Simulação de dispositivos semicondutores orgânicos: células fotovoltaicas orgânicas, díodos orgânicos emissores de luz e transístores de efeito de campo orgânicos.

1. Introdução aos semicondutores orgânicos

Os semicondutores orgânicos são materiais à base de carbono, formados a partir de polímeros e pequenas moléculas, em vez de estruturas cristalinas. Como resultado, assemelham-se a conjuntos moleculares desordenados, em vez de sólidos periódicos (ver ??). Isso confere-lhes propriedades interessantes, como a possibilidade de processamento a baixa temperatura e um custo de fabricação potencialmente baixo, mas também introduz um desordenamento estrutural e energético significativo. Ao contrário do silício ou dos semicondutores III–V, onde os portadores de carga se movem em bandas bem definidas (ver ??), o transporte de carga em materiais orgânicos ocorre através de uma ampla distribuição de estados localizados (ver ??).

A consequência para a física dos dispositivos é que o transporte não ocorre em bandas, mas é tipicamente limitado por armadilhas e ativado termicamente. Os portadores de carga saltam entre estados localizados, são repetidamente capturados e libertados por armadilhas e experimentam um cenário espacial e energeticamente desordenado. A densidade de estados não é, portanto, uma borda de banda nítida, mas uma distribuição, e a ocupação dessa distribuição evolui com a polarização, a iluminação e a posição dentro do dispositivo. A resposta corrente-tensão medida é, assim, uma assinatura combinada da mobilidade, do preenchimento das armadilhas, da recombinação, da redistribuição do campo elétrico interno e da injeção de corrente nos contactos.

No contexto da simulação, isto significa que os estados de armadilha e a desordem devem ser tratados de forma explícita. Considerar as armadilhas como uma pequena perturbação é geralmente incorreto: em muitos dispositivos orgânicos, elas são o fator físico dominante. Os modelos realistas devem, portanto, incluir tanto as distribuições de estados de armadilha quanto a recombinação de Shockley–Read–Hall (SRH), que, em conjunto, descrevem a captura, a emissão e a recombinação de portadores através de estados localizados. Estes processos controlam o tempo de vida dos portadores, os caminhos de recombinação e, em última análise, a eficiência do dispositivo.

3. Tutoriais sobre dispositivos orgânicos

Estes tutoriais apresentam as principais classes de dispositivos orgânicos suportadas pelo OghmaNano. O tutorial sobre OPV é o ponto de partida recomendado, pois demonstra toda a cadeia de modelagem do dispositivo: absorção ótica, geração de carga, transporte por deriva e difusão, recombinação e extração. Uma vez que este fluxo de trabalho seja compreendido, o mesmo modelo físico pode ser aplicado a OLEDs, OFETs e outras estruturas semicondutoras desordenadas mais especializadas.

• Simulação de células solares orgânicas (OPV) — crie uma simulação completa de fotovoltaicos orgânicos, calcule uma curva corrente-tensão (JV) e interprete \(J_{SC}\), \(V_{OC}\), o fator de preenchimento e a eficiência em termos de geração, recombinação, mobilidade, armadilhas e extração de contato.
• Simulação de transístores orgânicos de efeito de campo (OFET) — modelo do funcionamento de transístores orgânicos, no qual a eletrostática, a acumulação induzida pela porta, a injeção de carga nos contactos, a mobilidade e o transporte controlado pela desordem determinam o sinal de saída medido.
• Simulação de dispositivos OLED — óptica coerente de filmes finos — simule os campos óticos de OLED utilizando a óptica coerente de filmes finos, na qual a interferência, a espessura da camada e o contraste do índice de refração controlam o ambiente ótico no interior do dispositivo.
• Simulação de dispositivos OLED — ótica 3D incoerente — explore a extração de luz de OLED e a propagação ótica utilizando métodos de rastreamento de raios adequados para estruturas óticas mais espessas, texturizadas ou com geometrias complexas.

4. Física dos dispositivos de células solares orgânicas

As células solares orgânicas são influenciadas pela interação entre a desordem, a morfologia e a recombinação. Assim, uma simulação de alta qualidade de células fotovoltaicas orgânicas (OPV) deve ir além da simples adaptação de uma curva de corrente-tensão (JV). É necessário analisar como os portadores de carga são gerados, como se movem através de uma distribuição de estados desordenada, como as armadilhas se preenchem sob tensão e como a recombinação varia com a densidade de portadores, o campo elétrico e a posição espacial.

• Exemplo de corrente limitada por efeito de carga espacial (SCLC). — estudar a injeção de carga, a formação de camadas de carga espacial e o fluxo de corrente limitado por armadilhas. As simulações de SCLC são importantes porque a mobilidade aparente obtida a partir de experimentos contém frequentemente contribuições provenientes dos contactos, das armadilhas, da desordem energética e da redistribuição do campo elétrico.
• Simulação de dispositivos OPV de grande área — passar de células de pequena área idealizadas para dispositivos maiores, onde a resistência de folha, o fluxo de corrente lateral, os contactos e as perdas de escala passam a fazer parte da física do dispositivo.
• Simulação de morfologias de heterojunções em massa com cortes elétricos bidimensionais — análise de como a separação de fases em nanoescala, os caminhos de percolação e a geometria doador-aceitador influenciam a extração, a recombinação e o acúmulo local de portadores em células solares BHJ.

5. Estados excitados e física dos éxcitons

Em dispositivos optoeletrónicos orgânicos, a absorção de luz geralmente cria éxcitons ligados, em vez de produzir imediatamente portadores de carga livres. Esta é uma das principais diferenças entre a modelagem de dispositivos semicondutores orgânicos e inorgânicos convencionais. A simulação deve, portanto, incluir não apenas os locais onde os fotões são absorvidos, mas também os locais onde os éxcitons se difundem, onde se dissociam e onde se perdem antes de produzirem uma carga útil.

Isto é particularmente importante em heterojunções em massa, onde as dimensões relevantes são frequentemente comparáveis às distâncias de difusão dos excitões. A morfologia não é, portanto, um mero detalhe estrutural estético: ela determina se a luz absorvida se transforma em carga extraída, perda por recombinação geminada, recombinação não geminada ou calor.

• Dinâmica dos excitões em dispositivos OPV — simular a geração, a difusão, a dissociação e a perda de excitões em dispositivos fotovoltaicos orgânicos, e estabelecer a ligação entre a absorção ótica e a geração de portadores de carga livres.
• Transporte de éxcitons em domínios BHJ — analisar o movimento dos éxcitons em domínios doador-aceitador com estrutura espacial, onde o tamanho do domínio, a área da interface e o comprimento de difusão controlam a geração de carga.

6. Simulações no domínio da frequência: IS, IMPS e IMVS.

As medições no domínio da frequência são eficazes porque investigam as constantes de tempo internas de um dispositivo, em vez de apenas o seu estado de equilíbrio. Em semicondutores orgânicos desordenados, essas constantes de tempo raramente são simples. Podem resultar de atraso no transporte, captura e libertação de cargas, capacitância química, efeitos de contacto, cinética de recombinação, movimento iónico ou extração dependente da morfologia.

As simulações no domínio da frequência da OghmaNano permitem estudar esses efeitos a partir do mesmo modelo físico utilizado para o dispositivo em estado estacionário. Isto é importante: as técnicas IS, IMPS e IMVS são mais úteis quando não são tratadas como exercícios separados de ajuste de circuitos equivalentes, mas como ferramentas dinâmicas para analisar os mesmos fenómenos de deriva-difusão, captura e recombinação que controlam a curva JV.

• Espectroscopia de impedância (EI) — analisa a resposta elétrica em pequenas amplitudes de sinal, a capacitância, a resistência de transporte e a recombinação dependente da frequência em dispositivos orgânicos simulados.
• Espectroscopia de Fotocorrente com Modulação de Intensidade (IMPS) — estudo da resposta da fotocorrente sob iluminação modulada, relacionando a dinâmica de extração com o transporte e a recombinação de portadores de carga.
• Espectroscopia de Voltagem com Modulação de Intensidade (IMVS) — estudo da resposta da voltagem sob iluminação modulada, frequentemente utilizada para analisar os tempos de vida da recombinação, o armazenamento de carga e a dinâmica do nível de quasi-Fermi.

7. Modelagem térmica orgânica

A temperatura não é um parâmetro secundário em semicondutores orgânicos desordenados. Uma vez que os processos de salto, aprisionamento, libertação, recombinação e mobilidade são frequentemente ativados termicamente, mesmo um ligeiro aquecimento interno pode alterar o comportamento aparente de transporte e recombinação de um dispositivo. Em dispositivos com alta densidade de corrente, módulos de grande área e estruturas com dissipação de calor deficiente, o acoplamento eletro-térmico pode, portanto, afetar tanto o desempenho como a interpretação dos resultados.

• Simulação eletrotérmica: tutorial sobre autoaquecimento — modelo que simula a geração de calor, a transferência térmica e o comportamento dos dispositivos em função da temperatura em estruturas de semicondutores orgânicos.

8. Princípios físicos subjacentes

Os tutoriais apresentados acima são baseados no modelo de transporte e simulação ótica da OghmaNano. No caso de semicondutores amorfos, o ponto crucial é que a densidade de portadores, a mobilidade e a recombinação não são parâmetros independentes. Estão interligados através da densidade de estados, da ocupação de armadilhas e do potencial eletrostático interno. Uma alteração na iluminação, na polarização ou nas condições de contorno afeta o preenchimento das armadilhas; o preenchimento das armadilhas altera a população de portadores livres; a população de portadores livres altera a recombinação e a condutividade; e a redistribuição do campo resultante afeta a extração.

É por isso que a OghmaNano integra a física dos estados de armadilha, a recombinação SRH, a captura em condições de não equilíbrio, a geração ótica e o transporte por deriva e difusão no mesmo ambiente de modelagem. No caso dos semicondutores orgânicos, separar estes efeitos de forma demasiado acentuada produz, muitas vezes, simulações que são fáceis de ajustar, mas que são fisicamente enganosas.

• Teoria da modelagem por deriva e difusão — o modelo de transporte elétrico utilizado para resolver as equações de continuidade dos portadores de carga, o fluxo de corrente e o acoplamento eletrostático em simulações de dispositivos.
• A necessidade de estados de armadilha em modelos de dispositivos orgânicos — por que os estados de armadilha distribuídos e a desordem energética são essenciais para a modelagem de semicondutores orgânicos e outros semicondutores com estrutura desordenada.
• Recombinação de Shockley–Read–Hall — análise teórica da recombinação assistida por armadilhas e a base física da perda de portadores mediada por armadilhas.
• Captura e recombinação de portadores em estados de não equilíbrio segundo o modelo SRH — tratamento numérico da captura, emissão e recombinação em distribuições de armadilhas resolvidas em energia, onde as hipóteses de equilíbrio não são suficientes.
• Mobilidade dos portadores de carga — modelos de mobilidade, pressupostos sobre o transporte e a interpretação da mobilidade em dispositivos semicondutores desordenados.

9. Por onde devemos começar?

Se é novo no OghmaNano, comece pelo tutorial do OPV. Este tutorial apresenta a forma mais rápida de realizar uma simulação completa de um dispositivo semicondutor orgânico: defina a estrutura em camadas, execute o modelo, analise a curva de corrente-tensão e relacione o resultado com grandezas físicas, como geração, extração, recombinação e perda de tensão.

Se já compreende o fluxo de trabalho básico, avance diretamente para os tutoriais de física. Utilize o SCLC para compreender o transporte limitado por injeção e por armadilhas, os tutoriais sobre excitões para entender a conversão da luz absorvida em portadores livres, os tutoriais sobre BHJ para estudar a morfologia e o IS/IMPS/IMVS para relacionar o mesmo modelo físico com a caracterização experimental dinâmica.