Parametri elettrici delle celle fotovoltaiche organiche: mobilità, ricombinazione e prodotto μτ.Parametri elettrici delle celle fotovoltaiche organiche: mobilità, ricombinazione e prodotto μτ.

In questa sezione viene spiegato come i parametri elettrici delle celle solari organiche a base di polimeri (OPV) influenzano il trasporto e la ricombinazione delle cariche nelle simulazioni. La mobilità delle cariche, la ricombinazione bimolecolare, le trappole SRH, la durata della vita delle cariche e il prodotto μτ determinano l’efficienza con cui le cariche generate dalla luce vengono estratte prima che si ricombinino.In questa sezione viene spiegato come i parametri elettrici delle celle solari organiche a base di polimeri (OPV) influenzano il trasporto e la ricombinazione delle cariche nelle simulazioni. La mobilità delle cariche, la ricombinazione bimolecolare, le trappole SRH, la durata della vita delle cariche e il prodotto μτ determinano l’efficienza con cui le cariche generate dalla luce vengono estratte prima che si ricombinino.

1. Editor dei parametri elettrici per celle fotovoltaiche a film sottile (OPV)1. Editor dei parametri elettrici per celle fotovoltaiche a film sottile (OPV)

È possibile accedere all’editor dei parametri elettrici facendo clic sul pulsante «Parametri elettrici» nell’interfaccia principale (vedere ??). Una volta aperto, l’editor consente di modificare la mobilità, le costanti di ricombinazione, i modelli di trappola e altri processi associati agli strati attivi. Questa finestra è illustrata in ??. Tutti gli strati impostati come attivi nell’editor degli strati verranno visualizzati qui.È possibile accedere all’editor dei parametri elettrici facendo clic sul pulsante «Parametri elettrici» nell’interfaccia principale (vedere ??). Una volta aperto, l’editor consente di modificare la mobilità, le costanti di ricombinazione, i modelli di trappola e altri processi associati agli strati attivi. Questa finestra è illustrata in ??. Tutti gli strati impostati come attivi nell’editor degli strati verranno visualizzati qui.

La barra degli strumenti nella parte superiore consente di attivare o disattivare specifici meccanismi fisici: premendo un pulsante, il meccanismo viene attivato.La barra degli strumenti nella parte superiore consente di attivare o disattivare specifici meccanismi fisici: premendo un pulsante, il meccanismo viene attivato.

• Modello di trasporto-diffusione: di norma, è attivo per qualsiasi strato funzionale.Modello di trasporto-diffusione: di norma, è attivo per qualsiasi strato funzionale.
• Ricombinazione di Auger: raramente utilizzata nei dispositivi OPV, ma disponibile per studi (??).Ricombinazione di Auger: raramente utilizzata nei dispositivi OPV, ma disponibile per studi (??).
• Trappole dinamiche di Shockley–Read–Hall (SRH) e trappole di equilibrio SRH: utilizzate per descrivere il processo di ricombinazione attraverso gli stati di trappola. Per impostazione predefinita, queste funzionalità sono abilitate nelle simulazioni di materiali organici (??).Trappole dinamiche di Shockley–Read–Hall (SRH) e trappole di equilibrio SRH: utilizzate per descrivere il processo di ricombinazione attraverso gli stati di trappola. Per impostazione predefinita, queste funzionalità sono abilitate nelle simulazioni di materiali organici (??).
• Eccitoni (diffusione) ed eccitoni (singoletto/tripletto): utilizzati per descrivere gli stati eccitati. Questi verranno trattati in seguito (??).Eccitoni (diffusione) ed eccitoni (singoletto/tripletto): utilizzati per descrivere gli stati eccitati. Questi verranno trattati in seguito (??).

2. Trappole di ricombinazione a livello di superficie e ricombinazione bimolecolare2. Trappole di ricombinazione a livello di superficie e ricombinazione bimolecolare

Nella maggior parte delle simulazioni organiche, i meccanismi dinamici di Shockley–Read–Hall (SRH) sono attivati per impostazione predefinita, poiché la ricombinazione mediata da questi meccanismi è comune nei materiali disordinati e spesso prevale sugli altri processi di ricombinazione. Tuttavia, in questo esempio introduttivo, l’aggiunta dei meccanismi SRH comporterebbe una complessità superflua, pertanto li disattiveremo temporaneamente.Nella maggior parte delle simulazioni organiche, i meccanismi dinamici di Shockley–Read–Hall (SRH) sono attivati per impostazione predefinita, poiché la ricombinazione mediata da questi meccanismi è comune nei materiali disordinati e spesso prevale sugli altri processi di ricombinazione. Tuttavia, in questo esempio introduttivo, l’aggiunta dei meccanismi SRH comporterebbe una complessità superflua, pertanto li disattiveremo temporaneamente.

Per disattivare la funzione SRH, fare clic una sola volta sul pulsante «Trappole SRH dinamiche» nella barra degli strumenti. I relativi campi SRH scompariranno dall’editor dei parametri elettrici (vedere ??). È possibile riattivare la funzione SRH in qualsiasi momento facendo di nuovo clic sul pulsante.Per disattivare la funzione SRH, fare clic una sola volta sul pulsante «Trappole SRH dinamiche» nella barra degli strumenti. I relativi campi SRH scompariranno dall’editor dei parametri elettrici (vedere ??). È possibile riattivare la funzione SRH in qualsiasi momento facendo di nuovo clic sul pulsante.

Deve comunque essere presente un meccanismo di ricombinazione; altrimenti, elettroni e lacune esisterebbero indefinitamente. Pertanto, per questo esercizio, utilizzeremo la ricombinazione «libero-libero» (bimolecolare). Nell’editor dei parametri elettrici, impostare la costante di velocità della ricombinazione da nfree a pfree a 1 × 10−15 m3·s−1. Questo modello semplice descrive la ricombinazione di un singolo elettrone libero con una singola lacuna libera. Sebbene non sia una descrizione perfetta per i semiconduttori organici, è sufficiente per gli scopi di questo esempio. La velocità di ricombinazione bimolecolare (libero-libero) è data da:Deve comunque essere presente un meccanismo di ricombinazione; altrimenti, elettroni e lacune esisterebbero indefinitamente. Pertanto, per questo esercizio, utilizzeremo la ricombinazione «libero-libero» (bimolecolare). Nell’editor dei parametri elettrici, impostare la costante di velocità della ricombinazione da nfree a pfree a 1 × 10−15 m3·s−1. Questo modello semplice descrive la ricombinazione di un singolo elettrone libero con una singola lacuna libera. Sebbene non sia una descrizione perfetta per i semiconduttori organici, è sufficiente per gli scopi di questo esempio. La velocità di ricombinazione bimolecolare (libero-libero) è data da:

R(x) = k · n(x) · p(x)R(x) = k · n(x) · p(x)

dove R(x) è il tasso di ricombinazione, k è la costante di ricombinazione bimolecolare e n(x) e p(x) sono le densità locali di elettroni e lacune.dove R(x) è il tasso di ricombinazione, k è la costante di ricombinazione bimolecolare e n(x) e p(x) sono le densità locali di elettroni e lacune.

3. Mobilità, ricombinazione, tempo di vita e il prodotto μτ3. Mobilità, ricombinazione, tempo di vita e il prodotto μτ

Due dei parametri più importanti per le prestazioni di un dispositivo sono la mobilità dei portatori di carica (μ) e la costante di ricombinazione tra elettroni e lacune (k). In OghmaNano, questi parametri vengono impostati nell’editor dei parametri elettrici: i campi «Mobilità degli elettroni» e «Mobilità delle lacune» controllano μ, mentre il campo «Costante di velocità di ricombinazione nfree → pfree» definisce k (vedere ??).Due dei parametri più importanti per le prestazioni di un dispositivo sono la mobilità dei portatori di carica (μ) e la costante di ricombinazione tra elettroni e lacune (k). In OghmaNano, questi parametri vengono impostati nell’editor dei parametri elettrici: i campi «Mobilità degli elettroni» e «Mobilità delle lacune» controllano μ, mentre il campo «Costante di velocità di ricombinazione nfree → pfree» definisce k (vedere ??).

La mobilità determina la velocità con cui le cariche si muovono all’interno del dispositivo: una mobilità più elevata (μ) significa che le cariche raggiungono i contatti più rapidamente, riducendo la probabilità di ricombinazione. La ricombinazione tra le cariche libere (l’incontro tra un elettrone e una lacuna) determina la durata della vita delle cariche (τ). Un elevato coefficiente di ricombinazione (k) indica che le cariche si ricombinano rapidamente, con conseguente breve durata (τ), mentre un valore di k più basso indica che le cariche persistono più a lungo. In una rappresentazione semplificata, la durata può essere correlata alla densità delle cariche e al coefficiente di ricombinazione come segue:La mobilità determina la velocità con cui le cariche si muovono all’interno del dispositivo: una mobilità più elevata (μ) significa che le cariche raggiungono i contatti più rapidamente, riducendo la probabilità di ricombinazione. La ricombinazione tra le cariche libere (l’incontro tra un elettrone e una lacuna) determina la durata della vita delle cariche (τ). Un elevato coefficiente di ricombinazione (k) indica che le cariche si ricombinano rapidamente, con conseguente breve durata (τ), mentre un valore di k più basso indica che le cariche persistono più a lungo. In una rappresentazione semplificata, la durata può essere correlata alla densità delle cariche e al coefficiente di ricombinazione come segue:

τ ≈ 1 / (k · n)τ ≈ 1 / (k · n)

dove n rappresenta la concentrazione dei portatori di carica. Questo dimostra che valori più elevati della costante di ricombinazione o una maggiore densità di portatori di carica comportano una durata più breve, mentre valori inferiori aumentano τ e migliorano la probabilità di estrazione dei portatori di carica.dove n rappresenta la concentrazione dei portatori di carica. Questo dimostra che valori più elevati della costante di ricombinazione o una maggiore densità di portatori di carica comportano una durata più breve, mentre valori inferiori aumentano τ e migliorano la probabilità di estrazione dei portatori di carica.

La mobilità e il tempo di vita, presi insieme, costituiscono il prodotto μτ (μ·τ), che indica la distanza massima che una carica può percorrere prima di ricombinarsi. Un valore di μτ più elevato aumenta la probabilità che una carica fotoeccitata raggiunga i contatti e contribuisca alla corrente utile. In pratica, μτ è un parametro utile per valutare la «qualità» del trasporto e della ricombinazione in una cella solare: i dispositivi o gli strati di materiali con un valore di μτ più elevato generalmente tollerano strati attivi più spessi e presentano una migliore capacità di raccolta delle cariche (il che si riflette spesso in valori più elevati di JSC e FF). Non è un indicatore completo – anche l’assorbimento ottico, i livelli energetici e la selettività dei contatti sono importanti –, ma fornisce un modo rapido per confrontare la qualità dei dispositivi in diversi materiali e in diverse condizioni di lavorazione.La mobilità e il tempo di vita, presi insieme, costituiscono il prodotto μτ (μ·τ), che indica la distanza massima che una carica può percorrere prima di ricombinarsi. Un valore di μτ più elevato aumenta la probabilità che una carica fotoeccitata raggiunga i contatti e contribuisca alla corrente utile. In pratica, μτ è un parametro utile per valutare la «qualità» del trasporto e della ricombinazione in una cella solare: i dispositivi o gli strati di materiali con un valore di μτ più elevato generalmente tollerano strati attivi più spessi e presentano una migliore capacità di raccolta delle cariche (il che si riflette spesso in valori più elevati di JSC e FF). Non è un indicatore completo – anche l’assorbimento ottico, i livelli energetici e la selettività dei contatti sono importanti –, ma fornisce un modo rapido per confrontare la qualità dei dispositivi in diversi materiali e in diverse condizioni di lavorazione.

4. Come scegliere i parametri elettrici di un sistema fotovoltaico organico (OPV)4. Come scegliere i parametri elettrici di un sistema fotovoltaico organico (OPV)

Per i semiconduttori tradizionali come l’AlGaAs o l’InP, i valori della mobilità dei portatori di carica, delle bande proibite e delle costanti di ricombinazione sono ben documentati nella letteratura scientifica. Questi materiali vengono prodotti con un elevato grado di purezza (spesso «nove nove», ovvero il 99,999999999%), il che significa che le loro proprietà fisiche sono altamente riproducibili. Se si dispone di una piastrina di GaAs, si conosce quasi esattamente quale sarà la sua mobilità o il suo tempo di vita, e si può semplicemente consultare questi valori in un libro di riferimento (ad esempio, «Piprek’s Semiconductor Optoelectronic Devices»).Per i semiconduttori tradizionali come l’AlGaAs o l’InP, i valori della mobilità dei portatori di carica, delle bande proibite e delle costanti di ricombinazione sono ben documentati nella letteratura scientifica. Questi materiali vengono prodotti con un elevato grado di purezza (spesso «nove nove», ovvero il 99,999999999%), il che significa che le loro proprietà fisiche sono altamente riproducibili. Se si dispone di una piastrina di GaAs, si conosce quasi esattamente quale sarà la sua mobilità o il suo tempo di vita, e si può semplicemente consultare questi valori in un libro di riferimento (ad esempio, «Piprek’s Semiconductor Optoelectronic Devices»).

I nuovi semiconduttori, come quelli organici o le perovskiti, presentano caratteristiche molto diverse. In genere, il loro grado di purezza raggiunge al massimo il 99,9%, ovvero un valore inferiore di otto ordini di grandezza rispetto ai semiconduttori tradizionali di tipo III-V. Inoltre, la loro struttura è disordinata: invece di essere composti da atomi disposti in una struttura reticolare regolare, i materiali organici formano un insieme intricato di polimeri e molecole, mentre le perovskiti spesso danno origine a domini eterogenei. Poiché la loro morfologia dipende fortemente dalle condizioni di fabbricazione, lo stesso materiale proveniente dallo stesso fornitore può comportarsi in modo molto diverso a seconda di chi lo ha depositato, dove e come. Di conseguenza, parametri elettrici come la mobilità, la densità delle trappole e le costanti di ricombinazione non possono essere semplicemente consultati in una tabella: devono essere stimati, regolati o adattati ai dati sperimentali.I nuovi semiconduttori, come quelli organici o le perovskiti, presentano caratteristiche molto diverse. In genere, il loro grado di purezza raggiunge al massimo il 99,9%, ovvero un valore inferiore di otto ordini di grandezza rispetto ai semiconduttori tradizionali di tipo III-V. Inoltre, la loro struttura è disordinata: invece di essere composti da atomi disposti in una struttura reticolare regolare, i materiali organici formano un insieme intricato di polimeri e molecole, mentre le perovskiti spesso danno origine a domini eterogenei. Poiché la loro morfologia dipende fortemente dalle condizioni di fabbricazione, lo stesso materiale proveniente dallo stesso fornitore può comportarsi in modo molto diverso a seconda di chi lo ha depositato, dove e come. Di conseguenza, parametri elettrici come la mobilità, la densità delle trappole e le costanti di ricombinazione non possono essere semplicemente consultati in una tabella: devono essere stimati, regolati o adattati ai dati sperimentali.

Quindi, cosa bisogna fare quando si definiscono i parametri per un nuovo dispositivo? Ecco alcuni consigli pratici:Quindi, cosa bisogna fare quando si definiscono i parametri per un nuovo dispositivo? Ecco alcuni consigli pratici:

• Iniziate con simulazioni di base: i file di esempio forniti in OghmaNano sono calibrati in base a dispositivi sperimentali o utilizzano valori ragionevoli ricavati dalla letteratura scientifica.Iniziate con simulazioni di base: i file di esempio forniti in OghmaNano sono calibrati in base a dispositivi sperimentali o utilizzano valori ragionevoli ricavati dalla letteratura scientifica.
• Consultare la letteratura scientifica: cercare studi su materiali simili per definire intervalli di parametri plausibili (mobilità, durata, densità di trappole, costanti di ricombinazione).Consultare la letteratura scientifica: cercare studi su materiali simili per definire intervalli di parametri plausibili (mobilità, durata, densità di trappole, costanti di ricombinazione).
• Confronto con l’esperimento: eseguire una simulazione e verificare se i valori della corrente di giunzione diretta (JV) rientrano nello stesso ordine di grandezza di quelli ottenuti sperimentalmente. In caso contrario, regolare le mobilità o le costanti di ricombinazione.Confronto con l’esperimento: eseguire una simulazione e verificare se i valori della corrente di giunzione diretta (JV) rientrano nello stesso ordine di grandezza di quelli ottenuti sperimentalmente. In caso contrario, regolare le mobilità o le costanti di ricombinazione.
• Adattamento ai dati (metodo avanzato): è possibile ottenere i parametri direttamente adattando i dati alle curve sperimentali caratteristiche corrente-tensione (??), ma questo approccio è complesso e non dovrebbe essere la prima opzione da considerare.Adattamento ai dati (metodo avanzato): è possibile ottenere i parametri direttamente adattando i dati alle curve sperimentali caratteristiche corrente-tensione (??), ma questo approccio è complesso e non dovrebbe essere la prima opzione da considerare.