Конструкція пристрою OPV: редагування шарів, активні шари та їх товщина.

Перш ніж переходити до цієї частини, переконайтеся, що ви виконали завдання Частина A і Частина B.

1. Редагування конструкції пристрою OPV.

Органічні сонячні елементи — це багатошарові пристрої, і структура органічного фотоелектричного пристрою суттєво впливає на оптичне поглинання, вилучення заряду та змодельовані характеристики. У OghmaNano редактор шарів використовується для визначення структури сонячного елемента, включно з товщиною шару, оптичним матеріалом і тим, чи кожен шар розглядається як активний, контактний або інший. Цей редактор можна відкрити з головного вікна моделювання у вкладці «Структура пристрою», як показано на ??. Сам редактор шарів показано на ??.

Вікно редактора шарів відображає таблицю, яка описує структуру пристрою. Кожен рядок відповідає шару, а стовпці містять інформацію про такі властивості, як назва, оптичний матеріал, тип і товщина, що визначає фізичну товщину шару. У цьому прикладі шар P3HT:PCBM є активним шаром — частиною пристрою, яка поглинає фотони та генерує носії заряду (електрони та дірки).

2. Товщина активного шару та характеристики органічних фотоелектричних перетворювачів.

Товщина активного шару близько 50 нм вважається невеликою для органічної фотоелектричної комірки, тоді як 400 нм – відносно великою. Більш товстий шар поглинає більше світла, але також збільшує відстань, яку мають подолати фотогенерувані заряди, щоб досягти контактів. У міру збільшення цієї відстані зростає ймовірність зустрічі фотогенеруваного електрона з фотогенеруваною діркою (рекомбінація). Це зменшує частку носіїв заряду, які можна успішно витягти. Отже, продуктивність пристрою не покращується нескінченно зі збільшенням поглинання. Таким чином, завжди існує компроміс між поглинанням усього світла шляхом збільшення товщини пристрою та тим, щоб не робити пристрій надто товстим, щоб носії заряду мали достатньо можливостей покинути пристрій. Цей компроміс є центральним принципом у розробці органічних фотоелектричних комірок.

3. Поля редактора шарів

Редактор шарів містить такі стовпці:

• Назва шару: проста текстова назва для шару. Ви можете називати шари як завгодно (наприклад, ITO, PEDOT, Fred або Bob); сама по собі назва не має жодного фізичного значення.
• Товщина: товщина шару, вимірюється в метрах.
• Оптичний матеріал: визначає набір даних n/k, який використовується для опису оптичних властивостей матеріалу. Ці значення отримано з експериментальних даних, що зберігаються в оптичній базі даних (??), і не залежать від електричних властивостей, таких як ширина забороненої зони.
• Тип шару: визначає, як симулятор обробляє цей шар:
  • активна: електрично активний шар, у якому розв’язувач, що використовує методи дрейфу та дифузії, розв’язує електричні рівняння (??). Може бути кілька активних шарів, але вони повинні бути суміжними.
  • контакт: шар, який визначається як електрод, до якого подається напруга. Детальнішу інформацію див. у ??.
  • інше: будь-який шар, який не є ні контактним, ні активним. Такі шари розглядаються як пасивні.

4. Які шари органічної фотоелектричної комірки повинні бути активними?

Поширена помилка під час визначення структури пристрою полягає в тому, що роблять припущення, ніби всі шари мають бути активними лише тому, що кожен шар проводить струм. Насправді, більшість транспортних або контактних шарів проводять лише один тип носіїв заряду (або електрони, або дірки) і фактично поводяться як резистори. Наприклад, у стандартній сонячній батареї P3HT:PCBM шар PEDOT:PSS проводить лише дірки, тоді як контакт Ca/Al проводить лише електрони. Розв’язування повних рівнянь дрейфу-дифузії (для обох типів носіїв заряду) у таких шарах не має фізичного сенсу.

Отже, активні шари слід обмежувати областями, де присутні обидва типи носіїв заряду та де відбуваються фотогенерація, рекомбінація або захоплення носіїв. В органічних фотоелектричних перетворювачах (OPV) це означає використання об’ємного гетеропереходу (BHJ); у перовськитних сонячних елементах – використання перовськитного поглинача. Саме в цих шарах необхідно повністю розв’язати всі фізичні процеси, що відбуваються в пристрої.

Існують винятки. Наприклад, якщо ви хочете вивчити вплив поганого або перешкоджаючого контакту (що призводить до таких ефектів, як S-подібні криві залежності струму від напруги), або якщо кілька шарів дійсно містять обидва типи носіїв заряду (наприклад, в OLED), ви можете визначити додаткові шари як активні. Однак, як загальне правило, слід мінімізувати кількість активних шарів. Це спрощує моделювання, робить його ефективнішим, а також полегшує інтерпретацію основних фізичних процесів.