Simulazione di dispositivi su larga scala – Parte A: impostazione e comprensione di un modello di contatto tridimensionaleSimulazione di dispositivi su larga scala – Parte A: impostazione e comprensione di un modello di contatto tridimensionale
I dispositivi optoelettronici di grandi dimensioni – come le celle solari flessibili, i moduli in perovskite, i pannelli OLED e l’elettronica stampata – sono spesso limitati non tanto dal semiconduttore attivo, quanto dai contatti elettrici. All’aumentare della superficie del dispositivo, la corrente deve propagarsi lateralmente attraverso conduttori trasparenti prima di raggiungere un contatto esterno altamente conduttivo. Le conseguenti perdite resistive possono ridurre notevolmente l’efficienza, il fattore di riempimento o l’uniformità della luminosità.I dispositivi optoelettronici di grandi dimensioni – come le celle solari flessibili, i moduli in perovskite, i pannelli OLED e l’elettronica stampata – sono spesso limitati non tanto dal semiconduttore attivo, quanto dai contatti elettrici. All’aumentare della superficie del dispositivo, la corrente deve propagarsi lateralmente attraverso conduttori trasparenti prima di raggiungere un contatto esterno altamente conduttivo. Le conseguenti perdite resistive possono ridurre notevolmente l’efficienza, il fattore di riempimento o l’uniformità della luminosità.
Una soluzione comune consiste nell’abbinare un polimero conduttivo o un conduttore trasparente (per la raccolta locale della corrente) a una rete metallica (per il trasporto della corrente su lunghe distanze). La rete può essere esagonale, quadrata, a forma di «dita» o completamente personalizzata. La progettazione sperimentale di tali contatti è costosa: la litografia, la stampa e l’ottimizzazione del processo comportano tutti costi significativi. La simulazione numerica offre un modo per stimare la resistenza, la caduta di tensione e l’accumulo di corrente prima della fabbricazione.Una soluzione comune consiste nell’abbinare un polimero conduttivo o un conduttore trasparente (per la raccolta locale della corrente) a una rete metallica (per il trasporto della corrente su lunghe distanze). La rete può essere esagonale, quadrata, a forma di «dita» o completamente personalizzata. La progettazione sperimentale di tali contatti è costosa: la litografia, la stampa e l’ottimizzazione del processo comportano tutti costi significativi. La simulazione numerica offre un modo per stimare la resistenza, la caduta di tensione e l’accumulo di corrente prima della fabbricazione.
In questo tutorial ci concentreremo esclusivamente sul contatto stesso. La struttura mostrata qui non è una cella solare o un LED completo, ma piuttosto un modello di contatto riutilizzabile che può essere posizionato sopra qualsiasi dispositivo. Nei tutorial successivi mostreremo come integrare questi contatti con strutture optoelettroniche complete. In questo caso, il nostro obiettivo è capire come la corrente fluisce attraverso il contatto e dove si verificano le perdite.In questo tutorial ci concentreremo esclusivamente sul contatto stesso. La struttura mostrata qui non è una cella solare o un LED completo, ma piuttosto un modello di contatto riutilizzabile che può essere posizionato sopra qualsiasi dispositivo. Nei tutorial successivi mostreremo come integrare questi contatti con strutture optoelettroniche complete. In questo caso, il nostro obiettivo è capire come la corrente fluisce attraverso il contatto e dove si verificano le perdite.
Fase 1: creare una nuova simulazione di contatto su una superficie estesa.Fase 1: creare una nuova simulazione di contatto su una superficie estesa.
Dalla finestra principale di OghmaNano, fare clic su «Nuova simulazione». Nella libreria delle simulazioni, fare doppio clic su «Modelli di dispositivi 3D ad ampia superficie», come mostrato in ??. Questo aprirà un elenco di strutture predefinite ad ampia superficie (??). Fare doppio clic su «Contatto esagonale ad ampia superficie».Dalla finestra principale di OghmaNano, fare clic su «Nuova simulazione». Nella libreria delle simulazioni, fare doppio clic su «Modelli di dispositivi 3D ad ampia superficie», come mostrato in ??. Questo aprirà un elenco di strutture predefinite ad ampia superficie (??). Fare doppio clic su «Contatto esagonale ad ampia superficie».
Fase 2: Ispezione della struttura di contattoFase 2: Ispezione della struttura di contatto
La finestra principale della simulazione si apre ora (??). Questa struttura rappresenta un contatto elettrico indipendente. Non è ancora collegata a un dispositivo fotovoltaico o a un dispositivo emettitore di luce; piuttosto, simula il modo in cui la corrente fluisce all’interno degli strati del contatto stesso.La finestra principale della simulazione si apre ora (??). Questa struttura rappresenta un contatto elettrico indipendente. Non è ancora collegata a un dispositivo fotovoltaico o a un dispositivo emettitore di luce; piuttosto, simula il modo in cui la corrente fluisce all’interno degli strati del contatto stesso.
È possibile ruotare la visuale trascinando lo sfondo stellare. Le caratteristiche principali sono:È possibile ruotare la visuale trascinando lo sfondo stellare. Le caratteristiche principali sono:
- Rete metallica (rossa): una rete altamente conduttiva (in questo caso esagonale) che trasporta la corrente elettrica su lunghe distanze.Rete metallica (rossa): una rete altamente conduttiva (in questo caso esagonale) che trasporta la corrente elettrica su lunghe distanze.
- Polimero conduttivo (verde): uno strato a minore conducibilità (in questo caso PEDOT:PSS) che raccoglie la corrente a livello locale e la convoglia nella rete.Polimero conduttivo (verde): uno strato a minore conducibilità (in questo caso PEDOT:PSS) che raccoglie la corrente a livello locale e la convoglia nella rete.
- Barra di estrazione (gialla): è l’elettrodo esterno da cui viene prelevata la corrente dal dispositivo.Barra di estrazione (gialla): è l’elettrodo esterno da cui viene prelevata la corrente dal dispositivo.
Sebbene questo esempio utilizzi una griglia esagonale e il PEDOT:PSS, nessuno di questi elementi è essenziale. È possibile sostituire la griglia con geometrie arbitrarie e il polimero con qualsiasi strato conduttivo. L’obiettivo di questo tutorial è comprendere le implicazioni elettriche di tali scelte progettuali.Sebbene questo esempio utilizzi una griglia esagonale e il PEDOT:PSS, nessuno di questi elementi è essenziale. È possibile sostituire la griglia con geometrie arbitrarie e il polimero con qualsiasi strato conduttivo. L’obiettivo di questo tutorial è comprendere le implicazioni elettriche di tali scelte progettuali.
Fase 3: definizione dei livelli e dei contattiFase 3: definizione dei livelli e dei contatti
Aprire l’editor dei livelli per visualizzare i livelli definiti (??). Sono presenti tre livelli:Aprire l’editor dei livelli per visualizzare i livelli definiti (??). Sono presenti tre livelli:
- Aria: uno strato di riempimento che funge da supporto per il contatto superiore.Aria: uno strato di riempimento che funge da supporto per il contatto superiore.
- Argento: lo strato a rete metallica.Argento: lo strato a rete metallica.
- PEDOT:PSS: lo strato di polimero conduttivo posto sotto la rete.PEDOT:PSS: lo strato di polimero conduttivo posto sotto la rete.
Si noti che lo strato d’aria è indicato come «Contatto», mentre gli strati d’argento e di polimero sono indicati come «Attivi». In questo contesto, «attivo» significa semplicemente che OghmaNano risolve le equazioni elettriche in tale punto. In questo esempio, non vengono utilizzati modelli fisici relativi alla deriva e alla diffusione dei semiconduttori.Si noti che lo strato d’aria è indicato come «Contatto», mentre gli strati d’argento e di polimero sono indicati come «Attivi». In questo contesto, «attivo» significa semplicemente che OghmaNano risolve le equazioni elettriche in tale punto. In questo esempio, non vengono utilizzati modelli fisici relativi alla deriva e alla diffusione dei semiconduttori.
Aprire l’editor dei contatti (??). Sono definiti due contatti: un contatto superiore mantenuto a 0 V e un contatto inferiore la cui tensione verrà variata nelle simulazioni successive. La larghezza dei contatti definisce la regione fisica in cui viene iniettata o estratta la corrente.Aprire l’editor dei contatti (??). Sono definiti due contatti: un contatto superiore mantenuto a 0 V e un contatto inferiore la cui tensione verrà variata nelle simulazioni successive. La larghezza dei contatti definisce la regione fisica in cui viene iniettata o estratta la corrente.
Fase 4: creazione della rappresentazione tridimensionale del circuito.Fase 4: creazione della rappresentazione tridimensionale del circuito.
Poiché si tratta di una struttura metallica e polimerica estesa, risolvere le equazioni complete di deriva-diffusione dei semiconduttori sarebbe superfluo e inefficiente. Invece, OghmaNano tratta questo modello come una rete resistiva tridimensionale, governata dalle leggi di Kirchhoff sulla corrente e sulla tensione. Ogni piccolo elemento di volume diventa un resistore e l’intera struttura viene analizzata come un circuito di grandi dimensioni.Poiché si tratta di una struttura metallica e polimerica estesa, risolvere le equazioni complete di deriva-diffusione dei semiconduttori sarebbe superfluo e inefficiente. Invece, OghmaNano tratta questo modello come una rete resistiva tridimensionale, governata dalle leggi di Kirchhoff sulla corrente e sulla tensione. Ogni piccolo elemento di volume diventa un resistore e l’intera struttura viene analizzata come un circuito di grandi dimensioni.
Passa alla scheda «Schema del circuito» e fai clic sull’icona di aggiornamento nell’angolo in basso a sinistra. In questo modo verrà generata la rappresentazione 3D del circuito mostrata di seguito.Passa alla scheda «Schema del circuito» e fai clic sull’icona di aggiornamento nell’angolo in basso a sinistra. In questo modo verrà generata la rappresentazione 3D del circuito mostrata di seguito.
In questa rappresentazione, ogni collegamento corrisponde a una resistenza e ogni nodo verde rappresenta un punto del circuito. I nodi blu indicano i punti in cui la corrente viene estratta dalla struttura. La barra gialla di estrazione, già mostrata in precedenza, definisce quali regioni fungono da punti di uscita elettrica. Ruotando la struttura, si può notare che anche la superficie inferiore contiene nodi di estrazione, corrispondenti al contatto inferiore.In questa rappresentazione, ogni collegamento corrisponde a una resistenza e ogni nodo verde rappresenta un punto del circuito. I nodi blu indicano i punti in cui la corrente viene estratta dalla struttura. La barra gialla di estrazione, già mostrata in precedenza, definisce quali regioni fungono da punti di uscita elettrica. Ruotando la struttura, si può notare che anche la superficie inferiore contiene nodi di estrazione, corrispondenti al contatto inferiore.
A questo punto, la geometria della simulazione e la rappresentazione del circuito sono state definite in modo completo. Nella parte successiva di questo tutorial, applicheremo delle tensioni, avvieremo il programma di calcolo e valuteremo le perdite resistive e le cadute di tensione ai capi del contatto.A questo punto, la geometria della simulazione e la rappresentazione del circuito sono state definite in modo completo. Nella parte successiva di questo tutorial, applicheremo delle tensioni, avvieremo il programma di calcolo e valuteremo le perdite resistive e le cadute di tensione ai capi del contatto.