有機太陽電池（OPV）チュートリアル パートC: デバイス構造を調べる

このセクションに取り組む前に、パートA と パートB に取り組んでいることを確認してください

1. デバイス層の編集

すべての太陽電池とほとんどの電子デバイスは、一連の層で構成されています。無機材料では通常、真空蒸着によって順番に堆積され、有機材料では通常、スピンコートまたは印刷によって堆積されます。OghmaNanoのデバイスは一連の層で構成されています（これは時に epitaxy と呼ばれます。これは無機半導体に由来する用語です）。Layer editor を使用してこれらの層を編集できます。これはメインシミュレーションウィンドウの Device structure タブからアクセスできます。これは ?? の左側に赤で強調表示されて見えています。Layer editor 自体は ?? に示されています。

Layer editor ウィンドウには、デバイス構造を記述する表が表示されます。 各行は1つの層に対応し、名前、光学材料、タイプなどの特性の列と、 層の物理的な膜厚を設定する Thickness があります。 この例では、P3HT:PCBM 層が active layer です — デバイスのうち、 光子を吸収して電荷キャリア（電子と正孔）を生成する部分です。

約50 nmの活性層膜厚はOPVとしては薄く、400 nmは比較的厚いと見なされます。 より厚い層はより多くの光を吸収しますが、同時に光生成された電荷がコンタクトへ到達するために移動しなければならない距離も増加します。 移動距離が長くなるほど、光生成電子が光生成正孔と出会う確率（再結合）も高くなります。これにより、うまく抽出できるキャリアの割合が低下します。したがって、吸収が増加してもデバイス性能は無限に向上するわけではありません。 したがって、デバイスを厚くしてすべての光を吸収することと、キャリアがデバイスから脱出する十分な機会を得られるようにデバイスを厚くしすぎないこととの間には、常にトレードオフがあります。このトレードオフはOPV設計における中心原理です。

3. Layer editorについてさらに詳しく

Layer editor には次の列があります:

• Layer name: 層のプレーンテキスト名です。層には好きな名前を付けることができます （例: ITO、PEDOT、Fred、または Bob）。名前自体に物理的意味はありません。
• Thickness: メートルで指定する層の膜厚です。
• Optical material: 材料の光学特性を記述するために使用される n/k データセットを指定します。 これらの値は光学データベースに保存された実験データに由来し、 （??） バンドギャップなどの電気特性とは独立しています。
• Layer type: シミュレータがその層をどのように扱うかを定義します:
  • active: drift–diffusion ソルバーが 電気方程式を解く電気的に活性な層です （??）。 複数の活性層を持つことはできますが、それらは連続していなければなりません。
  • contact: 電圧が印加される電極として定義された層です。 詳細については ?? を参照してください。
  • other: コンタクトでも active でもない任意の層です。これらは受動層として扱われます。

4. どの層を active にすべきか?

デバイス構造を定義する際によくある間違いは、すべての 層が電流を流すという理由だけで、 すべての層を active に設定しなければならないと考えることです。実際には、ほとんどの輸送層またはコンタクト層は 1種類のキャリア（電子または正孔のいずれか）しか伝導せず、実効的には抵抗のように振る舞います。 たとえば、標準的なP3HT:PCBM太陽電池では PEDOT:PSS 層は正孔のみを伝導し、 一方で Ca/Al コンタクトは電子のみを伝導します。そのような層で完全な drift–diffusion 方程式（両方のキャリア種に対する）を解くことには物理的意味がありません。

したがって active 層は、両方の キャリアが存在し、 光生成、再結合、またはトラッピングが起こる領域に限定すべきです。OPVでは、これは バルクヘテロ接合（BHJ） を意味し、ペロブスカイト太陽電池ではペロブスカイト吸収層を意味します。 これらが、完全なデバイス物理を解かなければならない層です。

例外もあります。たとえば、劣悪なコンタクトやブロッキングコンタクトの影響を調べたい場合 （S字型JV曲線のような効果につながる）、または複数の層が本当に両方のキャリアを保持する場合 （例: OLED）、追加の層を active と指定することができます。しかし、一般的な規則として、 active 層の数は最小限に抑えてください。これによりシミュレーションは単純で効率的になり、 基礎となる物理も解釈しやすくなります。