Достоинством полимерного комплекса поли(3,4-этилендиокси)тиофена/поли(стирола сульфонат) (PEDOT-PSS) в том, что его слой показывает оптическую прозрачность в проводящем состоянии, высокую стабильность, умеренную ширину запрещенной зоны и низкий окислительно-восстановительный потенциал.
ITO - твердый раствор оксида индия (III) (In2O3) и оксида (SnO2) олова (IV), как правило, в весовом соотношении 90% In2O3, 10% SnO2. В ИК диапазоне спектра его слой действует как металлическое зеркало.
Поли[2,1,3-бензотиадиазол-4,7-диил[4,4-бис(2-этилгексил)-4Н-циклопента[2,1 - б:3,4-б']дитиофен-2,6-диил]] (PCPDTBT) фотопроводящий полимер с сопряженными связями.
Рисунок 12. Молекулярные структуры: PCBM, P3HT, PEDOT: PSS, PCPDTBT.
Структура моделируемых объемных солнечных элементов P3HT: PCBM и схема показаны на рисунке 13.
Рисунок 13. Структура P3HT: PCBM и объемный гетеропереход.
6.2 Выбор ПО для моделирования
AMPS-1D
Программа, называемая AMPS (Анализ Микроэлектронных и Фотонных структур), численно решает систему уравнений (уравнение Пуассона и два уравнения непрерывности с шестью граничными условиями), описывающую полупроводниковые устройства без каких-либо априорных предположений о механизмах транспорта носителей заряда. С этой связи, программа AMPS может быть использована для моделирования разнообразные структуры и прибора, которые включают:
* гомопереход и гетеропереход p-n и p-i-n солнечных батарей и детекторов
* гомопереход и гетеропереходы p-n, p-i-n, n-i-n и p-i-p микроэлектронных структур;
* мульти-соединения конструкций солнечных элементов;
* мульти-соединения микроэлектронных структур;
* составные структуры детектора и фотоэлемента;
* композиционно-градиентные микроэлектронные структуры;
* новые микроэлектронные устройства, фотоэлектрические и опто-электронные структуры;
* приборы на основе барьера Шотки с произвольными слоями.
Универсальное ПО AMPS может быть использовано для анализа транспорта в широком спектре структур и устройств, которые могут содержать комбинации кристаллических, поликристаллических или аморфных слоев. ПО AMPS разработано для анализа, проектирования и оптимизации конструкций, предназначенных для микроэлектроники, фотовольтаики, или опто-электронных приложений.
Сравнение AMPS с другими известными программами показывает, что AMPS является доступной программой компьютерного моделирования, которая включает в себя описание следующих физических процессов:
* обработка контакта, которая позволяет осуществлять термоионную эмиссию и рекомбинацию на контактах прибора;
* обобщенная модель состояний в запрещенной зоне, которая может соответствовать любой плотности распределения состояний в объеме или на интерфейсе;
* модель рекомбинации, которая вычисляет параметры рекомбинации Шокли-Рид-Холл через любое введенное общее распределение состояний вместо часто используемого подхода с одним уровнем рекомбинации;
* полная статистика Ферми-Дирака, а не только Больцмана;
* модель поглощенного заряда, которая учитывает заряд в любом введенном общем распределении состояния разрыва;
* моделирование положения состояний в запрещенной зоне, которое позволяет менять энергию и поперечные сечение захвата;
* распределения рекомбинационных состояний, свойства которых могут изменяться в зависимости от положения;
* подвижность электронов и дырок;
* зоны подвижности, которые могут отличаться от оптических зон;
* способность рассчитать характеристики прибора, как функцию температуры, прямого и обратного смещения в темноте и при освещении;
В кратком обзоре методов моделирования микроэлектронных и оптоэлектронных устройств следует отметить, что электронная проводимость устройств может быть описана с помощью трех определяющих уравнений: уравнение Пуассона, уравнение непрерывности для свободных дырок и уравнение непрерывности для свободных электронов. Определение транспортных характеристик становится задачей решения этих трех связанных нелинейных дифференциальных уравнений, каждое из которых имеет два связанных граничных условия. В AMPS эти три уравнения вместе с соответствующими граничными условиями решаются одновременно, чтобы получить набор из трех неизвестных переменных состояния на каждом этапе: электростатический потенциал, дырочный квазиуровень Ферми и электронный квазиуровень Ферми. Из этих трех переменных состояний можно вычислить концентрации носителей заряда, поля, токи и т. д. Для определения этих переменных состояний ПО использует метод конечных разностей и метод Ньютона-Рафсона. Метод Ньютона-Рафсона итеративно находит корень функции или корни набора функций, если дано адекватное начальное предположение для этих корней. В АMPS анализируемое одномерное устройство делится на сегменты сеткой точек сетки, количество которых определяет пользователь. Три набора неизвестных затем решаются для каждой конкретной точки сетки. Отметим, что AMPS позволяет сетке иметь переменное расстояние сетки по усмотрению пользователя. Как уже отмечалось, как только эти три переменные состояния будут получены в зависимости от них, могут быть получены ребра полосы, электрическое поле, захваченный заряд, распределение носителей заряда, плотности тока, профили рекомбинации и любая другая информация о транспорте носителей заряда.
Рисунок 14. AMPS-1D главное окно.
Gpvdm
gpvdm это бесплатный инструмент общего назначения для моделирования оптоэлектронных устройств. Первоначально он был написан для моделирования органических солнечных элементов, но теперь он был расширен, чтобы имитировать другие классы устройств, включая OLED, OFET и многие другие типы солнечных элементов 1, 2 и 3-го поколения. В настоящее время модель может имитировать:
* Органические солнечные элементы (устройства OPV)
* Органические светодиоды (OLED)
* Транзисторы с органическим полевым эффектом (OFET)
* Кристаллические кремниевые солнечные элементы
* солнечные элементы a-Si
* солнечные элементы CIGS
ПО gpvdm содержит как электрический, так и оптический модуль, позволяющий моделировать как вольт-амперные характеристики (ВАХ), так и оптический профиль внутри устройства. ПО и простой в использовании графический интерфейс доступны для Windows и Linux (x86 и ARM).
ПО gpvdm может имитировать:
Кривые темнового ВАХ
Кривые ВАХ при освещении
Темновые / фотоиндуцированные переходные процессы CELIV
Переходный фототок (TPC)
Переходную фотовольтаику (TPV)
Импедансную спектроскопию (IS)
Переходные процессы под действием напряжения произвольной формы
Оптические параметры с учетом отражения на границах раздела и поглощения
Профили отражения.
Модель позволяет легко изучить влияние на характеристики устройства таких параметров материала, как подвижность, энергетический беспорядок, легирование и рекомбинация. Все параметры устройства легко доступны через графический интерфейс.
Технические подробности
Модель решает уравнения в стационарном состоянии или во временной развертке в 1D или в 2D размерности. В частности, ПО решает и посиывает как электронный, так и дырочный дрейф и диффузию, уравнения непрерывности. Модель также решает уравнение Пуассона для расчета внутреннего электростатического потенциала. Рекомбинация и захват носителей описаны в модели с использованием формализма Шокли-Ринга-Холла (СРЗ), распределение ловушек может быть произвольно определено.
Рассмотрим работу с ПО gpvdm.
На обоих окнах и linux gpvdm будет установлен в меню “Пуск”, нажмите на него, чтобы запустить его. После запуска появится окно, показанное на рисунке 15 Слева, первые три значка на панели инструментов, откройте симуляцию, сохраните симуляцию и создайте новую симуляцию. После того, как вы сделали новую симуляцию, кнопка воспроизведения запустит ее, и кнопка остановки остановит запуск симуляции.
Каждый набор параметров модели отображается на отдельной вкладке моделирования. Например, вкладка “Уровень DoS” содержит параметры материала для слоя материала 0. К ним относятся подвижность, сечения рекомбинации, хвостовые склоны и полосовые зазоры. Вкладка “устройство” используется для установки информации об устройстве, такой как сопротивление шунта, последовательное сопротивление и плотность электронов / дырок на контактах.
Рисунок 15. Главное окно с изображением устройства справа и редактор слоев слева
Редактирование электрической сетки / слоев: структура устройства разделена на слои различных материалов. Они могут быть сконфигурированы в редакторе слоев. Некоторые из этих слоев будут иметь тип слоя “active”. “Активный” слой - это слой, на котором будет применена электрическая модель. Электрическая модель нуждается в бесконечной разностной сетке для ее работы. Обычно это будет автоматически выполняться gpvdm. Тем не менее, некоторые пользователи хотят иметь возможность не контролировать сетку. Редактор электрической сетки изображен на рисунке 16.
Кнопки с надписью 1D, 2D и 3D в верхней части окна могут использоваться для переключения моделирования между режимами 1D, 2D и 3D. (Обратите внимание, что, если вы хотите сделать 2D или 3D-моделирование, вам лучше всего использовать 2D-моделирование по умолчанию, например, моделирование OFET. Это связано с тем, что для моделирования 2D / 3D потребуется специальная конфигурация решения для новичков.) таблица с левой стороны используется для настройки сетки. Сумма толщины слоя сетки должна точно соответствовать сумме активных слоев. Если это не так, модель автоматически перепишет электрическую сетку, в то, что имеет правильные размеры, но может и не быть тем, чего хочет пользователь. Автоматическая конфигурация сетки может быть повернута с помощью значка cog. Толщина столбцов и точки сетки определяет толщину слоя сетки и количество точек на сетчатом слое, если существует равномерное расстояние между точками сетки. Столбец “шаг умножить” показывает на сколько будет увеличиваться каждый шаг. В этом примере интервал сетки увеличивается в 0,1 раза на каждом шаге. Кнопка переключения влево / вправо, определяет, на какой стороне создается сетчатый слой. В этом примере есть два слоя сетки: один начинается слева и один начинается справа. Полученная сетка отображается на графике в нижней части окна. Можно видеть, что генерируется нелинейная сетка.
Рисунок 16. Редактор электрической сетки
Редактирование оптической сетки / слоев: оптическая сетка автоматически расширяется, чтобы покрыть оптический симулятор, поэтому обычно не нужно беспокоиться об этом.
Слои оптического материала определены в списке внизу, рисунок 17. Первый столбец является уникальным идентификатором, он должен начинаться с символа хэша, но кроме этого вы можете называть его тем, что хотите. Вторая колонка - это толщина слоя. Четвертый столбец - это материальная система, файлы данных, описывающие материальную систему, хранятся в каталоге “phys”. Наконец, четвертый столбец сообщает модели, является ли слой частью активного слоя или нет (подробнее об этом в следующем разделе).
Рисунок 17. Одномерная диаграмма сетки
Взаимодействие электрических и оптических моделей: в gpvdm есть как электрическая модель, так и оптическая модель. Оптическое моделирование обычно включает стеклянную подложку, контакты и слои, такие как PEDOT: PSS.
Электрическое моделирование обычно охватывает только активный слой устройства, поэтому типичное оптическое моделирование намного больше, чем окно электрического моделирования.
Оптическая модель подает рассчитанный оптический профиль света в электрическое моделирование.
Поэтому вы должны сообщить оптической модели, какой слой в оптическом моделировании представляет собой активный слой. Это делается путем размещения “да” в столбце “Активный уровень” рисунок 18.
Рисунок 18. Редактор электрической сетки
Редактор слоев. Чтобы настроить и отредактировать структуру вертикального устройства, используйте редактор слоев, который показан на рисунке. С помощью этого инструмента вы можете добавлять слои, удалять слои и перемещать слои вверх и вниз.
Первый столбец: это читаемое пользователем имя для слоя.
Второй столбец: Толщина слоя в метрах.
Третья колонка: Устанавливает оптические свойства материала.
Четвертая колонка: Устанавливает, как модель обрабатывает слой. Оптические уравнения разрешаются по всем слоям.
Однако, если слой задан как “активный слой”, тогда gpvdm также будет решать электрические уравнения над этим слоем. В этом случае можно установить более одного слоя в качестве активного слоя, в этом случае электрические уравнения будут решены над всеми слоями, обозначенными “активным слоем”, это полезно при моделировании гетеропереходов. Тип слоя “другой” означает, что электронные уравнения не будут решены над этим слоем, но оптические уравнения будут. Контакт типа слоя означает, что слой представляет собой контактный слой. Это всего лишь ects требуется для 2/3D моделирования.