Дипломная работа: Моделирование органического солнечного элемента на основе гетероструктур

Рисунок 19. Редактор слоёв

Редактор контактов: Редактор контактов используется для редактирования контактов на устройстве и каких вольт-торов применяются к контактам, рисунок 20. Для одномерного моделирования вы можете в значительной степени игнорировать это окно.

Первый столбец: имя для контакта.

Второй столбец: Устанавливает, находится ли контакт в верхней или нижней части сообщения. Должен быть хотя бы один контакт сверху и один контакт в нижней части устройства. Некоторые устройства (OFET) могут иметь более одного контакта в верхней части устройства.

Третий столбец: устанавливается, если контакт активен. В простейшей форме активным контактом является контакт, к которому применяется рампа напряжения во время моделирования кривой JV. В симуляции JV-кривой один контакт будет удерживаться на уровне 0 вольт, в то время как постоянно увеличивающееся напряжение применяется к другому “активному” контакту устройства. Если вы выполняете симуляцию переходного напряжения, например, CELIV, “активный” контакт будет иметь к нему временное переходное напряжение CELIV. Переключение между активными контактами эквивалентно подбору диода и повороту на 180 градусов и поместить его обратно в циркуль. Эта функция наиболее полезна при моделировании OFET, когда вы хотите применить рампу напряжения к одному контакту (т. Е. К воротам) из трех или четырех.

Четвертая колонка: начало контакта, не используемое в 1D-симуляциях

Пятая колонка: ширина контакта, не используемая при одномерном моделировании.

Шестой столбец: Устанавливает глубину пассивации под контактом. Не используется в одномерных симуляциях.

Седьмой столбец: устанавливает напряжение по умолчанию для контакта. Если тип контакта установлен как “активный”, это значение игнорируется. Однако контакт не активен, это напряжение будет отображаться на контакте. Это использование полезно в симуляциях OFET, где вы хотите удерживать данный контакт при заданном напряжении.

Рисунок 20. Редактор контактов

Параметры сканирования: Иногда хочется систематически изменять параметр симуляции, вот как это сделать:

Шаг 1. Выберите инструмент “Проверка параметров”.

Шаг 2. Добавьте строку сканирования в сканирование.

Шаг 3: Выберите новую строку сканирования и нажмите кнопку “Выбрать параметр для изменения”.

Моделирование 1D, 2D и 3D с помощью gpvdm: при принятии решения о том, следует ли вам выполнять моделирование 1D, 2D или 3D, рассмотрите размерность вашей проблемы. Например, если вы рассматриваете солнечную ячейку, ее толщина всего несколько микрометров, и в зависимости от глубины (y) происходит быстрое изменение структуры, плотности заряда, подвижности и легирования. Однако структура не будет очень быстро изменяться в боковой плоскости (xz). Поэтому, вообще говоря, для захвата всех интересных элементов, присутствующих в солнечном элементе, нужна только одна модель. Если теперь рассматривать OFET, то есть вертикальный боковой ток ow, поэтому больше не удастся с 1D-моделью, так как нужно моделировать как вертикальный ток ow, так и ток между источником и стоком, поэтому нужно 2D-моделирование. По мере увеличения количества измерений скорость вычислений будет уменьшаться, поэтому мой общий совет - использовать минимальное количество возможных размеров для решения вашей проблемы.

Шаг 4: Выберите параметр, который вы хотите изменить, нажмите “Применить”.

Шаг 5: “Строка сканирования” теперь должна обновляться с параметром, который вы хотите сканировать.

Шаг 6: Теперь введите параметры, которые вы хотите сканировать, в этом случае 0.0-0.5 suns.

Шаг 7: Нажмите кнопку запуска.

Шаг 8: Выберите выходной файл, который вы хотите построить. gpvdm отобразит все результаты моделирования.

Получение 3D-вида устройства: если окно моделирования выглядит как рисунок 22, а не как рисунок 21, то это означает, что на компьютере нет оборудования для 3D-ускорения, или у вас нет драйверов. Если у вас есть видеокарта ATI/Nvidia/Intel, проверьте, установлены ли драйверы. В настоящее время отсутствие рабочего 3D-оборудования не даст вам возможности выполнять симуляции.

Рисунок 21. gpvdm с рабочим оборудованием 3D-ускорения

Рисунок 22. gpvdm без аппаратного ускорения 3D

6.3 Моделирование и результаты

6.3.1 Моделирование в среде Amp1SD

Основные параметры в моделировании взяты из имеющейся литературы, типичной для P3HT/PCBM из [12]. Они перечислены в таблице 1.

Таблица 1. Толщина и основные параметры моделирования

Напряжение открытой цепи (холостого хода)

Аналитическое приближение для напряжения разомкнутой цепи Voc может быть получено с учетом квазиуровней Ферми [19], которые определяются следующим образом: если плотность подвижных электронов (плотность электронов, занимающих уровни над краем зоны проводимости Ec) обозначается n, то квазиуровень Ферми электронов EFn определяется как:

(3)

где Nc-плотность состояний в зоне проводимости, k - постоянная Больцмана, T-абсолютная температура. Подобное выражение определяет квазиуровень Ферми дырок EFp относительно плотности подвижных дырок р:

(4)

При идеальных электродах, напряжение холостого хода qVoc:

(5)

Из уравнений (3), (4) и (5) получаем V_oc как:

(6)

в электрически нейтральном материале, n = p. При освещении плотности могут быть рассчитаны уравнением скорости генерации G со скоростью рекомбинации

R = npb_R

где:

- постоянная рекомбинации Ланжевена [20]

(7)

(8)

Подставляя уравнение (8) в (6) получим:

(9)

Показано [21], что для объемных гетеропереходных полимерных солнечных элементов уравнение (9) может быть переписано как:

(10)

где P-вероятность диссоциации связанной электронно-дырочной пары на свободные носители заряда.

Подставляя в уравнении (8) E_g = 1 eV (разность энергий между HOMO P3HT и LUMO PCBM), N_c = 2.2 Ч 1018 cm-3, N_v = 1.8 Ч 1019 cm-3, b_R = 1.17 Ч 10-9 cm-3 S-1 and G_max = 8 Ч 1021 cm-3 S-1 для выбора режима, соответствующего интенсивности солнечного излучения АМ 1.5, расчет дает V_oc = 0.61 при T =300 K. Это значение близко к значению, получаемому при компьютерном моделировании 0.63 В.

Связь между напряжением разомкнутой цепи и смещением HOMO_D-LUMO_A показана на рисунке 23.

Рисунок 23. Изменение напряжения разомкнутой цепи с HOMO_D-LUMO_A P3HT: PCBM.

Отмечается, что V_oc становится постоянной после значения HOMO-LUMO = 1.2 эВ и, в отличие от ячейки MDMO-PPV/PCBM, которая представляет собой линейную кривую наклона, равную 1.0 (Рисунок 24)[12, 22].

Рисунок 24. Изменение напряжения разомкнутой цепи с помощью варьирования разницы HOMO_DLUMO_A

Влияние температуры

Исследована температурная зависимость напряжения разомкнутой цепи V_oc с помощью программы AMPS. Он был изменен со 150 на 350 К. результаты приведены на рисунок 25.

Рисунок 25. Изменение напряжения разомкнутой цепи с температурой P3HT: PCBM объемный гетеропереход.

Напряжение тока V_oc открытой цепи уменьшает с температурой -0.55 mV в степени. Эти отношения дают:

(11)

(12)

Сообщалось, что напряжение разомкнутой цепи неорганического солнечного элемента уменьшается с увеличением температуры со скоростью 2,3 МВ/К [23]. Оказывается, что влияние температуры более значительно на неорганические солнечные элементы, чем на органические солнечные элементы.

Эффективность рассчитывается как температура изменяется от 150 до 350 К. соотношение между эффективностью и температуры может быть описана:

(13)

Температура растет, но снижается эффективность. Результаты приведены на рисунке 26.

Рисунок 26. Изменение эффективности с температурой P3HT:

PCBM объемный гетеропереход.

Если мы сравним наши результаты для фотоэлемента P3HT:PCBM с найденными результатами [18] солнечных элементов MDMO-PPV:PCBM, то отметим, что кпд при Т = 150 K для P3HT: PCPM равно 5.137% и MDMO-PPV в: PCBM равно 6.275%.

На рисунке 27 показано изменение кпд с изменением ширина щели запрещенной зоны полимера. Эффективность СЭ растет с уменьшением ширины запрещенной зоны полимера, и оно достигает 8% при ширине 1.5 eV.

Рисунок 27. Изменение эффективности с температурой MDMOPPV:PCBM объемный гетеропереход.

Рисунок 28. Изменение эффективности с запрещенной зоной полимера P3HT: PCBM объемный гетеропереход.

Оптимальная толщина фотоактивного слоя

Эффективность была рассчитана по мере изменения толщины смеси от 150 до 500 нм. Результаты приведены на рисунке 29. Результаты показывают, что оптимальная эффективность для фотоэлемента P3HT/PCBM достигается на толщине 400 nm. Оптимальное значение толщины, найденное в работе [24] тем же программным обеспечением AMPS-1D, составляет 120 нм.

Рисунок 29. Изменение эффективности с толщиной P3HT:PCBM объемный гетеропереход.

Моделирование не соответствует реальности (экспериментальным данным), поэтому рассмотрим пример моделирования в программе gvpdm

6.3.2 Моделирование в среде gvpdm

Напряжение фотоэлектрического устройства с объемным гетеропереходом электрически моделируется программным обеспечением GPVDM при разном сопротивлении серии. Это программное обеспечение специально разработано для моделирования объемных гетероструктурных органических солнечных элементов, например, на основе материалов P3HT: PCBM. Модель содержит как электрические, так и оптические свойства, обеспечивающие текущие характеристики плотности тока [22]. Моделирование органического фотовольтаического устройства можно разделить на две части: первое электрическое моделирование и второе оптическое моделирование.

Для описания переноса носителей (электронов и дыр) уравнения биполярной дрейфовой диффузии (14) и (15) решаются в пространстве положений для электронов и дыр. Они приведены как:

(14)

(15)

Где Jn и Jp - плотность тока электрона и дырки, мe и мp - подвижность электронов и дырок, nf и pf - концентрация электронов и дырок вдоль уровня Ферми, а ELUMO и EHOMO - энергия уровня LUMO и HOMO.

В этой модели устройства существуют два типа электронов (дырок), т. Е. Свободные электроны (дырки) и захваченные электроны (дырки). Свободные электроны (дырки) имеют конечную подвижность мe (мh), а захваченные электроны (дырки) вообще не могут двигаться и имеют подвижность нуля (23).

Для вычисления средней подвижности предполагается, что отношение свободного к захваченным носителям и умножение его на подвижность свободных носителей, выраженное в уравнении (16):

(16)

Таким образом, если бы все носители были свободными, то их средняя подвижность была бы мe, и если бы все носители были захвачены, то их средняя подвижность была бы равна нулю. Следует отметить, что в модели для вычисления используются только мe мh, а мe (n) - выходной параметр. В органических солнечных элементах фотогенерированные экситоны диссоциируют на электроны и дырки на донорно-акцепторном гетеропереходе. Считается, что вероятность диссоциации экситонов на гетеропереходе достаточно высока, чтобы концентрация экситонов на границе донорно-акцепторная составляла нулю. Таким образом, только генерации экситонов с расстоянием диффузионной длины экситонов от гетероперехода могут способствовать генерации фототока. [26]

Окно электрического моделирования показано на рисунке 30.

Рисунок 30. GPVDM Окно электрического моделирования

Для определения способности органического СЭ к фотопреобразованию падающего света в электроэнергию, его вольт-амперные характеристики измеряют в темноте и при освещении. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) показана на рисунке 31.

Хорошо известно, что в темном состоянии солнечный элемент идеально работает как диод. В условиях освещения устройство генерирует ток. Плотность тока короткого замыкания (Jsc) равна нулю при освещении при нулевой разности потенциалов между анодом и катодом.

Рисунок 31. Вольт-амперная характеристика

В условиях короткого замыкания Jsc находится на пересечении кривой, а напряжение разомкнутой цепи (Voc) является максимальным напряжением, которое может генерироваться органическим солнечным элементом. При напряжении разомкнутой цепи (Voc) плотность тока короткого замыкания (Jsc) при освещении равна нулю и определяется там, где кривая пересекает горизонтальную ось. Максимальная точка мощности (MPP) определяется как точка, где произведение плотности тока и напряжения является максимальным. Кривая J-V дает коэффициент заполнения (FF), который определяется как отношение между PMPP и теоретически максимальной мощностью устройства (Pmax), выраженное в уравнении (17)