποιητικό βαθμό συγκρίνοντας τη διαφορά μεταξύ των προσομοιωμένων και των πειραματικών τιμών \(J_{sc}\). Αυτή η παράμετρος μπορεί να οριστεί στην ενότητα διαμόρφωσης του παραθύρου οπτικής προσομοίωσης. Επομένως, στις περισσότερες περιπτώσεις, δεν θα πρέπει να μοντελοποιείτε τα εξκιτόνια ρητά, αλλά μάλλον να χρησιμοποιείτε τον «συντελεστή απόδοσης φωτονίων». Εάν εξακολουθείτε να επιθυμείτε να μοντελοποιήσετε τα εξκιτόνια, συνεχίστε την ανάγνωση.
Πώς να μοντελοποιήσετε τα εξιτόνια (αν πραγματικά το χρειάζεστε).
Εάν έχετε διαβάσει την ενότητα... 13.1 και εξακολουθείτε να θέλετε να δημιουργήσετε ένα μοντέλο για τα εξκιτόνια, αυτή η ενότητα εξηγεί πώς να το κάνετε στο OghmaNanoΤο υπολογιστικό μοντέλο των εξκιτονίων βρίσκεται ανάμεσα στα οπτικά και ηλεκτρικά μοντέλα. Όταν το μοντέλο των εξκιτονίων είναι απενεργοποιημένο, η δημιουργία φορέων λαμβάνεται απευθείας από την οπτική μέσω της συντόμευσης της φωτοαποδοτικότητας. [εξ:συνέ]: \(G = G_{abs}\,\eta_{\mathrm{photon}}\)Όταν χρησιμοποιείται το μοντέλο εκσιτονίου... επάνω, η οπτική απορρόφηση τροφοδοτεί μια εξίσωση διάχυσης-αντίδρασης των εκσιτονίων και ο όρος ηλεκτρονικής παραγωγής προέρχεται από την αποσύνθεση των εκσιτονίων.
\[ \frac{\partial X}{\partial t} = \nabla \!\cdot \!\big(D\,\nabla X\big) + G_{\mathrm{optical}} - k_{\mathrm{dis}}\,X - k_{\mathrm{FRET}}\,X - k_{\mathrm{PL}}\,X - \alpha\,X^{2} \]
Εδώ, \(X(\mathbf{r},t)\) είναι η πυκνότητα των εκσιτονίων (m\(^{-3}\)), \(D\) είναι ο συντελεστής διάχυσης των εκσιτονίων (m\(^2\)s\(^{-1}\)), \(G_{\mathrm{optical}}\) είναι ο τοπικός ρυθμός δημιουργίας εκσιτονίων από το οπτικό μοντέλο (ανάλογος με τους απορροφηθέντες φωτόνιους), \(k_{\mathrm{dis}}\) είναι ο ρυθμός διάσπασης σε ελεύθερα φορτία, \(k_{\mathrm{FRET}}\) είναι ο ρυθμός μεταφοράς ενέργειας Förster, \(k_{\mathrm{PL}}\) είναι ο ρυθμός ακτινοβολιακής αποσύνθεσης και \(\alpha\) είναι ο συντελεστής εξαΰλωσης εκσιτονίων (m\(^3\)s\(^{-1}\)). Όταν το μοντέλο εκσιτονίων είναι ενεργοποιημένο, ο όρος δημιουργίας μέσω ηλεκτρονικής μεταφοράς και διάχυσης λαμβάνεται ως \(G = k_{\mathrm{dis}}\,X\) (ολικός), με προαιρετικούς περιορισμούς στις διεπιφανειακές περιοχές, εάν έχει διαμορφωθεί.
Ο συντελεστής διάχυσης καθορίζεται συνήθως μέσω της διαχύσεως \(L\) και του χρόνου ζωής \(\tau\):
\[ D \;=\; \frac{L^{2}}{\tau} \]
Οι τυπικές συνοριακές συνθήκες είναι είτε η εξασθένηση (\(X=0\)) στις ηλεκτρόδες ή στα στρώματα εξασθένησης, και/ή η συνθήκη μη ροής (\(\mathbf{n}\!\cdot\!\nabla X=0\)) στις διεπιφάνειες φραγμού· η διεπιφανειακή εξασθένηση μπορεί επίσης να αναπαρασταθεί με μια σταθερά επιφανειακού ρυθμού. Μονάδες: \(D\) (m\(^2\)s\(^{-1}\)), \(L\) (m), \(\tau\) (s), ρυθμοί \(k\) (s\(^{-1}\)).
Πρακτική σημείωση: οι παράμετροι \(L\), \(\tau\), \(k_{\mathrm{dis}}(E)\), \(k_{\mathrm{FRET}}\) και \(\alpha\) είναι συχνά δύσκολο να προσδιοριστούν και μπορεί να εξαρτώνται από τη μορφολογία. Εκτός εάν η μελέτη σας στοχεύει ρητά στη μεταφορά/κινητική των εκσιτονίων, η απλούστερη προσέγγιση \(G = G_{abs}\,\eta_{\mathrm{photon}}\) είναι συνήθως πιο αξιόπιστη για προσομοιώσεις συσκευών OPV.