Symulacja organicznych ogniw słonecznych o dużej powierzchni (PM6:Y6): od trójwymiarowych sieci kontaktów po oświetlone urządzenia.

1. Wprowadzenie

W tym samouczku kontynuujemy serię poświęconą symulacjom urządzeń o dużej powierzchni, koncentrując się na urządzeniach, które przeszły od małych, laboratoryjnych prototypów do rozwiązań stosowanych w praktycznych zastosowaniach. Stanowi on pomost między dwoma istniejącymi schematami opisanymi w instrukcji: projektowanie kontaktów o dużej powierzchni (bez elementów aktywnych) i złożone moduły perowskitowe 3D. Ten przykład łączy te dwa schematy, wprowadzając diody i absorpcję światła do wcześniej zaprojektowanej struktury kontaktowej, ale nie dochodzi do stworzenia w pełni połączonego modułu.

W tym przykładzie symulujemy pojedynczą, dużą organiczną ogniwo słoneczną, opartą na architekturze typu PM6:Y6, z nanoszonym metodą druku, heksagonalnym metalowym kontaktem. Celem jest zrozumienie, jak urządzenie, które dobrze działa na małej powierzchni, zachowuje się po zwiększeniu jego rozmiarów, gdzie przepływ prądu w płaszczyźnie, spadek napięcia i rezystancja kontaktu zaczynają odgrywać dominującą rolę. Chociaż w tym przykładzie używamy materiałów OPV, procedura jest ogólna: poprzez zmianę danych optycznych n/k i dostosowanie wartości komponentów, ten sam model może reprezentować badane przez nas urządzenie.

Aby zastosować ten schemat działania do własnego urządzenia, należy wprowadzić dwa zestawy danych: rezystywność warstw (zazwyczaj pobieraną z dostępnej literatury lub prostych struktur testowych) oraz niewielką liczbę parametrów diody, takich jak współczynnik idealności, prąd fotokatody i prąd nasycenia. Po wprowadzeniu tych danych model umożliwia wirtualne zwiększenie skali urządzenia laboratoryjnego i określenie, które mechanizmy strat będą ograniczać jego wydajność, gdy zostanie ono przeniesione do urządzeń o większych rozmiarach, przeznaczonych do zastosowań w rzeczywistych warunkach.

W tym przypadku nie wykorzystujemy pełnego trójwymiarowego solvera do obliczeń dryfu i dyfuzji, chociaż OghmaNano taką możliwość oferuje. W przypadku urządzeń o dużej powierzchni, pełne, szczegółowe trójwymiarowe obliczenia dryfu i dyfuzji szybko stają się zbyt wymagające obliczeniowo i często są zbędne, ponieważ główne ograniczenia wynikają z transportu bocznego i rezystancji kontaktów, a nie z ruchu nośników przez każdą warstwę. Zamiast tego, OghmaNano tworzy trójwymiarowy model obwodu, uwzględniający geometrię, w którym transport boczny i kontakty są reprezentowane przez elementy rezystywne, a zachowanie fotowoltaiczne jest modelowane za pomocą wbudowanych diod.

Chociaż problem elektryczny rozwiązuje się za pomocą modelu obwodu, kwestie optyczne analizuje się w sposób szczegółowy. Fotogenerację oblicza się za pomocą optycznego solvera opartego na macierzy transferowej, który jest stosowany do jednowymiarowych przekrojów w przestrzeni trójwymiarowej, uwzględniając przy tym efekty interferencji i absorpcji w cienkich warstwach, podczas gdy solver obwodu zajmuje się zbieraniem prądu z dużych powierzchni.

2. Uruchom symulację.

W głównym oknie kliknij „Nowa symulacja”. Zostanie wyświetlona lista kategorii symulacji (patrz ??). Następnie kliknij dwukrotnie opcję „Duża powierzchnia, ogniwo słoneczne PM6:Y6” (patrz ??).

Po uruchomieniu symulacji otwiera się główne okno, w którym wyświetlana jest geometria urządzenia w trzech wymiarach (patrz ??). Górny elektrod jest wykonany z heksagonalnej (plaster miodu) metalowej siatki, oznaczonej jako Ag. Ta warstwa srebra pełni funkcję wysoce przewodzącej siatki do zbierania prądu. Ponieważ jest zaimplementowana jako siatka, większość powierzchni pozostaje otwarta, co umożliwia przepuszczanie światła przez elektrodę. Pod siatką srebrną znajduje się PEDOT:PSS, który pełni funkcję warstwy rozprowadzającej prąd w płaszczyźnie. Podobnie jak w samouczku dotyczącym elektrod o dużej powierzchni, ładunek jest najpierw zbierany w warstwie polimerowej, a następnie przekazywany do siatki srebrnej o niskiej rezystancji, co zapewnia efektywne odprowadzanie prądu.

Warstwa fotoaktywna składa się z materiałów PM6:Y6. Elektrycznie warstwa ta jest reprezentowana przez element diodowy z włączoną optyczną generacją, a dodatkowe elementy rezystancyjne zapewniają, że model uwzględnia skończoną przewodność. Na dole stosu znajduje się ciągły kontakt ze srebra, który obejmuje całą powierzchnię urządzenia i zapewnia połączenie elektryczne.

Zielony pasek widoczny w głównym oknie może sprawiać wrażenie, że unosi się w powietrzu, ale w rzeczywistości jest to jedynie wizualny wskaźnik warunku brzegowego procesu ekstrakcji. Oznacza on obszar, w którym algorytm rozwiązujący stosuje kontakt elektryczny, który służy do pobierania prądu z sieci obwodów.

3. Sprawdź warstwę epitaksjalną i połączenia.

Ta symulacja (oraz wcześniejszy przykład dotyczący obszernych struktur kontaktowych) opiera się na warstwowej strukturze epitaksjalnej. Urządzenie jest konstruowane jako stos cienkich warstw za pomocą edytora warstw, co zapewnia, że każda warstwa jest precyzyjnie ułożona na następnej, bez żadnych przerw i z zachowaniem spójności grubości. To podejście doskonale sprawdza się w przypadku płaskich, obszernych urządzeń, gdzie pionowy stos jest ustalony, a zachowanie w płaszczyźnie jest wprowadzane za pomocą modelu obwodu. Różni się to od późniejszych symulacji opartych na modułach (patrz samouczek dotyczący połączonych modułów), w których elementy, szyny i bardziej złożone układy są definiowane w sposób wyraźny, z wykorzystaniem pełnej geometrii 3D.

Aby sprawdzić strukturę, otwórz edytor warstw, aby wyświetlić układ warstw (patrz ??), a następnie otwórz panel kontaktów w edytorze struktury urządzenia (patrz ??). Geometrycznie konfiguracja jest prosta, ale ważna: dolny kontakt obejmuje całą powierzchnię urządzenia, natomiast górny kontakt jest znacznie mniejszy i wyznacza obszar, z którego pobierany jest prąd, co jest zgodne z zielonym znacznikiem pobierania prądu widocznym w widoku 3D. Zrozumienie geometrii tych kontaktów jest kluczowe, ponieważ określa ona ścieżki przepływu prądu w płaszczyźnie, które dominują w zachowaniu urządzeń o dużej powierzchni.

4. Sprawdzenie siatki.

Przejdź do zakładki „Schemat obwodu” i kliknij ikonę odświeżania w lewym dolnym rogu (ikona przypominająca symbol recyklingu). Ta czynność generuje schemat obwodu urządzenia bezpośrednio na podstawie zdefiniowanej geometrii i struktury warstw. Otrzymana siatka obwodu jest wyświetlana w ??. Każdy element siatki odpowiada elementowi obwodu, takiemu jak rezystor lub dioda, a kolor wskazuje warstwę lub obszar materiału, z którego pochodzi.

Poprzez obracanie widoku można wyraźnie zidentyfikować górną i dolną część obszarów kontaktowych. Na ilustracjach ?? i ?? niebieskie kropki oznaczają węzły, z których pobierany jest prąd z siatki obwodu. Węzły te określają warunki brzegowe kontaktu i wskazują miejsca, z których solver obwodu pobiera prąd z urządzenia.

5. Parametry elektryczne i generowanie sygnału optycznego

Otwórz parametry elektryczne w panelu struktury urządzenia. Ten edytor kontroluje właściwości rezystora i diody, które są wykorzystywane w modelu obwodu o dużej powierzchni. Przykładowe ustawienia znajdują się w ?? i ??. W przypadku warstwy PM6:Y6 zobaczysz parametry specyficzne dla elementu diodowego, w tym współczynnik idealności n oraz prąd wsteczny (nasycenia) I0. Jeśli zastąpisz te wartości wartościami z własnych krzywych eksperymentalnych, zobaczysz, jak zmienią się właściwości twojego urządzenia. Możesz również włączyć generowanie nośników ładunku za pomocą światła. Po włączeniu generowania optycznego, solver optyczny oparty na macierzy transferu dostarcza składnik fotogeneracji, który jest wprowadzany do modelu elektrycznego jako fotoprąd Iph w równaniu diody oświetlanej:

I(V) = I₀ [exp(qV / (n k T)) − 1] − I_ph

W tym samouczku przełącznik skutecznie kontroluje parametr Iph. Gdy generacja optyczna jest wyłączona, obwód działa jak sieć diod w stanie wyłączenia. Po włączeniu generacji optycznej, światło wprowadza prąd do obwodu przez element diodowy, a wartość Iph jest określana przez strumień pochłoniętych fotonów z układu optycznego opartego na macierzy transferowej.