有机太阳能电池（OPV）教程 C 部分：探索器件结构

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1. 编辑器件层

所有太阳能电池以及大多数电子器件都由一系列层构成。在无机材料中，这些层通常通过真空沉积逐层沉积；在有机材料中，它们通常通过旋涂或印刷沉积。OghmaNano 中的器件由一系列层组成（这有时被称为 epitaxy——该术语源自无机半导体）。Layer editor 可用于编辑这些层，可在主仿真窗口的 Device structure 选项卡下访问。在 ?? 左侧可见该按钮，并以红色高亮显示。Layer editor 本身如 ?? 所示。

Layer editor 窗口显示一张描述器件结构的表格。 每一行对应一层，列包含名称、光学材料、类型等属性， 以及用于设置层物理厚度的 Thickness。 在该示例中，P3HT:PCBM 层是 有源层 — 器件中 吸收光子并产生载流子（电子与空穴）的部分。

对于 OPV 而言，约 50 nm 的有源层厚度可视为较薄，而 400 nm 则相对较厚。 较厚的层会吸收更多光，但也会增加光生电荷到达接触所需的迁移距离。 随着迁移距离增加，光生电子与光生空穴相遇（复合）的概率也会增加。这会降低可成功抽取的载流子比例。因此，器件性能不会随着吸收增强而无限提升。 因此，在通过增厚器件以吸收全部光，以及不将器件做得过厚以保证载流子有较高概率逃逸之间，总存在权衡。这一权衡是 OPV 设计的核心原则。

3. 关于层编辑器的更多内容

层编辑器包含以下列：

• Layer name: 层的纯文本名称。你可以将层命名为任何你喜欢的名称 （例如 ITO、PEDOT、Fred 或 Bob）；名称本身没有物理意义。
• Thickness: 层厚度，以米为单位指定。
• Optical material: 指定用于描述材料光学性质的 n/k 数据集。 这些数值来自存储在光学数据库中的实验数据 （??） 并且与带隙等电学性质无关。
• Layer type: 定义仿真器如何处理该层：
  • active: 电学有源层，drift–diffusion 求解器在其中求解 电学方程（??）。 你可以有多个有源层，但它们必须是连续的。
  • contact: 被定义为电极的一层，在其上施加电压。 详情见 ??。
  • other: 既不是接触也不是有源的任何层。这些被视为被动层。

4. 哪些层应为有源层？

定义器件结构时一个常见错误是认为 所有 层都必须设置为 active，因为每一层都导电。实际上，大多数传输层或接触 层只传导一种载流子（电子或空穴），并且有效地表现得像电阻。 例如，在标准 P3HT:PCBM 太阳能电池中，PEDOT:PSS 层只传导空穴， 而 Ca/Al 接触只传导电子。在这些层中求解完整的 drift–diffusion 方程（对两种载流子）在物理上并不合理。

因此，有源层应限制在 两种 载流子都存在且 发生光生、复合或陷阱过程的区域。在 OPV 中，这意味着 体异质结（BHJ）；在钙钛矿太阳能电池中，则是钙钛矿吸收层。 这些是必须求解完整器件物理的层。

也存在例外。例如，如果你希望研究较差或阻挡接触的影响 （导致 S 形 JV 曲线等效应），或者确实有多个层同时承载两种载流子 （例如在 OLED 中），你可以将额外层指定为 active。然而，一般规则是， 尽量将 active 层数量保持在最小。这能使仿真更简单、高效， 并且更容易解释其底层物理。