Моделювання великомасштабних органічних сонячних елементів (PM6:Y6): від тривимірних контактних мереж до освітлених пристроїв.
1. Вступ
У цьому навчальному посібнику ми продовжуємо серію матеріалів про моделювання пристроїв великої площі, зосереджуючись на пристроях, які вийшли за межі невеликих лабораторних зразків і використовуються в прикладних системах. Він поєднує два існуючі робочі процеси, описані в посібнику: проєктування контактів великої площі (без активних елементів) і складні тривимірні перовськитні модулі. Цей приклад поєднує ці два процеси, вводячи діоди та поглинання світла в попередньо розроблену структуру контактів, але не доводячи до створення повністю взаємопов’язаного модуля.
Тут ми моделюємо одну велику органічну сонячну батарею, що працює за принципом PM6:Y6, з нанесеними гексагональними металевими контактами. Мета полягає в тому, щоб зрозуміти, як пристрій, який добре працює на невеликій площі, поводиться при збільшенні розмірів, коли бічний потік струму, падіння напруги та контактний опір починають відігравати домінуючу роль. Хоча в цьому навчальному посібнику використовуються матеріали OPV, запропонований алгоритм є загальним: замінивши оптичні дані n/k і відрегулювавши значення компонентів, можна використати ту саму модель для представлення вашого дослідницького пристрою.
Щоб застосувати цей алгоритм до власного пристрою, вам потрібно надати два набори вхідних даних: питомий опір шарів (зазвичай береться з наукової літератури або простих тестових структур) і невелику кількість параметрів діода, таких як коефіцієнт ідеальності, фотострум і струм насичення. Після встановлення цих параметрів модель дозволяє віртуально збільшити масштаб лабораторного пристрою та визначити, які механізми втрат обмежать його ефективність при переході до великогабаритних, реальних конструкцій.
У цьому випадку ми не використовуємо повноцінний тривимірний розв’язувач рівнянь переносу-дифузії, хоча OghmaNano такий розв’язувач надає. Для пристроїв великої площі повноцінне тривимірне моделювання переносу-дифузії швидко стає обчислювально непрактичним і часто є зайвим, оскільки основні обмеження виникають через бічний транспорт і контактний опір, а не через рух носіїв заряду в кожному шарі. Натомість OghmaNano створює тривимірну модель схеми, яка враховує геометрію, де бічний транспорт і контакти представлені резистивними елементами, а фотоелектричні характеристики моделюються за допомогою вбудованих діодів.
У той час як проблему з електрикою вирішують за допомогою моделі електричної схеми, оптичні явища розглядаються ретельно. Фотогенерація обчислюється за допомогою оптичного розв’язувача на основі матриці передачі, який застосовується до одновимірних зрізів у тривимірній геометрії, зберігаючи при цьому ефекти інтерференції та поглинання у тонких плівках, тоді як розв’язувач електричної схеми забезпечує збір струму на великій площі.
2. Створіть модель.
У головному вікні натисніть «Нова симуляція». З’явиться список категорій симуляцій (див. ??). Потім двічі клацніть на «Сонячна батарея великої площі PM6:Y6» (див. ??).
Після створення моделювання відкривається головне вікно, в якому відображається геометрія пристрою у трьох вимірах (див. ??). Верхній контакт являє собою гексагональну (стільникову) металеву сітку, позначену як Ag. Цей шар срібла виконує функцію високопровідної сітки для збору струму. Оскільки він реалізований у вигляді сітки, більша частина поверхні залишається відкритою, що дозволяє світлу проходити крізь контакт. Під срібною сіткою розташований PEDOT:PSS, який слугує шаром для поперечного розподілу струму. Як і в навчальному посібнику щодо великої площі контакту, спочатку заряд збирається в полімерному шарі, а потім передається в срібну сітку з низьким опором для ефективного вилучення.
Фотоактивний шар складається з матеріалів PM6:Y6. З електротехнічної точки зору, цей шар представлений діодною структурою з увімкненою оптичною генерацією, а додаткові резистивні компоненти забезпечують врахування кінцевої провідності в розрахунках. Внизу всієї конструкції розташований безперервний срібний контакт, який охоплює всю площу пристрою та завершує електричне з’єднання.
Зелена смуга, яку видно в основному вікні, може здаватися плаваючою, але насправді це просто візуальний індикатор межі області, з якої відбувається вилучення даних. Вона позначає область, до якої застосовується розв’язувач для створення електричного контакту, який використовується для вилучення струму з електричної схеми.
3. Перевірте структуру епітаксійного шару та контактів.
Ця симуляція (і попередній приклад великої площі контакту) визначається за допомогою багатошарової епітаксіальної структури. Пристрій створюється як стек тонких плівкових шарів за допомогою редактора шарів, що забезпечує чітке розташування кожного шару над наступним, без проміжків і з послідовним контролем товщини. Цей підхід добре підходить для планарних пристроїв великої площі, де вертикальний стек є фіксованим, а бічна поведінка реалізується за допомогою схеми моделі. Він відрізняється від пізніших симуляцій у вигляді модулів (див. навчальний посібник з взаємопов’язаних модулів), де пальці, шини та складніші схеми визначаються явно за допомогою повної 3D-геометрії.
Щоб перевірити структуру, відкрийте редактор шарів, щоб переглянути стек шарів (див. ??), а потім відкрийте панель контактів у редакторі структури пристрою (див. ??). З геометричної точки зору, конфігурація проста, але важлива: нижній контакт охоплює всю площу пристрою, тоді як верхній контакт значно менший і визначає область, з якої відводиться струм, що відповідає зеленому маркеру відведення струму, показаному на тривимірному зображенні. Розуміння цієї геометрії контактів є важливим, оскільки вона визначає бічні шляхи проходження струму, які домінують у роботі пристроїв великої площі.
4. Перевірка сітки.
Перейдіть на вкладку «Схема електричного кола» та натисніть на значок оновлення в лівому нижньому куті (кнопка у вигляді символу переробки). Ця дія створює схематичне зображення електричного кола пристрою безпосередньо на основі заданої геометрії та структури шарів. Отриману схему електричного кола відображено на ??. Кожен елемент схеми відповідає окремому компоненту кола, такому як резистор або діод, а колір вказує на шар або матеріал, з якого він походить.
Обертаючи зображення, можна чітко визначити верхню та нижню контактні зони. На схемах ?? і ?? синіми крапками позначено вузли, з яких струм відводиться від сітки схеми. Ці вузли визначають граничні умови контакту та вказують на місця, з яких вирішувач схеми збирає струм від пристрою.
5. Електричні параметри та оптичне генерування.
Відкрийте параметри електричної схеми в панелі структури пристрою. Цей редактор керує властивостями резистора та діода, які використовуються у великій схемі. Приклади налаштувань наведено в ?? і ??. Для шару PM6:Y6 ви побачите параметри, специфічні для діодного елемента, зокрема ідеальний коефіцієнт n і зворотний струм (струм насичення) I0. Якщо ви заміните ці значення на значення, отримані з ваших власних експериментальних кривих, ви побачите, як зміниться характеристика вашого пристрою. Ви також можете ввімкнути оптичне генерування носіїв заряду. Коли ввімкнено оптичне генерування, оптичний розв’язувач на основі матриці передачі надає член фотогенерування, який включається в електричну модель як фотострум Iph у рівнянні для діода, що освітлюється:
I(V) = I0 [exp(qV / (n k T)) − 1] − Iph
У цьому посібнику перемикач ефективно контролює параметр Iph. Коли оптичне генерування вимкнено, схема функціонує як мережа темних діодів. Коли його ввімкнено, освітлення вводить струм у схему через діодний елемент, причому значення Iph визначається поглиненим потоком фотонів від оптики, що використовує матричний метод передачі.
💡 Деталі реалізації: активний шар може бути розділений на кілька резистивних елементів по всій його товщині, щоб врахувати об’ємний транспорт і послідовний опір. Однак, схема завжди містить один діодный шар, який зазвичай розміщується в нижній частині активної області. Це відображає той факт, що діод представляє загальну характеристику залежності струму від напруги (JV) і фотогенерацію пристрою, тоді як резистивні елементи враховують падіння напруги та розподіл струму всередині матеріалу.
6. Запуск моделювання.
Щоб запустити моделювання, натисніть кнопку «Запустити моделювання» (синій трикутник на головній панелі інструментів) або натисніть клавішу F9. Програма-розв’язувач негайно почне виконувати обчислення, а вікно виводу інформації оновлюватиметься в режимі реального часу (див. ??).
Кольорові лінії, які з’являються на початковому етапі обчислення, відповідають оптичним розрахункам. На цьому етапі розв’язувач, що використовує метод передавальної матриці, оцінює фотогенерацію в усьому пристрої, пошарово, щоб створити просторово розв’язаний профіль генерації. Після завершення цього етапу розв’язувач переходить до розв’язання електричної задачі та починає обчислення електричної схеми.
Варто звертати увагу на дані, що відображаються в терміналі під час виконання моделювання. Ця інформація не є просто шумом, а надає корисні відомості про те, чи відповідає модель фізичним законам. На знімку екрана, який показано, ми бачимо, що приблизно −9,48 × 102 А·м−2 витікає з одного контакту, а −9,48 × 101 А·м−2 – з іншого. Водночас, значення залишку розв’язувача F = 1,7 × 10−14, яке вказано, свідчить про те, що умова неперервності струму виконана з надзвичайно високою точністю, причому обчислення першої точки характеристики «струм-напруга» (JV) зайняло близько 17 мс.
Різниця в щільності струму між двома контактами є цілком очікуваною. Нижній контакт охоплює всю площу пристрою, тоді як верхній контакт займає лише невелику область. Як наслідок, той самий загальний струм відводиться через значно меншу площу у верхньому контакті, що призводить до значно вищої щільності струму в цій області. Аналіз результатів моделювання таким чином дозволяє швидко та ефективно перевірити, чи є геометрія моделювання та граничні умови фізично узгодженими. Якщо залишкова похибка збільшиться до величини, близької до одиниці, або якщо час обчислення стане незвично великим, це зазвичай вказує на проблему, наприклад, на пошкоджену сітку або від’єднаний контакт. Після завершення моделювання відкрийте вкладку «Результати» (див. ??). Доступні результати описані більш детально в попередній посібник і детальніше розглядаються в наступний посібник. Тут ми зосереджуємося лише на кривих залежності струму від напруги для кожного контакту.
Кожен електричний контакт має свій власний файл JV, наприклад, jv_contact0.csv і jv_contact1.csv, в якому фіксується сила струму, що витікає з конкретного контакту. Хоча значення щільності струму відрізняються, загальна сила струму, що відводиться, залишається незмінною, якщо враховувати площу контактів. Відкриття файлу jv_contact0.csv відображає криву JV, показану нижче.
7. Редагування параметрів матеріалу.
Властивості матеріалів можна змінювати безпосередньо за допомогою редактора об’єктів. Щоб відкрити редактор об’єктів, клацніть правою кнопкою миші на будь-якому шарі у тривимірному вікні та виберіть «Редагувати об’єкт» (див. ?? і ??).
Звідси ви можете змінити оптичний матеріал, призначений для об’єкта, модифікувати його геометричну форму (наприклад, під час використання текстурованих лінз, таких як стільникові структури), або налаштувати візуальні атрибути, такі як колір. У цьому типі епітаксіальної симуляції абсолютне положення об’єкта значною мірою визначається шаровою структурою, тому такі параметри, як зсув і обертання, зазвичай мають незначний вплив. Найбільше значення мають призначення оптичного матеріалу та геометрія об’єкта.
💡 Спробуйте таке: клацніть правою кнопкою миші на шарі PM6:Y6 і замініть його оптичний матеріал на перовськит. Потім повторно запустіть моделювання та спостерігайте, як змінюється крива залежності струму від напруги (крива JV). За бажанням, ви також можете оновити параметри діода, наприклад, коефіцієнт ідеальності, струм насичення та фотострум, використовуючи значення, наведені в наукових публікаціях про перовськити.
📘 Поверніться до розділу вступ до органічної електроніки, щоб отримати більш загальне уявлення про цю тему.