Tutorial sul dominio degli eccitoni (parte B): modifica della geometria e delle proprietà otticheTutorial sul dominio degli eccitoni (parte B): modifica della geometria e delle proprietà ottiche

🎯 Obiettivi di apprendimento🎯 Obiettivi di apprendimento

Modifica la geometria del dominio 3D utilizzando l’editor di mesh (sostituisci la sfera di riferimento con una mesh arbitraria).Modifica la geometria del dominio 3D utilizzando l’editor di mesh (sostituisci la sfera di riferimento con una mesh arbitraria).
Comprendere come la forma del dominio e il rapporto tra superficie e volume influenzano il comportamento della diffusione verso il sito di assorbimento e l’efficienza della dissociazione.Comprendere come la forma del dominio e il rapporto tra superficie e volume influenzano il comportamento della diffusione verso il sito di assorbimento e l’efficienza della dissociazione.
Visualizzate la densità degli eccitoni in geometrie complesse e mettete in relazione la struttura spaziale con la distanza locale dall’interfaccia.Visualizzate la densità degli eccitoni in geometrie complesse e mettete in relazione la struttura spaziale con la distanza locale dall’interfaccia.
Configurare le proprietà ottiche per ciascun oggetto (donatore rispetto alla matrice) e comprendere come la scelta del materiale influisce sulle ipotesi relative all’assorbimento e alla generazione.Configurare le proprietà ottiche per ciascun oggetto (donatore rispetto alla matrice) e comprendere come la scelta del materiale influisce sulle ipotesi relative all’assorbimento e alla generazione.
Stabilire una velocità di generazione controllata e costante per gli studi a nanoscala e determinare quando è necessario (e quando non lo è) eseguire un calcolo ottico completo.Stabilire una velocità di generazione controllata e costante per gli studi a nanoscala e determinare quando è necessario (e quando non lo è) eseguire un calcolo ottico completo.

📦 Requisiti preliminari📦 Requisiti preliminari

Completamento di Parte A.Completamento di Parte A.
OghmaNano è stato installato e funziona correttamente.OghmaNano è stato installato e funziona correttamente.
Conoscenza di base delle celle fotovoltaiche organiche (OPV) e delle eterogiunzioni a massa (donatore, accettore, eccitoni, trasferimento di carica interfacciale).Conoscenza di base delle celle fotovoltaiche organiche (OPV) e delle eterogiunzioni a massa (donatore, accettore, eccitoni, trasferimento di carica interfacciale).

⏱ Tempo stimato⏱ Tempo stimato

Parte A: 10-15 minutiParte A: 10-15 minuti
Parte B (in questa pagina): 15-20 minuti.Parte B (in questa pagina): 15-20 minuti.

📚 Ulteriori letture📚 Ulteriori letture

Per un approccio complementare, a livello di dispositivo, che combini il trasporto degli eccitoni con la deriva-diffusione dei portatori di carica e l’ottica dipendente dalla lunghezza d’onda, si veda:Per un approccio complementare, a livello di dispositivo, che combini il trasporto degli eccitoni con la deriva-diffusione dei portatori di carica e l’ottica dipendente dalla lunghezza d’onda, si veda:

OPV excitons (1D): Drift–diffusion modelling with excitons and transfer-matrix optics OPV excitons (1D): Drift–diffusion modelling with excitons and transfer-matrix optics

📺 Esempio di YouTube📺 Esempio di YouTube

Modifica dei domini di eccitoni tridimensionali ed esplorazione di come la geometria e le ipotesi sulla loro formazione influenzino la dissociazione interfacciale.Modifica dei domini di eccitoni tridimensionali ed esplorazione di come la geometria e le ipotesi sulla loro formazione influenzino la dissociazione interfacciale.

1. Modifica della forma del dominio1. Modifica della forma del dominio

Nei sistemi reali di eterogiunzione a struttura complessa, i domini donatori non sono perfettamente sferici né uniformi. Le loro dimensioni, forma e connettività variano su scala nanometrica e queste caratteristiche geometriche influenzano direttamente la distanza che gli eccitoni devono percorrere per raggiungere un’interfaccia donatore-accettore. Poiché il modello eccitone-dominio è completamente tridimensionale e basato su una griglia, consente di analizzare come le modifiche alla morfologia dei domini – al di là delle semplici variazioni di dimensione – influiscano sul trasporto e sulla dissociazione degli eccitoni.Nei sistemi reali di eterogiunzione a struttura complessa, i domini donatori non sono perfettamente sferici né uniformi. Le loro dimensioni, forma e connettività variano su scala nanometrica e queste caratteristiche geometriche influenzano direttamente la distanza che gli eccitoni devono percorrere per raggiungere un’interfaccia donatore-accettore. Poiché il modello eccitone-dominio è completamente tridimensionale e basato su una griglia, consente di analizzare come le modifiche alla morfologia dei domini – al di là delle semplici variazioni di dimensione – influiscano sul trasporto e sulla dissociazione degli eccitoni.

Per modificare la geometria del dominio, fare clic con il pulsante destro del mouse sull’oggetto incorporato (la sfera nell’esempio predefinito) nella finestra principale della simulazione. Il menu contestuale è mostrato nella figura ??. Selezionare «Editor della mesh» per aprire l’editor della geometria.Per modificare la geometria del dominio, fare clic con il pulsante destro del mouse sull’oggetto incorporato (la sfera nell’esempio predefinito) nella finestra principale della simulazione. Il menu contestuale è mostrato nella figura ??. Selezionare «Editor della mesh» per aprire l’editor della geometria.

Right-click context menu showing Mesh editor option — Fare clic con il pulsante destro del mouse su un oggetto di dominio. Selezionando «Editor mesh» si apre l’editor della geometria.Fare clic con il pulsante destro del mouse su un oggetto di dominio. Selezionando «Editor mesh» si apre l’editor della geometria.

Mesh editor window showing shape database and geometry controls — La finestra dell’editor di mesh. È possibile selezionare le forme dal database interno oppure importarle da file CAD o di mesh esterni.La finestra dell’editor di mesh. È possibile selezionare le forme dal database interno oppure importarle da file CAD o di mesh esterni.

All’interno dell’editor di mesh, è possibile scegliere tra una libreria di forme predefinite oppure importare le proprie geometrie. Il risolutore di eccitoni non dipende dalla topologia: purché la forma possa essere trasformata in una mesh, può essere utilizzata come dominio donatore. A scopo illustrativo, sostituiremo la sfera con un dominio a forma di teiera, ridimensionato alle dimensioni del nanometro. Sebbene non si tratti chiaramente di una morfologia realistica per un BHJ, questa forma complessa e su scala nanometrica offre un modo intuitivo per capire come la curvatura, la concavità e lo spessore locale influenzino i percorsi di diffusione degli eccitoni e la dissociazione interfacciale.All’interno dell’editor di mesh, è possibile scegliere tra una libreria di forme predefinite oppure importare le proprie geometrie. Il risolutore di eccitoni non dipende dalla topologia: purché la forma possa essere trasformata in una mesh, può essere utilizzata come dominio donatore. A scopo illustrativo, sostituiremo la sfera con un dominio a forma di teiera, ridimensionato alle dimensioni del nanometro. Sebbene non si tratti chiaramente di una morfologia realistica per un BHJ, questa forma complessa e su scala nanometrica offre un modo intuitivo per capire come la curvatura, la concavità e lo spessore locale influenzino i percorsi di diffusione degli eccitoni e la dissociazione interfacciale.

Selezionate la forma della teiera facendo clic sul selettore del database delle forme (il pulsante con i tre puntini), quindi fate doppio clic su «teiera». Chiudete l’editor della mesh. La finestra principale della simulazione si aggiorna automaticamente, come mostrato nella figura ??.Selezionate la forma della teiera facendo clic sul selettore del database delle forme (il pulsante con i tre puntini), quindi fate doppio clic su «teiera». Chiudete l’editor della mesh. La finestra principale della simulazione si aggiorna automaticamente, come mostrato nella figura ??.

Simulation window showing teapot-shaped exciton domain — La simulazione del dominio degli eccitoni è stata aggiornata con una regione donatrice a forma di teiera. Pur non essendo realistica, questa geometria si rivela un utile modello semplificato per un dominio complesso e irregolare.La simulazione del dominio degli eccitoni è stata aggiornata con una regione donatrice a forma di teiera. Pur non essendo realistica, questa geometria si rivela un utile modello semplificato per un dominio complesso e irregolare.

Exciton density plotted within a teapot-shaped domain — Densità degli eccitoni all’interno del dominio a forma di teiera. La distribuzione spaziale segue la geometria locale, con una minore concentrazione di eccitoni in prossimità delle superfici dove la dissociazione è più intensa.Densità degli eccitoni all’interno del dominio a forma di teiera. La distribuzione spaziale segue la geometria locale, con una minore concentrazione di eccitoni in prossimità delle superfici dove la dissociazione è più intensa.

Eseguire la simulazione come fatto in precedenza. Una volta completata, accedere alla sezione «Risultati della simulazione» e aprire il file exciton.csv. Il campo risultante della densità degli eccitoni è mostrato nella figura ??. Sebbene la forma specifica utilizzata qui sia artificiale, la fisica di base è identica al caso sferico: gli eccitoni vengono generati all’interno del donatore, si diffondono nel dominio tridimensionale e vengono rimossi alle interfacce in cui la dissociazione è elevata. Il vantaggio di questo approccio è che la geometria può essere sostituita con qualsiasi forma desiderata, rendendo il modello particolarmente adatto per studi sistematici che analizzano come la morfologia del dominio influisce sul trasporto degli eccitoni e sulla generazione efficace di carica.Eseguire la simulazione come fatto in precedenza. Una volta completata, accedere alla sezione «Risultati della simulazione» e aprire il file exciton.csv. Il campo risultante della densità degli eccitoni è mostrato nella figura ??. Sebbene la forma specifica utilizzata qui sia artificiale, la fisica di base è identica al caso sferico: gli eccitoni vengono generati all’interno del donatore, si diffondono nel dominio tridimensionale e vengono rimossi alle interfacce in cui la dissociazione è elevata. Il vantaggio di questo approccio è che la geometria può essere sostituita con qualsiasi forma desiderata, rendendo il modello particolarmente adatto per studi sistematici che analizzano come la morfologia del dominio influisce sul trasporto degli eccitoni e sulla generazione efficace di carica.

2. Proprietà ottiche2. Proprietà ottiche

Nel modello del dominio degli eccitoni, le proprietà ottiche vengono assegnate a ciascun oggetto individualmente. Per modificarle, fare clic con il pulsante destro del mouse sullo strato circostante o sul dominio donatore incorporato e selezionare l’opzione «Editor oggetti». Si aprirà così la finestra dell’editor oggetti, mostrata nella figura ??. A ciascun oggetto può essere associato un materiale ottico specifico, e questi materiali includono dati sull’indice di rifrazione in funzione della lunghezza d’onda (\(n,k\)). In una simulazione ottica completa, queste proprietà dei materiali verrebbero utilizzate per determinare come la luce viene assorbita nello spazio all’interno della struttura e come gli eccitoni vengono generati in funzione della posizione e della lunghezza d’onda.Nel modello del dominio degli eccitoni, le proprietà ottiche vengono assegnate a ciascun oggetto individualmente. Per modificarle, fare clic con il pulsante destro del mouse sullo strato circostante o sul dominio donatore incorporato e selezionare l’opzione «Editor oggetti». Si aprirà così la finestra dell’editor oggetti, mostrata nella figura ??. A ciascun oggetto può essere associato un materiale ottico specifico, e questi materiali includono dati sull’indice di rifrazione in funzione della lunghezza d’onda (\(n,k\)). In una simulazione ottica completa, queste proprietà dei materiali verrebbero utilizzate per determinare come la luce viene assorbita nello spazio all’interno della struttura e come gli eccitoni vengono generati in funzione della posizione e della lunghezza d’onda.

Object editor showing optical material selection and photon efficiency — L’editor di oggetti. È possibile assegnare in modo indipendente a ciascun oggetto materiali ottici (ad esempio, PM6, Y6) e fattori di efficienza fotonica.L’editor di oggetti. È possibile assegnare in modo indipendente a ciascun oggetto materiali ottici (ad esempio, PM6, Y6) e fattori di efficienza fotonica.

Generation rate editor showing constant generation values for layer and sphere — Configurazione costante per la generazione ottica. In questo esempio, al dominio donatore viene assegnata una velocità di generazione uniforme pari a \(10^{27}\,\mathrm{m^{-3}\,s^{-1}}\).Configurazione costante per la generazione ottica. In questo esempio, al dominio donatore viene assegnata una velocità di generazione uniforme pari a \(10^{27}\,\mathrm{m^{-3}\,s^{-1}}\).

In questo tutorial, i dati relativi al materiale ottico (il valore \(n,k\) assegnato a ciascun oggetto) non vengono utilizzati intenzionalmente per calcolare l’assorbimento. Invece, la generazione di eccitoni viene definita direttamente utilizzando una velocità di generazione costante. Questa è una scelta di modellizzazione consapevole, progettata per isolare il trasporto, la ricombinazione e la dissociazione interfacciale degli eccitoni dalle interferenze ottiche e dagli effetti dipendenti dalla lunghezza d’onda. La configurazione corrispondente viene impostata nell’editor di simulazione ottica, accessibile dalla scheda Ottica nella finestra principale, ed è illustrata nella Figura ??.In questo tutorial, i dati relativi al materiale ottico (il valore \(n,k\) assegnato a ciascun oggetto) non vengono utilizzati intenzionalmente per calcolare l’assorbimento. Invece, la generazione di eccitoni viene definita direttamente utilizzando una velocità di generazione costante. Questa è una scelta di modellizzazione consapevole, progettata per isolare il trasporto, la ricombinazione e la dissociazione interfacciale degli eccitoni dalle interferenze ottiche e dagli effetti dipendenti dalla lunghezza d’onda. La configurazione corrispondente viene impostata nell’editor di simulazione ottica, accessibile dalla scheda Ottica nella finestra principale, ed è illustrata nella Figura ??.

Nell’editor ottico, il modello di generazione è attualmente impostato sul valore costante. È possibile visualizzare le velocità di generazione per ciascun oggetto aprendo il menu a tendina associato al valore costante e selezionando «Modifica costante». In questo modo si apre l’editor delle velocità di generazione, mostrato nell’immagine, che elenca la velocità di generazione prescritta per ciascun oggetto nella scena. Nella configurazione attuale, al dominio donatore (sfera o teiera) viene assegnata una velocità di generazione uniforme pari a \(1\times10^{27}\,\mathrm{m^{-3}\,s^{-1}}\), mentre allo strato circostante viene assegnato il valore zero. Questo produce una sorgente di eccitoni spazialmente uniforme, confinata nella regione donatrice. Poiché la velocità di generazione è fissa e nota in ogni punto, la densità di eccitoni e i modelli di dissociazione risultanti possono essere interpretati direttamente in termini di processi di diffusione, ricombinazione e perdita interfacciale, senza l’ulteriore ambiguità introdotta dai profili di assorbimento dipendenti dalla lunghezza d’onda.Nell’editor ottico, il modello di generazione è attualmente impostato sul valore costante. È possibile visualizzare le velocità di generazione per ciascun oggetto aprendo il menu a tendina associato al valore costante e selezionando «Modifica costante». In questo modo si apre l’editor delle velocità di generazione, mostrato nell’immagine, che elenca la velocità di generazione prescritta per ciascun oggetto nella scena. Nella configurazione attuale, al dominio donatore (sfera o teiera) viene assegnata una velocità di generazione uniforme pari a \(1\times10^{27}\,\mathrm{m^{-3}\,s^{-1}}\), mentre allo strato circostante viene assegnato il valore zero. Questo produce una sorgente di eccitoni spazialmente uniforme, confinata nella regione donatrice. Poiché la velocità di generazione è fissa e nota in ogni punto, la densità di eccitoni e i modelli di dissociazione risultanti possono essere interpretati direttamente in termini di processi di diffusione, ricombinazione e perdita interfacciale, senza l’ulteriore ambiguità introdotta dai profili di assorbimento dipendenti dalla lunghezza d’onda.

💡 Perché è importante: con una velocità di generazione costante, ogni eccitone che entra nel sistema viene preso in considerazione. Questo semplifica notevolmente la comprensione di dove gli eccitoni vengono persi, dove si dissociano e in che modo le variazioni nella lunghezza di diffusione, nella durata o nella forza dell'interfaccia influiscono sulla resa complessiva della generazione di carica.💡 Perché è importante: con una velocità di generazione costante, ogni eccitone che entra nel sistema viene preso in considerazione. Questo semplifica notevolmente la comprensione di dove gli eccitoni vengono persi, dove si dissociano e in che modo le variazioni nella lunghezza di diffusione, nella durata o nella forza dell'interfaccia influiscono sulla resa complessiva della generazione di carica.

Una volta definiti la geometria e il processo di generazione ottica, il modello del dominio degli eccitoni è completo. A questo punto, è possibile analizzare come le variazioni nella forma, nelle dimensioni e nei parametri degli eccitoni influiscono sull’efficienza di dissociazione descritta in exciton_sim_info.json.Una volta definiti la geometria e il processo di generazione ottica, il modello del dominio degli eccitoni è completo. A questo punto, è possibile analizzare come le variazioni nella forma, nelle dimensioni e nei parametri degli eccitoni influiscono sull’efficienza di dissociazione descritta in exciton_sim_info.json.

❓ Compito: provate a utilizzare una forma diversa per il dominio donatore e confrontate i risultati.❓ Compito: provate a utilizzare una forma diversa per il dominio donatore e confrontate i risultati.

Utilizzate l’editor Mesh per sostituire il dominio di origine (sfera/teiera) con una forma diversa, selezionandola dal database di forme interne (potete scegliere la forma che preferite, ad esempio un toro, un cono, un cubo o un’altra mesh complessa). Chiudete l’editor, quindi eseguite nuovamente la simulazione.Utilizzate l’editor Mesh per sostituire il dominio di origine (sfera/teiera) con una forma diversa, selezionandola dal database di forme interne (potete scegliere la forma che preferite, ad esempio un toro, un cono, un cubo o un’altra mesh complessa). Chiudete l’editor, quindi eseguite nuovamente la simulazione.

Una volta completata l’esecuzione del programma, confrontare i seguenti risultati:Una volta completata l’esecuzione del programma, confrontare i seguenti risultati:

G.csv: confermare che, utilizzando una velocità di generazione costante, la generazione rimane limitata al dominio del donatore e uniforme al suo interno.G.csv: confermare che, utilizzando una velocità di generazione costante, la generazione rimane limitata al dominio del donatore e uniforme al suo interno.
exciton.csv: osservare come la densità degli eccitoni si adatta allo spessore e alla curvatura locali (ad esempio, in corrispondenza di aree sottili rispetto a zone più ampie).exciton.csv: osservare come la densità degli eccitoni si adatta allo spessore e alla curvatura locali (ad esempio, in corrispondenza di aree sottili rispetto a zone più ampie).
Gn.csv: individuare le aree in cui la dissociazione è più marcata: l’«anello/strato» diventa irregolare, si allarga o si intensifica nelle zone più sottili?Gn.csv: individuare le aree in cui la dissociazione è più marcata: l’«anello/strato» diventa irregolare, si allarga o si intensifica nelle zone più sottili?
exciton_sim_info.json: registra dis_eff e i totali (tot_G, tot_Rk_pl, tot_Rk_dis) e confrontali con il caso sferico.exciton_sim_info.json: registra dis_eff e i totali (tot_G, tot_Rk_pl, tot_Rk_dis) e confrontali con il caso sferico.

Risultato previstoRisultato previsto

Generazione: con la generazione continua abilitata, G.csv dovrebbe mantenere una distribuzione spazialmente uniforme all’interno del dominio donatore e approssimativamente nulla all’esterno, indipendentemente dalla forma scelta.Generazione: con la generazione continua abilitata, G.csv dovrebbe mantenere una distribuzione spazialmente uniforme all’interno del dominio donatore e approssimativamente nulla all’esterno, indipendentemente dalla forma scelta.
Densità degli eccitoni: exciton.csv rifletterà la diffusione verso un punto di accumulo all’interfaccia: maggiore densità nelle regioni «interne», con una diminuzione in prossimità delle superfici dove la dissociazione è più intensa. Forme complesse mostrano spesso gradienti più marcati nelle aree più sottili (percorsi di diffusione brevi verso un confine).Densità degli eccitoni: exciton.csv rifletterà la diffusione verso un punto di accumulo all’interfaccia: maggiore densità nelle regioni «interne», con una diminuzione in prossimità delle superfici dove la dissociazione è più intensa. Forme complesse mostrano spesso gradienti più marcati nelle aree più sottili (percorsi di diffusione brevi verso un confine).
Schema di dissociazione: Gn.csv dovrebbe concentrarsi in prossimità dell’interfaccia donatore-accettore, ma in caso di forme irregolari potrebbe presentare una distribuzione non uniforme: le regioni con un elevato rapporto superficie/volume mostrano in genere una maggiore dissociazione per unità di volume, poiché gli eccitoni raggiungono più facilmente l’interfaccia.Schema di dissociazione: Gn.csv dovrebbe concentrarsi in prossimità dell’interfaccia donatore-accettore, ma in caso di forme irregolari potrebbe presentare una distribuzione non uniforme: le regioni con un elevato rapporto superficie/volume mostrano in genere una maggiore dissociazione per unità di volume, poiché gli eccitoni raggiungono più facilmente l’interfaccia.
Andamento dell’efficienza: dis_eff tende ad aumentare per le strutture con una superficie maggiore (o con elementi più sottili) e a diminuire per le strutture più voluminose, dove gli eccitoni devono percorrere una distanza maggiore prima di raggiungere l’interfaccia, soprattutto se \(k_{\mathrm{PL}}\) non è trascurabile.Andamento dell’efficienza: dis_eff tende ad aumentare per le strutture con una superficie maggiore (o con elementi più sottili) e a diminuire per le strutture più voluminose, dove gli eccitoni devono percorrere una distanza maggiore prima di raggiungere l’interfaccia, soprattutto se \(k_{\mathrm{PL}}\) non è trascurabile.

Suggerimento: mantenete fissi tutti i parametri dell’eccitone, modificando solo la geometria, in modo da poter attribuire direttamente le differenze in dis_eff e nei campi spaziali alla morfologia.Suggerimento: mantenete fissi tutti i parametri dell’eccitone, modificando solo la geometria, in modo da poter attribuire direttamente le differenze in dis_eff e nei campi spaziali alla morfologia.

👉 Fine del tutorial: avete completato il tutorial sui domini di eccitoni 3D. Lo stesso flusso di lavoro di modellazione può essere applicato a qualsiasi tipo di mesh tridimensionale, a morfologie importate o a domini donatore-accettore ricostruiti sperimentalmente. Ciò rende il risolutore di domini di eccitoni uno strumento pratico per studiare come la morfologia a nanoscala, la lunghezza di diffusione, la durata e la dissociazione interfacciale controllino collettivamente il trasporto degli eccitoni e l’efficienza di generazione di carica nei sistemi semiconduttori organici e ibridi.👉 Fine del tutorial: avete completato il tutorial sui domini di eccitoni 3D. Lo stesso flusso di lavoro di modellazione può essere applicato a qualsiasi tipo di mesh tridimensionale, a morfologie importate o a domini donatore-accettore ricostruiti sperimentalmente. Ciò rende il risolutore di domini di eccitoni uno strumento pratico per studiare come la morfologia a nanoscala, la lunghezza di diffusione, la durata e la dissociazione interfacciale controllino collettivamente il trasporto degli eccitoni e l’efficienza di generazione di carica nei sistemi semiconduttori organici e ibridi.

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