Програмне забезпечення для моделювання сонячних елементів, що використовуються в органічних фотоелектричних перетворювачах і тонкоплівкових фотоелектричних пристроях.
1. Вступ
OghmaNano — це універсальна програмна платформа для моделювання сонячних елементів, яка використовується для створення моделей тонкоплівкових фотоелектричних пристроїв, зокрема органічних фотоелектричних пристроїв (OPV), перовськитних сонячних елементів та пов’язаних з ними структур, таких як кремнієві p-n переходи. Вона поєднує оптичне моделювання з моделюванням переносу за допомогою механізмів дрейфу та дифузії та фізикою пасткових станів, щоб забезпечити фізично реалістичний опис поведінки пристрою, використовуючи передові методи характеристики, такі як аналіз Sun–Voc, для діагностики механізмів рекомбінації.
Для невпорядкованих напівпровідників, таких як органічні фотоелектричні перетворювачі, симулятор узгоджено розв’язує задачі, що описують оптика тонких плівок, транспорт за допомогою механізмів дрейфу та дифузії та нерівноважне захоплення носіїв заряду, враховуючи, як локалізовані стани впливають на транспорт заряду, рекомбінацію та електростатику.
Цей узгоджений підхід дає змогу дослідити поглинання, відбиття, транспорт заряду, захоплення, рекомбінацію, енергетику та контакти в межах єдиної моделі. Замість простого підбору еквівалентної схеми або відтворення кривої залежності струму від напруги, OghmaNano дозволяє зрозуміти, чому пристрій працює саме так, і які фізичні процеси обмежують його продуктивність. Основний інтерфейс показано на рисунок ??, а редактор шарів на рисунок ?? використовується для визначення структури, матеріалів і товщини шарів.
Ця ж структура використовується для моделювання усталених, перехідних процесів і процесів у частотній області, зокрема для моделювання характеристик фотоелементів, термофотоелементів, елементів із контрольованим шаром, спектроскопії імпедансу, IMPS та IMVS. Профілі оптичної генерації можна обчислити безпосередньо на основі багатошарової тонкоплівкової оптики, як показано в рисунок ??, а отримані електричні характеристики можна проаналізувати за допомогою таких параметрів, як крива фотоелемента, зображена на рисунок ??.
Хоча на цій сторінці основна увага приділяється органічним фотоелектричним перетворювачам, той самий алгоритм розв’язання задач застосовується до перовськитних сонячних елементів, аморфних кремнієвих структур і великогабаритних пристроїв, зокрема до моделей на рівні схем для вивчення просторової неоднорідності та масштабування від окремих елементів до модулів.
2. Що ви можете робити за допомогою OghmaNano.
- Створіть реалістичні багатошарові структури пристроїв: визначте матеріали для донора, акцептора, шару для транспортування, міжшарового шару та електрода, враховуючи їхні властивості, що змінюються в просторі.
- Моделювання взаємодії оптики та транспорту: поєднання обчислень оптичних властивостей тонких плівок із повною електричною симуляцією пристрою.
- Включіть фізику, що враховує обмеження, пов’язані з наявністю пасток: проаналізуйте, як локалізовані стани, уловлювання та рекомбінація, що відбувається за участю пасток, впливають на характеристики пристрою.
- Візуалізуйте роботу внутрішніх компонентів пристрою: перевірте поля, концентрацію носіїв заряду, процеси рекомбінації, квазірівні Фермі та профілі генерації в одномірному, двомірному або тримірному просторі.
- Порівняйте безпосередньо з результатами експерименту: змоделюйте та проаналізуйте дані, отримані за допомогою методів вимірювання кривої струму-напруги (КСН), термофотовольтаїчного ефекту (ТФЕ), вимірювання характеристик світлодіода при постійному струмі (CELIV), імпедансної спектроскопії, імпедансної спектроскопії при зміні полярності (IMPS) та імпедансної спектроскопії при зміні частоти (IMVS).
- Зрозумійте механізми втрат: розрізняйте оптичні, транспортні, ефекти затримки та контактні ефекти, замість того щоб об’єднувати їх в емпіричні параметри для підгонки даних.
- Оптимізуйте процес віртуально: проведіть серію експериментів зі зміною параметрів і дослідіть різні варіанти конструкції пристрою до початку виробництва.
Спробуйте приклад OPV.
Почніть з короткого посібника з основ OPV, а потім перейдіть до вивчення оптики та поглинання, структури пристрою та активних шарів, імпедансної спектроскопії, IMPS, IMVS або моделювання великомасштабних PM6:Y6.
3. Основний модуль розв’язувача OPV.
Для моделювання пристроїв OPV та інших хаотичних сонячних елементів спочатку використовують стандартну модель. модель, що базується на принципах дифузії та переносу зарядуТут описано, як електричний заряд переміщується всередині пристрою під впливом електричних полів і градієнтів концентрації.
Електрони та дірки переміщуються відповідно до рівнянь дрейфу та дифузії.
$$ \mathbf{J}_n = \mu_n n \nabla E_c + q D_n \nabla n $$ $$ \mathbf{J}_p = \mu_p p \nabla E_v - q D_p \nabla p, $$разом із рівняннями нерозривності,
$$ \frac{\partial n}{\partial t} = \frac{1}{q}\nabla \cdot \mathbf{J}_n + G - R $$ $$ \frac{\partial p}{\partial t} = -\frac{1}{q}\nabla \cdot \mathbf{J}_p + G - R. $$Електростатичний потенціал визначається за допомогою рівняння Пуассона.
$$ \nabla \cdot \left( \varepsilon \nabla \phi \right) = -q \left( p - n + N_D^+ - N_A^- + \rho_{\mathrm{trap}} + \rho_{\mathrm{ion}} \right), $$яка пов’язує розподіл заряду з внутрішнім електричним полем.
Однак, у випадку органічних фотоелектричних пристроїв та інших аморфних напівпровідників, описана вище картина є неповною. У цих матеріалах значна частина заряду зосереджується в локалізованих станах, і рекомбінація часто відбувається саме через ці стани, а не безпосередньо між вільними носіями заряду.
Щоб описати це, OghmaNano містить дані про конкретні концентрації пасток і розв’язує нерівноважну форму рекомбінації Шоклі–Ріда–Холла (SRH). Фізична модель показана на рисунку ??: електрони та дірки захоплюються в пасткові стани і згодом можуть знову вивільнятися. Рекомбінація відбувається, коли носії протилежного типу зустрічаються в цьому пастковому шарі, забезпечуючи непрямий шлях між зонами.
Для опису рекомбінації в невпорядкованих матеріалах, таких як органічні фотоелектричні перетворювачі, OghmaNano не використовує стандартне рівняння SRH. Натомість, він починає з базової динаміки станів пасток, показаної в Рисунок ??. Електрони та дірки безперервно захоплюються та випромінюються з розподілу локалізованих станів, утворюючи мережу переходів між вільними та захопленими популяціями.
Для заданої енергії пастки, заповненість змінюється відповідно до
$$ \frac{dn_t}{dt} = r_{ec} - r_{ee} - r_{hc} + r_{he}, $$де \(r_{ec}\) і \(r_{hc}\) – швидкості захоплення електронів і дірок у пасткову зону, а \(r_{ee}\) і \(r_{he}\) – відповідні процеси випромінювання. Рекомбінація відбувається, коли носії з протилежними зарядами зустрічаються в цих пасткових станах.
Таким чином, загальна рекомбінація, опосередкована пастками, визначається шляхом підсумовування всіх таких переходів по всій ширині спектру енергетичних станів.
$$ R_{\mathrm{trap}} = \sum_i R_i \;\;\;\; \text{with} \;\;\;\; R_i \sim r_{ec,i} \cdot p_{t,i} \;\; \text{or} \;\; r_{hc,i} \cdot n_{t,i}, $$де кожен внесок \(R_i\) відповідає рекомбінації в певній області розподілу пасток. Якщо припустити стаціонарні умови та єдиний ефективний рівень пасток, то це повне описання зводиться до добре відомого рівняння Шоклі–Ріда–Холла.
$$ R_{\mathrm{trap}} \sim \frac{np - n_i^2}{\tau_p (n + n_t) + \tau_n (p + p_t)}, $$але ця спрощена форма не відображає динамічну еволюцію заповненості пасток і не відстежує явно накопичений заряд у пастках. У невпорядкованих напівпровідниках цей захоплений заряд безпосередньо впливає на електростатику через рівняння Пуассона, змінюючи внутрішнє поле та кривизну зон. З цієї причини OghmaNano розв’язує повну динамічну систему пасток, а не спирається виключно на аналітичне наближення SRH.
Завдяки самоузгодженому розв’язанню цих процесів, обчислювальна програма для органічних фотоелектричних перетворювачів не просто прогнозує характеристики пристрою, а й пояснює причини їхньої зміни. Наприклад, зменшення коефіцієнта заповнення може бути спричинене накопиченням заряду в пастках, дисбалансом рухливості або бар’єрами контакту, тоді як втрати струму можуть виникати через обмеження оптичного поглинання або неефективну екстракцію.
