使用二维切片模拟体异质结形貌

体异质结（BHJ）器件通常被建模为一维等效介质堆叠。这种方法速度快，并且对许多 OPV 应用非常有效。在本教程中，我们通过对三维 BHJ 形貌取 二维切片 并求解二维漂移–扩散问题，刻意保留部分横向结构。你将学习如何导入形貌、高效离散化、分配材料与迁移率，以及运行 JV 与场分布分析。

1）器件设置与有源层组成

创建或打开随附的 BHJ 形貌示例。在 图层编辑器 中设置三层：

• 顶电极（空穴或电子选择性，取决于约定）。
• 有源层，由两种相互贯穿的材料组成：
  • 聚合物（红色）：高空穴迁移率，低电子迁移率。
  • 互补相（浅蓝色基体）：高电子迁移率，低空穴迁移率。
• 底电极（“另一种”选择性电极）。

这种不对称性形成了有效的 BHJ：电子更倾向于在蓝色网络中传输，空穴更倾向于在红色网络中传输。带隙和界面能级可在后续细化；此处通过传输不对称性来演示基本概念。

2）加载形貌并生成网格

打开 数据库 选项卡 → 形状数据库，选择一种形貌（例如 形貌 1 表示精细结构，或 形貌 3 表示粗结构）。若导入外部图像或体数据：

• 使用 加载图像 并应用 阈值 滤波以获得二值相位图。
• 确保对象是 封闭 的（与外界无孔洞连通），以形成明确定义的计算区域。
• 点击 生成网格 以创建初始三角剖分。

3）为提高效率而简化三角形

原始网格可能包含数万个微小三角形，效率较低。使用 节点/三角形简化（例如 简化 → 生成网格）来移除冗余元素，尤其是在平坦或特征较少的区域。该工具会多次迭代，直到无法进一步简化，从而得到在保持形貌特征的同时求解速度更快的紧凑网格。

4）指定材料与迁移率

在材料参数面板中：

• 聚合物（红色）：高 空穴 迁移率，低 电子 迁移率。
• 基体（浅蓝色）：高 电子 迁移率，低 空穴 迁移率。

确保红色相与空穴选择性电极接触，蓝色相与电子选择性电极接触。如有需要，可将相稍微嵌入相应电极，以保证形成贯通的接触通道。

5）运行二维漂移–扩散仿真

运行电学仿真（暗态或光照）。在光照条件下，你应看到合理的 JV 曲线（例如 JV.dat 中的电流密度量级约为 10² A·m⁻²，并具有现实的 V_OC），具体取决于参数设置。使用 Snapshots 文件夹检查：

• 产生率（G） 热图：显示光子在聚合物相中产生载流子的位置。
• 自由电子/空穴密度：揭示传输路径的二维分布图。
• 电压步进：随偏压滚动查看密度如何随电场演化。

6）分析思路

• 比较 精细 与 粗糙 形貌（形貌 1–3）对 J_SC、V_OC 和 FF 的影响。
• 改变迁移率对比度以探索渗流极限。
• 若需深入研究复合路径，可加入激子与 SRH 陷阱。
• 绘制载流子重叠区域以推断复合“热点”。

高级选项

• 激子： 在物理面板中启用，以包含产生–解离动力学。
• 带隙与能级偏移： 细化能级对齐以获得更真实的 JV。
• 自定义形貌： 在形状数据库中绘制/编辑，或导入新的图像/体数据。

说明与来源

此处展示的示例形貌源自数值相场构造方法（由精细到粗糙可调）。我们对三维结构进行切片，以获得二维电学问题，从而提高速度并增强直观性。有关形貌生成与预条件策略的更深入数学背景，请参阅 Chemnitz 团队的相场研究（致谢 “Martin 及其合作者”）。