Struktura urządzenia OPV: edycja warstw, warstwy aktywne i grubość.

Zanim przystąpisz do rozwiązywania tej części, upewnij się, że ukończyłeś część A i część B.

1. Modyfikacja struktury urządzenia OPV.

Organiczne ogniwa słoneczne to urządzenia wielowarstwowe, a struktura ogniwa OPV ma istotny wpływ na absorpcję światła, ekstrakcję ładunków i symulowane parametry. W OghmaNano do definiowania struktury ogniwa słonecznego, w tym grubości warstw, materiałów optycznych oraz tego, czy dana warstwa jest traktowana jako warstwa aktywna, kontaktowa, czy inna, używany jest edytor warstw. Edytor ten można otworzyć z głównego okna symulacji, w zakładce „Struktura urządzenia”, jak pokazano na ilustracji ??. Sam edytor warstw przedstawiono na ilustracji ??.

Okno edytora warstw wyświetla tabelę opisującą strukturę urządzenia. Każdy wiersz odpowiada jednej warstwie, a kolumny zawierają informacje o właściwościach, takich jak nazwa, materiał optyczny, typ i grubość, która określa fizyczną grubość warstwy. W tym przykładzie warstwa P3HT:PCBM jest warstwą aktywną – to ona absorbuje fotony i generuje nośniki ładunku (elektrony i dziury).

2. Grubość warstwy aktywnej a wydajność ogniw słonecznych OPV

Grubość warstwy aktywnej wynosząca około 50 nm jest uważana za niewielką w przypadku ogniw OPV, natomiast 400 nm to wartość stosunkowo duża. Grubsza warstwa absorbuje więcej światła, ale jednocześnie zwiększa odległość, jaką muszą przebyć fotogenerowane ładunki, aby dotrzeć do elektrod. Wraz ze wzrostem tej odległości, rośnie również prawdopodobieństwo spotkania się fotogenerowanego elektronu z fotogenerowanym dziurą (rekombinacja). To zmniejsza odsetek nośników, które można skutecznie wydobyć. W rezultacie, wydajność urządzenia nie poprawia się w nieskończoność wraz ze wzrostem absorpcji. Zatem zawsze istnieje kompromis między absorpcją całego światła poprzez zwiększenie grubości urządzenia, a unikaniem zbyt dużej grubości, aby nośniki miały dobre szanse na opuszczenie urządzenia. Ten kompromis jest zasadniczym elementem w projektowaniu ogniw OPV.

3. Pola edytora warstw

Edytor warstw zawiera następujące kolumny:

• Nazwa warstwy: zwykła nazwa tekstowa dla warstwy. Możesz nadać warstwom dowolne nazwy (np. ITO, PEDOT, Fred lub Bob); sama nazwa nie ma żadnego znaczenia fizycznego.
• Grubość: Grubość warstwy, podana w metrach.
• Materiał optyczny: określa zestaw danych n/k, który służy do opisu właściwości optycznych materiału. Wartości te pochodzą z danych eksperymentalnych przechowywanych w bazie danych optycznych (??) i są niezależne od właściwości elektrycznych, takich jak przerwa energetyczna.
• Typ warstwy: określa sposób, w jaki symulator traktuje daną warstwę:
  • aktywna: Warstwa, w której zachodzą procesy elektryczne, a solver rozwiązuje równania elektryczne (??). Można zdefiniować wiele aktywnych warstw, ale muszą one byćsię ze sobą stykać.
  • kontakt: warstwa zdefiniowana jako elektroda, do której przykładane jest napięcie. Szczegółowe informacje znajdują się w ??.
  • inne: Warstwa, która nie jest ani warstwą kontaktową, ani aktywną. Warstwy te traktowane są jako warstwy pasywne.

4. Które warstwy ogniwa fotowoltaicznego powinny być aktywne?

Powszechnym błędem przy definiowaniu struktury urządzenia jest założenie, że wszystkie warstwy muszą być ustawione jako aktywne, tylko dlatego, że każda warstwa przewodzi prąd. W rzeczywistości większość warstw transportowych lub kontaktowych przewodzi tylko jeden rodzaj nośników (elektrony lub dziury) i w efekcie zachowuje się jak rezystory. Na przykład, w standardowej ogniwie słonecznej P3HT:PCBM warstwa PEDOT:PSS przewodzi tylko dziury, natomiast kontakt Ca/Al przewodzi tylko elektrony. Rozwiązywanie pełnych równań dryfu i dyfuzji (dla obu rodzajów nośników) w takich warstwach nie ma sensu fizycznego.

W związku z tym aktywne warstwy powinny być ograniczone do obszarów, w których obecne są oba rodzaje nośników ładunku, oraz w których zachodzą procesy fotogeneracji, rekombinacji lub wychwytywania nośników. W przypadku ogniw słonecznych OPV oznacza to obszar heterospójnia (BHJ); w ogniwach słonecznych na bazie perowskitów – warstwę absorbującą perowskit. To w tych warstwach należy uwzględnić pełną fizykę działania urządzenia.

Istnieją jednak wyjątki. Na przykład, jeśli chcemy zbadać wpływ słabych lub blokujących kontaktów (co prowadzi do takich efektów, jak krzywe prądu i napięcia w kształcie litery S), lub jeśli w wielu warstwach faktycznie znajdują się oba rodzaje nośników ładunku (np. w diodach OLED), możemy określić dodatkowe warstwy jako aktywne. Ogólnie jednak należy dążyć do minimalizacji liczby aktywnych warstw. Dzięki temu symulacje są prostsze, bardziej efektywne, a podstawowe zasady fizyczne łatwiejsze do zrozumienia.