Електричні параметри органічних фотоелементів: рухливість носіїв заряду, рекомбінація та добуток μτ.

У цьому розділі пояснюється, як електричні параметри органічних фотоелектричних перетворювачів (OPV) впливають на транспорт заряду та рекомбінацію в моделюванні органічних сонячних елементів. Рухливість носіїв заряду, бімолекулярна рекомбінація, пастки типу SRH, час життя носіїв заряду та добуток μτ визначають, наскільки ефективно фотогенерувані заряди вилучаються до того, як відбувається їх рекомбінація.

1. Редактор електричних параметрів OPV.

Ви можете отримати доступ до редактора електричних параметрів, натиснувши кнопку «Електричні параметри» в головному інтерфейсі (див. ??). Після відкриття редактор дозволяє налаштовувати рухливість носіїв заряду, константи рекомбінації, моделі пасток та інші процеси, пов’язані з активними шарами. Це вікно показано на ??. У ньому відображатимуться всі шари, які встановлено як активні в редакторі шарів.

Панель інструментів у верхній частині екрана дозволяє вмикати або вимикати певні фізичні механізми: натискання кнопки активує механізм.

• Дрейф–дифузія: зазвичай увімкнено для будь-якого активного шару.
• Рекомбінація за допомогою дефектів: рідко використовується в органічних фотоелектричних пристроях, але доступна для дослідження (??).
• Динамічні пастки Шоклі–Ріда–Холла (ШРХ) і рівноважні пастки ШРХ: використовуються для опису рекомбінації через проміжні стани. За замовчуванням вони активні в органічних моделюваннях (??).
• Екситони (дифузія) та екситони (синглет/триплет): використовуються для опису збуджених станів. Ці поняття будуть розглянуті пізніше (??).

2. Пастки для центрів SRH і бімолекулярна рекомбінація

У більшості органічних симуляцій динамічні пастки Шоклі–Ріда–Холла (SRH) за замовчуванням увімкнені, оскільки рекомбінація, опосередкована цими пастками, є поширеною в невпорядкованих матеріалах і часто домінує в процесі рекомбінації. Однак, для цього вступного прикладу SRH додає зайву складність, тому ми тимчасово вимкнемо його.

Щоб вимкнути функцію SRH, один раз натисніть на панелі інструментів кнопку «Динамічні пастки SRH». Відповідні поля SRH зникнуть із редактора електричних параметрів (див. ??). Ви можете будь-коли знову ввімкнути функцію SRH, повторно натиснувши на цю кнопку.

Необхідно, щоб існував механізм рекомбінації, інакше електрони та дірки існували б нескінченно довго, тому в цьому випадку ми використовуватимемо бімолекулярну рекомбінацію. У редакторі електричних параметрів встановіть константу швидкості рекомбінації nfree → pfree на рівні 1 × 10−15 м3·с−1. Ця проста модель описує рекомбінацію одного вільного електрона з однією вільною діркою. Хоча це не ідеальний опис для органічних напівпровідників, він достатній для цілей цього прикладу. Бімолекулярна швидкість рекомбінації (між вільними носіями заряду) визначається наступним чином:

R(x) = k · n(x) · p(x)

де R(x) — швидкість рекомбінації, k — бімолекулярна константа рекомбінації, а n(x) і p(x) — локальні концентрації електронів і дірок.

3. Рухливість, рекомбінація, час життя та добуток μτ.

Два найважливіші параметри, що впливають на продуктивність пристрою, – це рухливість носіїв заряду (μ) і константа рекомбінації вільних носіїв (k). У OghmaNano ці параметри встановлюються в редакторі електричних параметрів: поля «Рухливість електронів» і «Рухливість дірок» регулюють значення μ, а поле «Константа швидкості рекомбінації nfree → pfree» визначає значення k (див. ??).

Рухливість визначає, з якою швидкістю носії заряду переміщуються всередині пристрою: вища рухливість (μ) означає, що носії швидше досягають контактів, що зменшує ймовірність рекомбінації. Рекомбінація між вільними носіями (зустріч електрона та дірки) визначає час життя носіїв (τ). Велика константа рекомбінації (k) означає, що носії швидко рекомбінують, що призводить до короткого часу життя (τ), тоді як мала k означає, що носії існують довше. У спрощеному вигляді час життя можна пов’язати з концентрацією носіїв і константою рекомбінації наступним чином:

τ ≈ 1 / (k · n)

де n – концентрація носіїв заряду. Це показує, що вищі константи рекомбінації або вища концентрація носіїв заряду призводять до меншого часу життя, тоді як менші значення збільшують τ і покращують ймовірність вилучення носіїв заряду.

Разом, рухливість і час життя утворюють добуток μτ (μ·τ), який показує, яку відстань може подолати носій заряду, перш ніж відбудеться рекомбінація. Більше значення μτ збільшує ймовірність того, що фотогенерований носій досягне контактів і сприятиме утворенню корисного струму. На практиці μτ є зручним показником для оцінки «якості» транспортно-рекомбінаційних процесів у сонячній батареї: пристрої/матеріальні структури з вищим значенням μτ, як правило, краще працюють з товстішими активними шарами та демонструють покращену здатність до збору носіїв заряду (що часто відображається у вищих значеннях JSC і FF). Це не є повним описом – оптичне поглинання, енергетичні зміщення та селективність контактів також мають значення, але це дає змогу швидко порівняти якість пристроїв для різних матеріалів і умов обробки.

4. Як правильно підібрати електричні параметри органічних фотоелектричних перетворювачів.

Для традиційних напівпровідників, таких як AlGaAs або InP, значення рухливості носіїв заряду, ширини забороненої зони та константи рекомбінації добре задокументовані в науковій літературі. Ці матеріали виробляються з надзвичайно високим ступенем чистоти (часто «дев’ять дев’яток», або 99,999999999%), що означає, що їхні фізичні властивості можна точно відтворити. Якщо у вас є пластина GaAs, ви майже точно знаєте, якою буде її рухливість або час життя, і ви можете просто знайти ці значення в довіднику (наприклад, у книзі Піпрека «Напівпровідникові оптоелектронні пристрої»).

Нові напівпровідникові матеріали, такі як органічні сполуки або перовськіти, значно відрізняються один від одного. Їх чистота зазвичай становить лише близько 99,9% у найкращому випадку, тобто на вісім порядків менша, ніж у традиційних напівпровідників III–V групи. Крім того, вони мають нерегулярну структуру: замість атомів, розташованих у впорядкованій кристалічній решітці, органічні сполуки утворюють хаотичну сукупність полімерів і молекул, а перовськіти часто утворюють гетерогенні домени. Оскільки їхня морфологія значною мірою залежить від умов виробництва, «однаковий» матеріал від одного й того ж постачальника може поводитися по-різному залежно від того, хто його наніс, де і як. Як наслідок, такі електричні параметри, як рухливість, концентрація пасток і константи рекомбінації, не можна просто знайти в довіднику: їх потрібно оцінювати, налаштовувати або підбирати на основі експериментальних даних.

Отже, що потрібно робити під час встановлення параметрів для нового пристрою? Практичні поради:

• Почніть із базових симуляцій: приклади файлів, наведені в OghmaNano, налаштовані для конкретних експериментальних пристроїв або використовують обґрунтовані значення, отримані з наукової літератури.
• Ознайомтеся з науковою літературою: знайдіть дослідження, присвячені подібним матеріалам, щоб визначити обґрунтовані діапазони параметрів (рухливості, час життя, концентрація пасток, константи рекомбінації).
• Порівняйте з експериментом: проведіть моделювання та перевірте, чи значення параметрів, що характеризують явище Джозефсона, близькі до значень, отриманих в експерименті. Якщо вони значно відрізняються, відрегулюйте параметри рухливості або константи рекомбінації.
• Адаптація до даних (розширений рівень): можливе безпосереднє визначення параметрів шляхом підгонки до експериментальних кривих струм-напруга (??), але це складне завдання, і не варто починати з нього.