Δομή συσκευής OPV: Επεξεργασία στρώσεων, ενεργές στρώσεις και πάχος.

Πριν επιχειρήσετε να ολοκληρώσετε αυτή την ενότητα, βεβαιωθείτε ότι έχετε ολοκληρώσει τις ενότητες Μέρος Α και Μέρος Β.

1. Τροποποίηση της δομής της συσκευής OPV.

Τα οργανικά ηλιακά κύτταρα είναι πολυεπίπεδες συσκευές και η δομή της συσκευής OPV επηρεάζει σημαντικά την οπτική απορρόφηση, την εξαγωγή φορτίου και την προσομοιωμένη απόδοση. Στην OghmaNano, Επεξεργαστής επιπέδων χρησιμοποιείται για να ορίσει τη διάταξη των ηλιακών κυψελών, συμπεριλαμβανομένου του πάχους κάθε στρώσης, του οπτικού υλικού και του αν κάθε στρώση αντιμετωπίζεται ως ενεργός, επικοινωνία ή άλλαΑυτός ο επεξεργαστής μπορεί να ανοιχτεί από το κύριο παράθυρο προσομοίωσης, κάτω από την επιλογή: Δομή της συσκευής όπως φαίνεται στην καρτέλα ??Ο ίδιος ο επεξεργαστής επιπέδων εμφανίζεται στο ??.

Το παράθυρο του επεξεργαστή στρώσεων εμφανίζει έναν πίνακα που περιγράφει τη δομή της συσκευής. Κάθε γραμμή αντιστοιχεί σε μια στρώση, με στήλες για ιδιότητες όπως το όνομα, το οπτικό υλικό, ο τύπος και το Πάχος, το οποίο καθορίζει το φυσικό πάχος της στρώσης. Σε αυτό το παράδειγμα, η στρώση P3HT:PCBM είναι η ενεργός στρώση — το τμήμα της συσκευής που απορροφά φωτόνια και παράγει φορείς φορτίου (ηλεκτρόνια και οπές).

2. Πάχος της ενεργού στρώσης και απόδοση των οργανικών φωτοβολταϊκών (OPV)

Ένα πάχος της ενεργού στρώσης περίπου 50 nm θεωρείται λεπτό για μια οργανική φωτοβολταϊκή συσκευή (OPV), ενώ τα 400 nm είναι σχετικά παχύ. Μια παχύτερη στρώση απορροφά περισσότερο φως, αλλά αυξάνει επίσης την απόσταση που πρέπει να διανύσουν τα φωτογεννηθέντα φορτία για να φτάσουν στις επαφές. Καθώς αυξάνεται η απόσταση που διανύουν, αυξάνεται επίσης η πιθανότητα ένα φωτογεννηθέν ηλεκτρόνιο να συναντήσει ένα φωτογεννηθέν οπή (ανασυνδυασμός). Αυτό μειώνει το ποσοστό των φορέων που μπορούν να εξαχθούν με επιτυχία. Ως εκ τούτου, η απόδοση της συσκευής δεν βελτιώνεται απεριόριστα με την αύξηση της απορρόφησης. Επομένως, υπάρχει πάντα μια ισορροπία μεταξύ της απορρόφησης όλου του φωτός κάνοντας τη συσκευή παχιά και του να μην γίνεται η συσκευή υπερβολικά παχιά, ώστε οι φορείς να έχουν καλές πιθανότητες να διαφύγουν από τη συσκευή. Αυτή η ισορροπία είναι μια κεντρική αρχή στον σχεδιασμό των OPV.

3. Πεδία επεξεργασίας επιπέδων

Ο επεξεργαστής επιπέδων έχει τις ακόλουθες στήλες:

• Όνομα στρώσης: Ένα απλό όνομα σε μορφή απλού κειμένου για τη στρώση. Μπορείτε να δώσετε στις στρώσεις οποιοδήποτε όνομα θέλετε (π.χ. ITO, PEDOT, Fred ή Bob). Το ίδιο το όνομα δεν έχει καμία φυσική σημασία.
• Πάχος: Το πάχος του στρώματος, το οποίο καθορίζεται σε μέτρα.
• Οπτικό υλικό: Καθορίζει το σύνολο δεδομένων n/k που χρησιμοποιείται για την περιγραφή των οπτικών ιδιοτήτων του υλικού. Αυτές οι τιμές προέρχονται από πειραματικά δεδομένα που είναι αποθηκευμένα στην οπτική βάση δεδομένων (??) και είναι ανεξάρτητες από τις ηλεκτρικές ιδιότητες, όπως το ενεργειακό χάσμα.
• Τύπος στρώματος: Καθορίζει τον τρόπο με τον οποίο ο προσομοιωτής χειρίζεται το στρώμα:
  • ενεργό: Μια ηλεκτρικά ενεργή στρώση, όπου ο επιλυτής εξισώσεων μεταφοράς-διάχυσης επιλύει τις ηλεκτρικές εξισώσεις (??). Μπορεί να υπάρχουν πολλές ενεργές στρώσεις, αλλά πρέπει να είναι συνεχείς.
  • επαφή: Ένα στρώμα που ορίζεται ως ηλεκτρόδιο στο οποίο εφαρμόζεται τάση. Δείτε το ?? για λεπτομέρειες.
  • άλλα: Οποιαδήποτε στρώση που δεν είναι ούτε στρώση επαφής ούτε ενεργή. Αυτές αντιμετωπίζονται ως παθητικές στρώσεις.

4. Ποιες στρώσεις του OPV θα πρέπει να είναι ενεργές;

Ένα συνηθισμένο λάθος κατά τον ορισμό της δομής μιας συσκευής είναι η υπόθεση ότι όλες οι στρώσεις πρέπει να ορίζονται ως ενεργές, απλώς και μόνο επειδή κάθε στρώση άγει ρεύμα. Στην πραγματικότητα, οι περισσότερες στρώσεις μεταφοράς ή επαφής άγουν μόνο ένα είδος φορέα (είτε ηλεκτρόνια είτε οπές) και λειτουργούν αποτελεσματικά σαν αντιστάσεις. Για παράδειγμα, σε ένα τυπικό ηλιακό κύτταρο P3HT:PCBM, η στρώση PEDOT:PSS άγει μόνο οπές, ενώ η επαφή Ca/Al άγει μόνο ηλεκτρόνια. Η επίλυση των πλήρων εξισώσεων μεταφοράς-διάχυσης (για και τους δύο τύπους φορέων) σε τέτοιες στρώσεις δεν έχει φυσική σημασία.

Ως εκ τούτου, τα ενεργά στρώματα θα πρέπει να περιορίζονται σε περιοχές όπου υπάρχουν και οι δύο φορείς φορτίου και όπου συμβαίνουν φωτογένεση, ανασυνδυασμός ή παγίδευση. Στις οργανικές φωτοβολταϊκές συσκευές (OPV), αυτό σημαίνει την ομοιοσκεδαστική σύνδεση (BHJ). Στις ηλιακές κυψέλες περοβσκίτη, αυτό σημαίνει το απορροφητικό στρώμα περοβσκίτη. Αυτά είναι τα στρώματα στα οποία πρέπει να επιλυθεί πλήρως η φυσική της συσκευής.

Υπάρχουν εξαιρέσεις. Για παράδειγμα, εάν επιθυμείτε να μελετήσετε την επίδραση των κακών ή των εμποδιστικών επαφών (που οδηγούν σε φαινόμενα όπως οι καμπύλες τάσης-ρεύματος σε σχήμα S) ή εάν πολλαπλές στρώσεις φιλοξενούν πραγματικά και τους δύο τύπους φορέων (π.χ. στις OLED), μπορείτε να ορίσετε επιπλέον στρώσεις ως ενεργές. Ωστόσο, ως γενικός κανόνας, διατηρήστε τον αριθμό των ενεργών στρώσεων στο ελάχιστο. Αυτό διατηρεί τις προσομοιώσεις απλές, αποτελεσματικές και την υποκείμενη φυσική πιο εύκολη στην ερμηνεία.