유기 태양전지(OPV) 튜토리얼 Part C: 소자 구조 탐색

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1. 소자 레이어 편집

모든 태양전지와 대부분의 전자 소자는 일련의 레이어로 구성됩니다. 무기 재료에서는 보통 진공 증착으로 하나씩 차례대로 증착되며, 유기 재료에서는 보통 스핀 코팅 또는 인쇄로 증착됩니다. OghmaNano의 소자는 일련의 레이어로 구성되며 (이는 때때로 epitaxy라고도 불립니다 - 이 용어는 무기 반도체에서 유래합니다). Layer editor를 사용하여 이러한 레이어를 편집할 수 있으며, 이는 메인 시뮬레이션 창의 Device structure 탭에서 접근할 수 있습니다. 이는 ??의 왼쪽에서 빨간색으로 강조되어 보입니다. Layer editor 자체는 ??에 나와 있습니다.

Layer editor 창은 소자 구조를 설명하는 표를 표시합니다. 각 행은 하나의 레이어에 대응하며, 이름, 광학 재료, 타입, 그리고 레이어의 물리적 두께를 설정하는 Thickness와 같은 속성 열을 가집니다. 이 예에서 P3HT:PCBM 레이어는 active layer입니다 — 즉, 광자를 흡수하고 전하 캐리어(전자와 정공)를 생성하는 소자의 부분입니다.

약 50 nm의 active-layer 두께는 OPV에서 얇은 편으로 간주되며, 400 nm는 비교적 두꺼운 편입니다. 더 두꺼운 레이어는 더 많은 빛을 흡수하지만, 광생성된 전하가 접촉에 도달하기 위해 이동해야 하는 거리도 증가시킵니다. 이동 거리가 길어질수록 광생성된 전자가 광생성된 정공과 만나게 될 확률(재결합)이 증가합니다. 이는 성공적으로 추출될 수 있는 캐리어의 비율을 감소시킵니다. 따라서 소자 성능은 흡수가 증가한다고 해서 무한히 향상되지는 않습니다. 따라서 소자를 두껍게 만들어 모든 빛을 흡수하는 것과, 캐리어가 소자에서 탈출할 좋은 기회를 가질 수 있도록 너무 두껍게 만들지 않는 것 사이에는 항상 트레이드오프가 존재합니다. 이 트레이드오프는 OPV 설계의 핵심 원리입니다.

3. Layer editor에 대한 추가 설명

Layer editor에는 다음과 같은 열이 있습니다:

• Layer name: 레이어의 일반 텍스트 이름입니다. 원하는 어떤 이름이든 사용할 수 있습니다 (예: ITO, PEDOT, Fred, 또는 Bob); 이름 자체에는 물리적 의미가 없습니다.
• Thickness: 미터 단위로 지정되는 레이어 두께입니다.
• Optical material: 재료의 광학 특성을 설명하는 데 사용되는 n/k 데이터셋을 지정합니다. 이 값들은 광학 데이터베이스에 저장된 실험 데이터에서 오며 (??) 밴드갭과 같은 전기적 특성과는 독립적입니다.
• Layer type: 시뮬레이터가 해당 레이어를 어떻게 처리할지를 정의합니다:
  • active: drift–diffusion 솔버가 전기 방정식을 푸는 전기적으로 active한 레이어입니다 (??). 여러 개의 active layer를 가질 수 있지만, 이들은 연속적이어야 합니다.
  • contact: 전압이 인가되는 전극으로 정의된 레이어입니다. 자세한 내용은 ??를 참조하십시오.
  • other: contact도 active도 아닌 레이어입니다. 이들은 수동 레이어로 처리됩니다.

4. 어떤 레이어를 active로 설정해야 하는가?

소자 구조를 정의할 때 흔히 하는 실수는 모든 레이어가 전류를 전달한다는 이유만으로 모두 active로 설정해야 한다고 가정하는 것입니다. 실제로 대부분의 수송층이나 접촉층은 한 종류의 캐리어(전자 또는 정공)만 전달하며 실질적으로 저항처럼 동작합니다. 예를 들어, 표준 P3HT:PCBM 태양전지에서 PEDOT:PSS 레이어는 정공만 전달하고, Ca/Al 접촉은 전자만 전달합니다. 이러한 레이어에서 전체 drift–diffusion 방정식(두 캐리어 유형 모두에 대해)을 푸는 것은 물리적으로 타당하지 않습니다.

따라서 active layer는 두 캐리어가 모두 존재하고 광생성, 재결합 또는 트래핑이 발생하는 영역으로 제한되어야 합니다. OPV에서는 이는 bulk heterojunction (BHJ)를 의미하고, 페로브스카이트 태양전지에서는 페로브스카이트 absorber를 의미합니다. 이러한 레이어들이 전체 소자 물리를 계산해야 하는 레이어입니다.

예외도 있습니다. 예를 들어, 불량하거나 차단되는 접촉의 영향을 연구하고자 하는 경우 (S형 JV 곡선과 같은 효과를 유발), 또는 여러 레이어가 실제로 두 캐리어를 모두 수용하는 경우 (예: OLED)에는 추가적인 레이어를 active로 지정할 수 있습니다. 그러나 일반적인 규칙으로는 active layer 수를 최소한으로 유지해야 합니다. 이렇게 하면 시뮬레이션이 단순하고 효율적이며, 기본 물리도 더 쉽게 해석할 수 있습니다.