Tutorial de Célula Solar Orgânica (OPV) Parte C: Explorando a estrutura do dispositivo

Antes de tentar esta seção, certifique-se de que você tentou a Parte A e a Parte B

1. Editando camadas do dispositivo

Todas as células solares e a maioria dos dispositivos eletrônicos consistem em uma série de camadas. Em materiais inorgânicos, elas geralmente são depositadas uma após a outra por deposição a vácuo, e em orgânicos geralmente são depositadas por spin coating ou impressão. Dispositivos no OghmaNano consistem em uma série de camadas (isso às vezes é chamado de epitaxia - um termo que vem dos semicondutores inorgânicos). O Editor de camadas pode ser usado para editar essas camadas e pode ser acessado a partir da janela principal de simulação na aba Estrutura do dispositivo. Isso é visível à esquerda de ?? destacado em vermelho. O próprio Editor de camadas é mostrado em ??.

A janela do Editor de camadas exibe uma tabela que descreve a estrutura do dispositivo. Cada linha corresponde a uma camada, com colunas para propriedades como nome, material óptico, tipo, e Espessura, que define a espessura física da camada. Neste exemplo, a camada P3HT:PCBM é a camada ativa — a parte do dispositivo que absorve fótons e gera portadores de carga (elétrons e lacunas).

Uma espessura de camada ativa de cerca de 50 nm é considerada fina para um OPV, enquanto 400 nm é relativamente espessa. Uma camada mais espessa absorve mais luz, mas também aumenta a distância que as cargas fotogeradas devem percorrer para alcançar os contatos. À medida que a distância percorrida aumenta, também aumenta a probabilidade de um elétron fotogerado encontrar uma lacuna fotogerada (recombinação). Isso reduz a fração de portadores que pode ser extraída com sucesso. Consequentemente, o desempenho do dispositivo não melhora indefinidamente com o aumento da absorção. Assim, há sempre um compromisso entre absorver toda a luz tornando o dispositivo espesso, e não tornar o dispositivo espesso demais para que os portadores tenham uma boa chance de escapar do dispositivo. Esse compromisso é um princípio central no projeto de OPVs.

3. Mais sobre o editor de camadas

O Editor de camadas tem as seguintes colunas:

• Nome da camada: Um nome em texto simples para a camada. Você pode chamar as camadas como quiser (por exemplo, ITO, PEDOT, Fred, ou Bob); o nome em si não tem significado físico.
• Espessura: A espessura da camada, especificada em metros.
• Material óptico: Especifica o conjunto de dados n/k usado para descrever as propriedades ópticas do material. Esses valores vêm de dados experimentais armazenados no banco de dados óptico (??) e são independentes de propriedades elétricas como o gap de banda.
• Tipo de camada: Define como o simulador trata a camada:
  • ativa: Uma camada eletricamente ativa onde o solver de drift–diffusion resolve as equações elétricas (??). Você pode ter múltiplas camadas ativas, mas elas devem ser contíguas.
  • contato: Uma camada definida como eletrodo onde uma tensão é aplicada. Veja ?? para detalhes.
  • outra: Qualquer camada que não seja nem contato nem ativa. Elas são tratadas como camadas passivas.

4. Quais camadas devem ser ativas?

Um erro comum ao definir uma estrutura de dispositivo é supor que todas as camadas devem ser definidas como ativas simplesmente porque toda camada conduz corrente. Na realidade, a maioria das camadas de transporte ou de contato conduz apenas um tipo de portador (ou elétrons ou lacunas) e se comporta efetivamente como resistores. Por exemplo, em uma célula solar padrão de P3HT:PCBM, a camada PEDOT:PSS conduz apenas lacunas, enquanto o contato Ca/Al conduz apenas elétrons. Resolver as equações completas de drift–diffusion (para ambos os tipos de portador) em tais camadas não faz sentido físico.

Camadas ativas devem, portanto, ser restritas a regiões onde ambos os portadores estão presentes e onde ocorrem fotogeração, recombinação ou aprisionamento. Em OPVs, isso significa a heterojunção de volume (BHJ); em células solares de perovskita, o absorvedor de perovskita. Essas são as camadas nas quais a física completa do dispositivo deve ser resolvida.

Há exceções. Por exemplo, se você quiser estudar o impacto de contatos ruins ou bloqueadores (levando a efeitos como curvas JV em forma de S), ou se múltiplas camadas realmente hospedarem ambos os portadores (por exemplo, em OLEDs), você pode designar camadas adicionais como ativas. No entanto, como regra geral, mantenha o número de camadas ativas no mínimo. Isso mantém as simulações simples, eficientes, e a física subjacente mais fácil de interpretar.