Simulazione delle morfologie delle eterogiunzioni multistrato mediante sezioni elettriche bidimensionali.Simulazione delle morfologie delle eterogiunzioni multistrato mediante sezioni elettriche bidimensionali.

1. Introduzione1. Introduzione

Le eterogiunzioni a struttura sfusa (BHJ) rappresentano la microstruttura di riferimento per molti dispositivi elettronici organici, in particolare per le celle solari organiche, ma anche per i fotodettori, i sensori e altri sistemi ioni-elettronici misti, nei quali sono importanti i percorsi di conduzione e i punti di strozzatura locali. In una BHJ, due fasi si interpenetrano su una scala di 10–100 nm, creando un’ampia interfaccia interna e un profilo di trasporto che, in linea di principio, non è monodimensionale. Il compromesso è la complessità: una volta definita la microstruttura, si riscontrano inevitabilmente limiti di percolazione, punti morti, strozzature e una forte variazione spaziale nella densità dei portatori e nella ricombinazione. Per la maggior parte delle applicazioni pratiche di ottimizzazione dei dispositivi, non si partirebbe da questo approccio. In genere, si lavorerebbe a livello di dispositivo 1D, un approccio rapido, affidabile e spesso del tutto appropriato, eventualmente includendo ulteriori aspetti fisici come l’intrappolamento e la ricombinazione. Ad esempio, il tutorial introduttivo sulle celle solari organiche illustra un flusso di lavoro standard 1D (che include la fisica delle trappole, se necessario), che rappresenta lo strumento giusto per la maggior parte degli studi di routine e dell’estrazione dei parametri.Le eterogiunzioni a struttura sfusa (BHJ) rappresentano la microstruttura di riferimento per molti dispositivi elettronici organici, in particolare per le celle solari organiche, ma anche per i fotodettori, i sensori e altri sistemi ioni-elettronici misti, nei quali sono importanti i percorsi di conduzione e i punti di strozzatura locali. In una BHJ, due fasi si interpenetrano su una scala di 10–100 nm, creando un’ampia interfaccia interna e un profilo di trasporto che, in linea di principio, non è monodimensionale. Il compromesso è la complessità: una volta definita la microstruttura, si riscontrano inevitabilmente limiti di percolazione, punti morti, strozzature e una forte variazione spaziale nella densità dei portatori e nella ricombinazione. Per la maggior parte delle applicazioni pratiche di ottimizzazione dei dispositivi, non si partirebbe da questo approccio. In genere, si lavorerebbe a livello di dispositivo 1D, un approccio rapido, affidabile e spesso del tutto appropriato, eventualmente includendo ulteriori aspetti fisici come l’intrappolamento e la ricombinazione. Ad esempio, il tutorial introduttivo sulle celle solari organiche illustra un flusso di lavoro standard 1D (che include la fisica delle trappole, se necessario), che rappresenta lo strumento giusto per la maggior parte degli studi di routine e dell’estrazione dei parametri.

All’estremo opposto della scala di astrazione, se l’obiettivo è affrontare questioni a livello di sistema, come la scalabilità, le perdite in serie/parallelo o il comportamento dei moduli/pannelli, in genere si passa a una descrizione che tenga conto di un’area estesa o del circuito, piuttosto che analizzare la morfologia a livello nanoscopico. Il tutorial large-area PM6:Y6 è un esempio di questo approccio di modellazione a un livello superiore.All’estremo opposto della scala di astrazione, se l’obiettivo è affrontare questioni a livello di sistema, come la scalabilità, le perdite in serie/parallelo o il comportamento dei moduli/pannelli, in genere si passa a una descrizione che tenga conto di un’area estesa o del circuito, piuttosto che analizzare la morfologia a livello nanoscopico. Il tutorial large-area PM6:Y6 è un esempio di questo approccio di modellazione a un livello superiore.

Questo tutorial adotta deliberatamente un approccio opposto: mantiene la microstruttura (tramite una morfologia BHJ ben definita), ma rimane pratico dal punto di vista computazionale risolvendo il problema elettrico su sezioni bidimensionali. L’obiettivo non è che ogni dispositivo debba essere progettato in questo modo, ma che disporre di un flusso di lavoro in grado di analizzare la microstruttura sia prezioso dal punto di vista scientifico e tecnologico. Ciò consente di sottoporre a stress test le ipotesi relative al modello del mezzo efficace, di individuare i punti in cui i modelli «semplici» perdono validità e di sviluppare una comprensione più approfondita dei limiti alla performance derivanti dalla morfologia, in particolare quando la percolazione e il fenomeno di intrappolamento/ricombinazione localizzato nello spazio giocano un ruolo predominante.Questo tutorial adotta deliberatamente un approccio opposto: mantiene la microstruttura (tramite una morfologia BHJ ben definita), ma rimane pratico dal punto di vista computazionale risolvendo il problema elettrico su sezioni bidimensionali. L’obiettivo non è che ogni dispositivo debba essere progettato in questo modo, ma che disporre di un flusso di lavoro in grado di analizzare la microstruttura sia prezioso dal punto di vista scientifico e tecnologico. Ciò consente di sottoporre a stress test le ipotesi relative al modello del mezzo efficace, di individuare i punti in cui i modelli «semplici» perdono validità e di sviluppare una comprensione più approfondita dei limiti alla performance derivanti dalla morfologia, in particolare quando la percolazione e il fenomeno di intrappolamento/ricombinazione localizzato nello spazio giocano un ruolo predominante.

2. Creare una simulazione morfologica ed esaminare lo strato attivo BHJ.2. Creare una simulazione morfologica ed esaminare lo strato attivo BHJ.

Dalla finestra principale, fare clic su «Nuova simulazione». Si aprirà la libreria dei tipi di dispositivo mostrata in ??. Fare doppio clic su «Morfologia», quindi salvare il progetto in una cartella sul disco locale. Salvare il progetto localmente è importante perché le simulazioni che tengono conto della morfologia possono generare numerosi file intermedi (modelli, istantanee, file di cache), e l’archiviazione locale è in genere molto più veloce e affidabile rispetto alle cartelle sincronizzate tramite rete o cloud.Dalla finestra principale, fare clic su «Nuova simulazione». Si aprirà la libreria dei tipi di dispositivo mostrata in ??. Fare doppio clic su «Morfologia», quindi salvare il progetto in una cartella sul disco locale. Salvare il progetto localmente è importante perché le simulazioni che tengono conto della morfologia possono generare numerosi file intermedi (modelli, istantanee, file di cache), e l’archiviazione locale è in genere molto più veloce e affidabile rispetto alle cartelle sincronizzate tramite rete o cloud.

Dopo aver creato il progetto, si apre la finestra principale del dispositivo. Dovrebbe essere visibile un oggetto rosso centrale che rappresenta una delle fasi della giunzione eterostrutturale a massa (BHJ), incorporata all’interno della regione dello strato attivo circostante, come mostrato in ??. Sebbene la visualizzazione 3D completa fornisca informazioni utili, la morfologia può risultare visivamente complessa. Per rendere più chiara la struttura interna, fare clic con il pulsante destro del mouse sull’oggetto BHJ e selezionare Visualizza → Mostra sezione lungo l’asse Y.Dopo aver creato il progetto, si apre la finestra principale del dispositivo. Dovrebbe essere visibile un oggetto rosso centrale che rappresenta una delle fasi della giunzione eterostrutturale a massa (BHJ), incorporata all’interno della regione dello strato attivo circostante, come mostrato in ??. Sebbene la visualizzazione 3D completa fornisca informazioni utili, la morfologia può risultare visivamente complessa. Per rendere più chiara la struttura interna, fare clic con il pulsante destro del mouse sull’oggetto BHJ e selezionare Visualizza → Mostra sezione lungo l’asse Y.

Attivando la funzione di visualizzazione a taglio, si ottiene l’immagine mostrata in ??, che rivela una sezione bidimensionale della struttura tridimensionale. In questo modo, è molto più facile visualizzare la connettività delle fasi, le interfacce e i percorsi di percolazione all’interno del BHJ.Attivando la funzione di visualizzazione a taglio, si ottiene l’immagine mostrata in ??, che rivela una sezione bidimensionale della struttura tridimensionale. In questo modo, è molto più facile visualizzare la connettività delle fasi, le interfacce e i percorsi di percolazione all’interno del BHJ.

In questa fase, un modello concettuale utile è il seguente: la regione rettangolare che racchiude l’area definisce il volume dello strato attivo, mentre l’oggetto rosso incorporato definisce una specifica fase BHJ (ad esempio, il polimero). La fase complementare è definita implicitamente come la parte restante del volume dello strato attivo non occupata dall’oggetto incorporato. Questa distinzione diventa esplicita quando si esaminano le proprietà dell’oggetto nell’editor dedicato, come descritto nelle sezioni successive.In questa fase, un modello concettuale utile è il seguente: la regione rettangolare che racchiude l’area definisce il volume dello strato attivo, mentre l’oggetto rosso incorporato definisce una specifica fase BHJ (ad esempio, il polimero). La fase complementare è definita implicitamente come la parte restante del volume dello strato attivo non occupata dall’oggetto incorporato. Questa distinzione diventa esplicita quando si esaminano le proprietà dell’oggetto nell’editor dedicato, come descritto nelle sezioni successive.

3. Struttura del dispositivo: strato attivo e morfologia BHJ integrata.3. Struttura del dispositivo: strato attivo e morfologia BHJ integrata.

Aprire la scheda «Struttura dispositivo» e fare clic su «Editor livelli». Il dispositivo è costituito da tre livelli: un contatto superiore, un singolo livello attivo e un contatto inferiore (Figura ??). Questa struttura volutamente semplice facilita la comprensione di come la morfologia influenzi il problema elettrico, senza introdurre ulteriori interfacce o livelli di trasporto. L’aspetto fondamentale è che il livello attivo stesso è un semplice volume rettangolare definito nell’editor dei livelli. In questo esempio, gli viene assegnato il materiale molecolare Y6, un accettore, e, preso singolarmente, è semplicemente un blocco. Tutta la complessità strutturale associata alla giunzione eterostrutturale è introdotta separatamente, incorporando un secondo oggetto all’interno di questo volume del livello attivo. Tale oggetto incorporato è una complessa mesh CAD importata dal database Shape e rappresenta la fase polimerica PM6. La mesh polimerica definisce un volume tridimensionale chiuso all’interno del livello attivo. La fase complementare (la regione ricca di accettori) viene quindi definita implicitamente come la parte del livello attivo non occupata dalla mesh polimerica. In altre parole, la giunzione eterostrutturale è rappresentata dall’esclusione di volume piuttosto che dalla definizione esplicita di due mesh interconnesse.Aprire la scheda «Struttura dispositivo» e fare clic su «Editor livelli». Il dispositivo è costituito da tre livelli: un contatto superiore, un singolo livello attivo e un contatto inferiore (Figura ??). Questa struttura volutamente semplice facilita la comprensione di come la morfologia influenzi il problema elettrico, senza introdurre ulteriori interfacce o livelli di trasporto. L’aspetto fondamentale è che il livello attivo stesso è un semplice volume rettangolare definito nell’editor dei livelli. In questo esempio, gli viene assegnato il materiale molecolare Y6, un accettore, e, preso singolarmente, è semplicemente un blocco. Tutta la complessità strutturale associata alla giunzione eterostrutturale è introdotta separatamente, incorporando un secondo oggetto all’interno di questo volume del livello attivo. Tale oggetto incorporato è una complessa mesh CAD importata dal database Shape e rappresenta la fase polimerica PM6. La mesh polimerica definisce un volume tridimensionale chiuso all’interno del livello attivo. La fase complementare (la regione ricca di accettori) viene quindi definita implicitamente come la parte del livello attivo non occupata dalla mesh polimerica. In altre parole, la giunzione eterostrutturale è rappresentata dall’esclusione di volume piuttosto che dalla definizione esplicita di due mesh interconnesse.

Questa distinzione diventa evidente quando si esaminano gli oggetti nella visualizzazione 3D. Sono presenti due oggetti rilevanti: il riquadro che delimita lo strato attivo (solitamente visualizzato come una struttura a linee blu) e la morfologia del polimero incorporato (visualizzata in rosso). Per esaminarne le proprietà, fare clic con il pulsante destro del mouse sulla regione blu di delimitazione e selezionare «Modifica oggetto», come mostrato in ??.Questa distinzione diventa evidente quando si esaminano gli oggetti nella visualizzazione 3D. Sono presenti due oggetti rilevanti: il riquadro che delimita lo strato attivo (solitamente visualizzato come una struttura a linee blu) e la morfologia del polimero incorporato (visualizzata in rosso). Per esaminarne le proprietà, fare clic con il pulsante destro del mouse sulla regione blu di delimitazione e selezionare «Modifica oggetto», come mostrato in ??.

Nell’editor degli oggetti, la distinzione è esplicita. Per l’oggetto attivo principale, la forma dell’oggetto è una semplice scatola (con le mesh complesse disabilitate). Per l’oggetto polimerico, la forma dell’oggetto fa riferimento a una voce nel database delle forme, che rappresenta la mesh triangolata che definisce la morfologia del PM6. Modificando questo riferimento, si cambia la morfologia del polimero, lasciando inalterato lo strato attivo circostante.Nell’editor degli oggetti, la distinzione è esplicita. Per l’oggetto attivo principale, la forma dell’oggetto è una semplice scatola (con le mesh complesse disabilitate). Per l’oggetto polimerico, la forma dell’oggetto fa riferimento a una voce nel database delle forme, che rappresenta la mesh triangolata che definisce la morfologia del PM6. Modificando questo riferimento, si cambia la morfologia del polimero, lasciando inalterato lo strato attivo circostante.

Questa struttura – un semplice strato attivo a forma di scatola, integrato in un volume polimerico – è fondamentale per il modo in cui le morfologie BHJ vengono gestite in OghmaNano. Essa semplifica l’analisi della geometria, garantisce che la fase polimerica formi una regione chiusa ben definita e consente di studiare come la percolazione, la connettività e le restrizioni nella rete polimerica influenzino il trasporto di carica una volta eseguito il calcolo elettrico.Questa struttura – un semplice strato attivo a forma di scatola, integrato in un volume polimerico – è fondamentale per il modo in cui le morfologie BHJ vengono gestite in OghmaNano. Essa semplifica l’analisi della geometria, garantisce che la fase polimerica formi una regione chiusa ben definita e consente di studiare come la percolazione, la connettività e le restrizioni nella rete polimerica influenzino il trasporto di carica una volta eseguito il calcolo elettrico.

4. Parametri elettrici: mobilità e bande di trappola SRH.4. Parametri elettrici: mobilità e bande di trappola SRH.

Dalla finestra principale, apri l’editor dei parametri elettrici. Sono disponibili pannelli di parametri separati per le due fasi dello strato attivo: la regione attiva esterna (accettore/matrice) e la morfologia polimerica incorporata, come mostrato in ?? e ??. In questo punto, le due fasi che si intersecano vengono rese elettricamente distinte.Dalla finestra principale, apri l’editor dei parametri elettrici. Sono disponibili pannelli di parametri separati per le due fasi dello strato attivo: la regione attiva esterna (accettore/matrice) e la morfologia polimerica incorporata, come mostrato in ?? e ??. In questo punto, le due fasi che si intersecano vengono rese elettricamente distinte.

Entrambe le fasi utilizzano lo stesso formalismo di base per il trasporto: un modello di deriva-diffusione con statistiche di Maxwell-Boltzmann per i portatori di carica e tensori di mobilità simmetrici. La differenza principale risiede nel contrasto di mobilità intenzionale. Nella fase polimerica, la mobilità delle lacune è elevata, mentre la mobilità degli elettroni è ridotta; nella fase attiva complementare, la situazione è invertita. Ciò favorisce un trasporto selettivo: le lacune si diffondono attraverso la rete polimerica, mentre gli elettroni si diffondono attraverso la matrice.Entrambe le fasi utilizzano lo stesso formalismo di base per il trasporto: un modello di deriva-diffusione con statistiche di Maxwell-Boltzmann per i portatori di carica e tensori di mobilità simmetrici. La differenza principale risiede nel contrasto di mobilità intenzionale. Nella fase polimerica, la mobilità delle lacune è elevata, mentre la mobilità degli elettroni è ridotta; nella fase attiva complementare, la situazione è invertita. Ciò favorisce un trasporto selettivo: le lacune si diffondono attraverso la rete polimerica, mentre gli elettroni si diffondono attraverso la matrice.

Questa semplice asimmetria è sufficiente per generare un comportamento fisicamente significativo del BHJ. Anche prima di eseguire la simulazione, essa definisce ciò che ci si dovrebbe aspettare di osservare nei risultati spaziali: percorsi di percolazione continui, punti di stallo in cui i portatori di carica rimangono intrappolati geometricamente e accumulo di carica localizzato in corrispondenza di restringimenti o regioni poco connesse della morfologia. Oltre al trasporto dei portatori di carica liberi, viene attivato il processo di intrappolamento non all’equilibrio di Shockley–Read–Hall (SRH) in entrambe le fasi. Come mostrato nei pannelli dei parametri, la densità degli stati è rappresentata mediante distribuzioni esponenziali per entrambe le fasi, sia per gli elettroni che per le lacune, con densità di intrappolamento e pendenze energetiche identiche in ciascuna fase. Il risolutore tiene traccia di cinque bande di intrappolamento discrete in ogni punto della griglia.Questa semplice asimmetria è sufficiente per generare un comportamento fisicamente significativo del BHJ. Anche prima di eseguire la simulazione, essa definisce ciò che ci si dovrebbe aspettare di osservare nei risultati spaziali: percorsi di percolazione continui, punti di stallo in cui i portatori di carica rimangono intrappolati geometricamente e accumulo di carica localizzato in corrispondenza di restringimenti o regioni poco connesse della morfologia. Oltre al trasporto dei portatori di carica liberi, viene attivato il processo di intrappolamento non all’equilibrio di Shockley–Read–Hall (SRH) in entrambe le fasi. Come mostrato nei pannelli dei parametri, la densità degli stati è rappresentata mediante distribuzioni esponenziali per entrambe le fasi, sia per gli elettroni che per le lacune, con densità di intrappolamento e pendenze energetiche identiche in ciascuna fase. Il risolutore tiene traccia di cinque bande di intrappolamento discrete in ogni punto della griglia.

Ogni banda di trappole scambia dinamicamente i portatori di carica con le popolazioni libere attraverso termini espliciti di cattura ed emissione (le costanti di accoppiamento tra portatori liberi e portatori intrappolati sono visibili nell’editor). Di conseguenza, il sistema che viene risolto include non solo le densità di elettroni e lacune libere, ma anche diverse popolazioni di portatori intrappolati in ogni punto dello spazio. Ciò aumenta notevolmente la rigidità numerica e il costo computazionale, ma è essenziale per descrivere il trasporto dispersivo, la ricombinazione assistita dalle trappole e il comportamento transitorio realistico nei semiconduttori organici disordinati. I valori numerici utilizzati qui sono intesi come un esempio stabile e illustrativo, piuttosto che come un modello di materiale calibrato. Una volta compreso il flusso di lavoro, questi parametri possono essere perfezionati, convalidati tramite esperimenti o semplificati, qualora l’obiettivo sia isolare gli effetti morfologici e di percolazione piuttosto che la fisica delle trappole.Ogni banda di trappole scambia dinamicamente i portatori di carica con le popolazioni libere attraverso termini espliciti di cattura ed emissione (le costanti di accoppiamento tra portatori liberi e portatori intrappolati sono visibili nell’editor). Di conseguenza, il sistema che viene risolto include non solo le densità di elettroni e lacune libere, ma anche diverse popolazioni di portatori intrappolati in ogni punto dello spazio. Ciò aumenta notevolmente la rigidità numerica e il costo computazionale, ma è essenziale per descrivere il trasporto dispersivo, la ricombinazione assistita dalle trappole e il comportamento transitorio realistico nei semiconduttori organici disordinati. I valori numerici utilizzati qui sono intesi come un esempio stabile e illustrativo, piuttosto che come un modello di materiale calibrato. Una volta compreso il flusso di lavoro, questi parametri possono essere perfezionati, convalidati tramite esperimenti o semplificati, qualora l’obiettivo sia isolare gli effetti morfologici e di percolazione piuttosto che la fisica delle trappole.

5. Creazione della maglia.5. Creazione della maglia.

Prima di avviare la simulazione, è consigliabile controllare la griglia elettrica per assicurarsi che sia impostata correttamente. Nella finestra principale, aprire la scheda «Elettrica» (Figura ??) e fare clic su «Griglia elettrica». Si aprirà così l’editor della griglia mostrato in ??.Prima di avviare la simulazione, è consigliabile controllare la griglia elettrica per assicurarsi che sia impostata correttamente. Nella finestra principale, aprire la scheda «Elettrica» (Figura ??) e fare clic su «Griglia elettrica». Si aprirà così l’editor della griglia mostrato in ??.

In questo esempio, la griglia è di 40 × 40 nel piano xy, il che significa che il problema elettrico viene risolto in due dimensioni. La direzione z viene intenzionalmente omessa. In OghmaNano è possibile eseguire simulazioni elettriche completamente tridimensionali, ma queste richiedono una morfologia realmente tridimensionale e comportano un notevole aumento dei costi e della complessità computazionale. La creazione e l’interpretazione di tali modelli esulano dall’ambito di questo tutorial.In questo esempio, la griglia è di 40 × 40 nel piano xy, il che significa che il problema elettrico viene risolto in due dimensioni. La direzione z viene intenzionalmente omessa. In OghmaNano è possibile eseguire simulazioni elettriche completamente tridimensionali, ma queste richiedono una morfologia realmente tridimensionale e comportano un notevole aumento dei costi e della complessità computazionale. La creazione e l’interpretazione di tali modelli esulano dall’ambito di questo tutorial.

Piuttosto, questo calcolo dovrebbe essere considerato come una sezione bidimensionale che attraversa il dispositivo. La sezione è posizionata al centro della struttura e conserva l’intera microstruttura BHJ laterale all’interno di tale piano. Questo approccio permette di analizzare la percolazione, i punti di strozzatura e la connettività delle fasi, mantenendo al contempo una buona velocità di elaborazione, una facile interpretazione e una buona adattabilità per l’esplorazione a livello didattico.Piuttosto, questo calcolo dovrebbe essere considerato come una sezione bidimensionale che attraversa il dispositivo. La sezione è posizionata al centro della struttura e conserva l’intera microstruttura BHJ laterale all’interno di tale piano. Questo approccio permette di analizzare la percolazione, i punti di strozzatura e la connettività delle fasi, mantenendo al contempo una buona velocità di elaborazione, una facile interpretazione e una buona adattabilità per l’esplorazione a livello didattico.

6. Esecuzione della simulazione6. Esecuzione della simulazione

Fare clic sul pulsante blu «Avvia simulazione» nella finestra principale per avviare il calcolatore. Durante l’esecuzione, la finestra di output visualizza il punto di polarizzazione e la densità di corrente a ogni passo (??). In questo esempio, la polarizzazione applicata al contatto superiore viene incrementata da 0,00 V a circa 0,54 V per generare una curva caratteristica corrente-tensione (JV). A basse polarizzazioni, la densità di corrente rilevata è negativa in condizioni di illuminazione e, man mano che la polarizzazione si avvicina al regime di circuito aperto, la corrente netta attraversa lo zero e cambia segno, in linea con il comportamento di una cella solare.Fare clic sul pulsante blu «Avvia simulazione» nella finestra principale per avviare il calcolatore. Durante l’esecuzione, la finestra di output visualizza il punto di polarizzazione e la densità di corrente a ogni passo (??). In questo esempio, la polarizzazione applicata al contatto superiore viene incrementata da 0,00 V a circa 0,54 V per generare una curva caratteristica corrente-tensione (JV). A basse polarizzazioni, la densità di corrente rilevata è negativa in condizioni di illuminazione e, man mano che la polarizzazione si avvicina al regime di circuito aperto, la corrente netta attraversa lo zero e cambia segno, in linea con il comportamento di una cella solare.

Al termine dell’esecuzione, aprire la scheda «Output» (??) per esaminare i file generati. Il riepilogo visualizzato nel terminale indica la durata totale dell’esecuzione, il numero di equazioni risolte e le statistiche di base relative alle operazioni di lettura/scrittura su disco. Nelle simulazioni che tengono conto della morfologia, è consigliabile monitorare l’output dei file: la scrittura di un gran numero di immagini può influire notevolmente sulla durata dell’esecuzione, anche quando il risolutore stesso è veloce.Al termine dell’esecuzione, aprire la scheda «Output» (??) per esaminare i file generati. Il riepilogo visualizzato nel terminale indica la durata totale dell’esecuzione, il numero di equazioni risolte e le statistiche di base relative alle operazioni di lettura/scrittura su disco. Nelle simulazioni che tengono conto della morfologia, è consigliabile monitorare l’output dei file: la scrittura di un gran numero di immagini può influire notevolmente sulla durata dell’esecuzione, anche quando il risolutore stesso è veloce.

Per verificare la correttezza della geometria, fare doppio clic su device.csv per visualizzare la rappresentazione triangolata del dispositivo utilizzata internamente dal risolutore (??). In questo modo si conferma che la morfologia BHJ è stata importata e discretizzata come previsto.Per verificare la correttezza della geometria, fare doppio clic su device.csv per visualizzare la rappresentazione triangolata del dispositivo utilizzata internamente dal risolutore (??). In questo modo si conferma che la morfologia BHJ è stata importata e discretizzata come previsto.

Per visualizzare le prestazioni elettriche, aprire jv_contact_0.csv o jv_contact_1.csv per visualizzare il grafico della curva JV (??). Per questa simulazione bidimensionale, è necessario utilizzare i dati relativi alla curva JV per ciascun contatto; jv.csv può essere ignorato.Per visualizzare le prestazioni elettriche, aprire jv_contact_0.csv o jv_contact_1.csv per visualizzare il grafico della curva JV (??). Per questa simulazione bidimensionale, è necessario utilizzare i dati relativi alla curva JV per ciascun contatto; jv.csv può essere ignorato.

7.0 Analisi delle immagini generate dalla simulazione7.0 Analisi delle immagini generate dalla simulazione

Al termine della simulazione, i risultati più utili si trovano nella directory snapshots/. I file di istantanea salvano le variabili di stato interne del sistema di deriva-diffusione-SRH, espresse in funzione della polarizzazione applicata. Questi file mostrano la soluzione spazialmente risolta delle equazioni di trasporto ad ogni passo di tensione, anziché fornire riepiloghi elaborati successivamente. Quando si apre un file di istantanea, diventano disponibili due controlli: una barra di scorrimento per la polarizzazione, che permette di avanzare attraverso la sequenza di valori di tensione, e una barra di scorrimento per la posizione del taglio, che consente di selezionare la sezione 2D della morfologia. In questo tutorial, il problema elettrico viene risolto su una sezione 2D e tutti i dati delle istantanee si riferiscono a tale sezione.Al termine della simulazione, i risultati più utili si trovano nella directory snapshots/. I file di istantanea salvano le variabili di stato interne del sistema di deriva-diffusione-SRH, espresse in funzione della polarizzazione applicata. Questi file mostrano la soluzione spazialmente risolta delle equazioni di trasporto ad ogni passo di tensione, anziché fornire riepiloghi elaborati successivamente. Quando si apre un file di istantanea, diventano disponibili due controlli: una barra di scorrimento per la polarizzazione, che permette di avanzare attraverso la sequenza di valori di tensione, e una barra di scorrimento per la posizione del taglio, che consente di selezionare la sezione 2D della morfologia. In questo tutorial, il problema elettrico viene risolto su una sezione 2D e tutti i dati delle istantanee si riferiscono a tale sezione.

Le figure ??–?? mostrano esempi rappresentativi di immagini bidimensionali ottenute a una tensione di polarizzazione fissa. Questi dati devono essere interpretati nel loro insieme. La struttura della banda di conduzione (LUMO), Ec.csv (??), definisce l’ambiente energetico per gli elettroni. In una simulazione che analizza la morfologia, questa struttura varia lateralmente a causa sia delle variazioni energetiche in funzione della fase sia della risposta elettrostatica all’accumulo di carica locale. La densità di elettroni liberi, Q_nfree.csv (??), evidenzia le regioni in cui gli elettroni possono muoversi in modo efficiente attraverso la rete accettore/matrice. Forti variazioni spaziali indicano percorsi di percolazione, restringimenti e colli di bottiglia indotti dalla morfologia.Le figure ??–?? mostrano esempi rappresentativi di immagini bidimensionali ottenute a una tensione di polarizzazione fissa. Questi dati devono essere interpretati nel loro insieme. La struttura della banda di conduzione (LUMO), Ec.csv (??), definisce l’ambiente energetico per gli elettroni. In una simulazione che analizza la morfologia, questa struttura varia lateralmente a causa sia delle variazioni energetiche in funzione della fase sia della risposta elettrostatica all’accumulo di carica locale. La densità di elettroni liberi, Q_nfree.csv (??), evidenzia le regioni in cui gli elettroni possono muoversi in modo efficiente attraverso la rete accettore/matrice. Forti variazioni spaziali indicano percorsi di percolazione, restringimenti e colli di bottiglia indotti dalla morfologia.

La densità degli elettroni intrappolati, Q_ntrap.csv (??), indica dove si accumulano le cariche negli stati di intrappolamento. Confrontare le densità di cariche libere e intrappolate è spesso il metodo più rapido per identificare le aree in cui l’estrazione è scarsa o in cui si verifica un forte intrappolamento localizzato, legato alla morfologia del BHJ. I dati relativi alla mobilità, mu_p_ft.csv (??), mostrano una mobilità efficace, calcolata come media delle cariche libere e intrappolate. Le variazioni spaziali riflettono sia il contrasto di fase intrinseco sia l’intrappolamento localizzato e spesso presentano una forte correlazione con la connettività della rete sottostante.La densità degli elettroni intrappolati, Q_ntrap.csv (??), indica dove si accumulano le cariche negli stati di intrappolamento. Confrontare le densità di cariche libere e intrappolate è spesso il metodo più rapido per identificare le aree in cui l’estrazione è scarsa o in cui si verifica un forte intrappolamento localizzato, legato alla morfologia del BHJ. I dati relativi alla mobilità, mu_p_ft.csv (??), mostrano una mobilità efficace, calcolata come media delle cariche libere e intrappolate. Le variazioni spaziali riflettono sia il contrasto di fase intrinseco sia l’intrappolamento localizzato e spesso presentano una forte correlazione con la connettività della rete sottostante.

Sebbene le rappresentazioni bidimensionali siano spesso il modo più chiaro per analizzare le variazioni spaziali, a volte è più facile interpretare gli stessi dati nello spazio reale. Attivando la modalità 3D nella finestra dell’immagine, la sezione bidimensionale viene riproiettata sulla geometria del dispositivo. Le figure ??–?? mostrano esempi di questa proiezione. I valori medi della mobilità degli elettroni e delle lacune (mu_n_ft.csv, mu_p_ft.csv), il livello quasi-Fermi degli elettroni liberi (Fn.csv) e la densità di corrente degli elettroni nella direzione del trasporto (Jn.csv) sono particolarmente utili per visualizzare i percorsi di percolazione e il flusso di corrente attraverso l’eterogiunzione organica.Sebbene le rappresentazioni bidimensionali siano spesso il modo più chiaro per analizzare le variazioni spaziali, a volte è più facile interpretare gli stessi dati nello spazio reale. Attivando la modalità 3D nella finestra dell’immagine, la sezione bidimensionale viene riproiettata sulla geometria del dispositivo. Le figure ??–?? mostrano esempi di questa proiezione. I valori medi della mobilità degli elettroni e delle lacune (mu_n_ft.csv, mu_p_ft.csv), il livello quasi-Fermi degli elettroni liberi (Fn.csv) e la densità di corrente degli elettroni nella direzione del trasporto (Jn.csv) sono particolarmente utili per visualizzare i percorsi di percolazione e il flusso di corrente attraverso l’eterogiunzione organica.

Questi risultati parziali forniscono il principale valore scientifico delle simulazioni che permettono di analizzare la morfologia: consentono di collegare direttamente le proprietà osservabili a livello del dispositivo con le caratteristiche energetiche, i meccanismi di intrappolamento e la connettività all’interno dell’eterogiunzione.Questi risultati parziali forniscono il principale valore scientifico delle simulazioni che permettono di analizzare la morfologia: consentono di collegare direttamente le proprietà osservabili a livello del dispositivo con le caratteristiche energetiche, i meccanismi di intrappolamento e la connettività all’interno dell’eterogiunzione.

8. Esercizi da provare8. Esercizi da provare

Il modo più rapido per sviluppare l’intuito è modificare il modello e osservare quali cambiamenti si verificano. Le attività elencate di seguito sono pensate per essere svolte in tempi brevi: modificare la griglia morfologica, rieseguire la simulazione e confrontare la curva corrente-tensione (e, se avete tempo, confrontare anche un paio di immagini acquisite con la stessa polarizzazione).Il modo più rapido per sviluppare l’intuito è modificare il modello e osservare quali cambiamenti si verificano. Le attività elencate di seguito sono pensate per essere svolte in tempi brevi: modificare la griglia morfologica, rieseguire la simulazione e confrontare la curva corrente-tensione (e, se avete tempo, confrontare anche un paio di immagini acquisite con la stessa polarizzazione).

Attività 1: sostituire la griglia morfologica.Attività 1: sostituire la griglia morfologica.

Nella schermata principale del dispositivo, fare clic con il pulsante destro del mouse sull’oggetto BHJ rosso (la rete polimerica incorporata) e selezionare l’opzione «Editor di rete». Nell’editor, l’opzione corrente dovrebbe essere «Forma dal database». Modificare la forma selezionata in «morfologia/1», «morfologia/2» e «morfologia/3» (figure ??, ??, ??). Riavviare la simulazione dopo ogni modifica e confrontare la curva JV.Nella schermata principale del dispositivo, fare clic con il pulsante destro del mouse sull’oggetto BHJ rosso (la rete polimerica incorporata) e selezionare l’opzione «Editor di rete». Nell’editor, l’opzione corrente dovrebbe essere «Forma dal database». Modificare la forma selezionata in «morfologia/1», «morfologia/2» e «morfologia/3» (figure ??, ??, ??). Riavviare la simulazione dopo ogni modifica e confrontare la curva JV.

Ciò che si vuole capire è come la connettività e i punti di strozzatura influenzano l’estrazione e la ricombinazione: alcune morfologie generano percorsi di percolazione più efficienti (corrente più elevata), mentre altre costringono i portatori di carica a passare attraverso strette strozzature e punti morti (maggiore accumulo, maggiore intrappolamento e, in genere, prestazioni inferiori in termini di corrente-tensione).Ciò che si vuole capire è come la connettività e i punti di strozzatura influenzano l’estrazione e la ricombinazione: alcune morfologie generano percorsi di percolazione più efficienti (corrente più elevata), mentre altre costringono i portatori di carica a passare attraverso strette strozzature e punti morti (maggiore accumulo, maggiore intrappolamento e, in genere, prestazioni inferiori in termini di corrente-tensione).

Come parte di un esperimento volutamente «errato ma istruttivo», nel database troverete anche una forma denominata «teiera». Sostituite la griglia BHJ con la forma «teiera», eseguite nuovamente la simulazione e generate una curva JV per un dispositivo dotato di un elemento a forma di teiera. Non si tratta di una configurazione BHJ fisicamente realistica, ma dimostra che il flusso di lavoro è effettivamente guidato dalla geometria: qualsiasi griglia CAD chiusa può essere inserita e analizzata dal punto di vista elettrico.Come parte di un esperimento volutamente «errato ma istruttivo», nel database troverete anche una forma denominata «teiera». Sostituite la griglia BHJ con la forma «teiera», eseguite nuovamente la simulazione e generate una curva JV per un dispositivo dotato di un elemento a forma di teiera. Non si tratta di una configurazione BHJ fisicamente realistica, ma dimostra che il flusso di lavoro è effettivamente guidato dalla geometria: qualsiasi griglia CAD chiusa può essere inserita e analizzata dal punto di vista elettrico.

Attività 2: modificare l’intensità dei centri di intrappolamento (bande di intrappolamento SRH).Attività 2: modificare l’intensità dei centri di intrappolamento (bande di intrappolamento SRH).

Nella sezione «Parametri elettrici», modificate le impostazioni relative alle trappole SRH in condizioni di non equilibrio e ripetete la simulazione. Provate a modificare un parametro alla volta:Nella sezione «Parametri elettrici», modificate le impostazioni relative alle trappole SRH in condizioni di non equilibrio e ripetete la simulazione. Provate a modificare un parametro alla volta:

• Aumentare o diminuire la densità delle trappole di uno o due ordini di grandezza e confrontare Q_nfree con Q_ntrap.Aumentare o diminuire la densità delle trappole di uno o due ordini di grandezza e confrontare Q_nfree con Q_ntrap.

L’obiettivo di questo esercizio è capire come il trasporto, influenzato dalla dispersione e dalla capacità di intrappolare le cariche, interagisca con la morfologia: l’intrappolamento tende ad accentuare le caratteristiche negative (punti morti, restringimenti) perché le cariche non possono disperdersi rapidamente.L’obiettivo di questo esercizio è capire come il trasporto, influenzato dalla dispersione e dalla capacità di intrappolare le cariche, interagisca con la morfologia: l’intrappolamento tende ad accentuare le caratteristiche negative (punti morti, restringimenti) perché le cariche non possono disperdersi rapidamente.

Attività 3: modificare i valori delle costanti di velocità di ricombinazione.Attività 3: modificare i valori delle costanti di velocità di ricombinazione.

Ancora nelle impostazioni dei parametri elettrici, modificate i valori relativi alla ricombinazione e ripetete la simulazione. Si tratta di due semplici modifiche:Ancora nelle impostazioni dei parametri elettrici, modificate i valori relativi alla ricombinazione e ripetete la simulazione. Si tratta di due semplici modifiche:

• Modificare la costante di velocità della ricombinazione tra portatori liberi (n_free a p_free), aumentandola o diminuendola di uno o due ordini di grandezza. Osservare come la curva corrente-tensione (JV) e la distribuzione spaziale delle cariche reagiscono a questa modifica.Modificare la costante di velocità della ricombinazione tra portatori liberi (n_free a p_free), aumentandola o diminuendola di uno o due ordini di grandezza. Osservare come la curva corrente-tensione (JV) e la distribuzione spaziale delle cariche reagiscono a questa modifica.
• Se il vostro progetto prevede l’utilizzo di parametri di acquisizione/accoppiamento SRH (costanti di accoppiamento libero/trappola), aumentateli o diminuite insieme e confrontate l’equilibrio tra Q_nfree e Q_ntrap alle stesse condizioni di polarizzazione.Se il vostro progetto prevede l’utilizzo di parametri di acquisizione/accoppiamento SRH (costanti di accoppiamento libero/trappola), aumentateli o diminuite insieme e confrontate l’equilibrio tra Q_nfree e Q_ntrap alle stesse condizioni di polarizzazione.

Un’abitudine utile per le attività 2 e 3 consiste nel mantenere invariata la morfologia, modificare un singolo parametro e quindi controllare ogni volta gli stessi due aspetti: (i) come si sposta la curva della corrente-tensione e (ii) se i percorsi di corrente (ad esempio Jn e i campi del livello quasi-Fermi) diventano più uniformi o più «frammentati» a causa della microstruttura.Un’abitudine utile per le attività 2 e 3 consiste nel mantenere invariata la morfologia, modificare un singolo parametro e quindi controllare ogni volta gli stessi due aspetti: (i) come si sposta la curva della corrente-tensione e (ii) se i percorsi di corrente (ad esempio Jn e i campi del livello quasi-Fermi) diventano più uniformi o più «frammentati» a causa della microstruttura.