Simulações de Monte Carlo de células solares orgânicas e do experimento de Photo-CELIV

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Govatski, Jonas Alexandre
Data de Publicação: 2018
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFPR
Texto Completo: https://hdl.handle.net/1884/76103
Resumo: Orientador: Prof. Dr. Marlus Koehler
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spelling Universidade Federal do Paraná. Setor de Ciências Exatas. Programa de Pós-Graduação em FísicaKoehler, Marlus, 1970-Govatski, Jonas Alexandre2022-11-03T14:17:47Z2022-11-03T14:17:47Z2018https://hdl.handle.net/1884/76103Orientador: Prof. Dr. Marlus KoehlerTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Exatas, Programa de Pós-Graduação em Física. Defesa : Curitiba, 11/05/2018Inclui referências: p. 140-147Resumo: Neste trabalho apresentamos um algoritmo de simulação para células solares baseadas em semicondutores orgânicos. O método abordado é a simulação de Monte Carlo Cinética. Discutimos os modelos utilizados para representar os processos individuais que participam na conversão de energia luminosa em energia elétrica nos dispositivos. As simulações são úteis pois, podem revelar a influência de cada um desses processos sobre a eficiência geral de uma célula solar. Para testar o programa de simulação, estudamos dispositivos com morfologias do tipo heterojunção em bicamada ou heterojunção plana. Fizemos testes variando alguns parâmetros, entre eles: taxa de geração de éxcitons, barreira de energia para injeção, mobilidade dos portadores de carga. De maneira geral, conseguimos analisar a variação de quantidades como a corrente de curto circuito Jsc e a tensão de circuito aberto Voc. Simulaçõoes de Monte Carlo são adequadas para estudar a influência de aspectos morfológicos dos dispositivos. Dessa forma, realizamos simulações de células solares em bicamada com interface rugosa entre os meios doador e aceitador. As morfologias são geradas usando um modelo de superfícies rugosas gaussianas, e caracterizadas pela rugosidade Rrms e pela sua área interfacial AI. Usando este método para gerar e caracterizar as morfologias, verificamos que Jsc, em geral, aumenta com Rrms. O Voc apresenta uma variação máxima de 0,03 V para um incremento de 5 vezes em AI. A eficiência também cresce com Rrms em situações onde o processo de recombinação não é limitado pelo encontro dos portadores. Adaptamos o método de simulações para estudar a resposta elétrica de dispositivos fotovoltaicos no experimento de Photo-CELIV. Esse experimento é importante para o estudo da mobilidade de portadores e dos processos de recombinação. Realizamos simulações de Monte Carlo cinéticas para extrair transientes de corrente elétrica. Nesse estudo, investigamos a influência da morfologia de dispositivos em heterojunções de volume sobre a mobilidade. As morfologias são geradas usando o modelo de Ising, e caracterizadas pelo tamanho médio dos domínios ds. Os resultados demonstram que as mobilidades aumentam com ds. Esse resultado é verificado tanto pelo cálculo direto das mobilidades durante as simulações, como por um modelo analítico que utiliza parâmetros extraídos dos sinais da corrente simulados.Abstract: We present a simulation algorithm for solar cells based on organic semiconductors. The discussed method is the Kinetic Monte Carlo Simulation. We discussed the models used to represent the individual processes involved in light energy conversion into electrical energy. The simulations are useful because they may reveal the effect of each process on the overall performance of a solar cell. To test the simulation program, we studied devices with bilayer or planar heterojunction type morphologies. We performed tests varying some parameters, among them: exciton generation rates, injection energy barriers, mobility of the charge carriers. We have been able to analyze the variation of quantities such as the short-circuit current Jsc and the open-circuit voltage Voc. Monte Carlo simulations are suitable for studying the influence of the morphological aspects on the devices' performance. Thus, we performed simulations of bilayer solar cells with a rough interface between the donor and acceptor phases. Morphologies are generated using a model of Gaussian rough surfaces, and characterized by their roghness (Rrms) and interfacial area AI . Using this method to generate and characterize the morphologies, we have found that Jsc scales with Rrms. The Voc has a maximum difference of 0.03 V for a 5-fold increment in AI . The efficiency also increases with Rrms in situations where the recombination process is not encounter-limited. We adapted the simulation method to study the electric response of photovoltaic devices in photo-CELIV experiment. This experiment is important to study the mobility of charge carriers and the recombination processes. We performed Monte Carlo simulations to measure electric current transients. In this study, we investigated the influence of bulk heterojunctions morphologies on mobility. The morphologies are generated using the Ising model, and are characterized by the average domain size ds. The results show that the mobilities increase with ds. This result is verified both by the direct calculation of the mobilities during the simulations, and, by an analytical model that uses parameters extracted from the simulated current signals.1 recurso online : PDF.application/pdfSemicondutores (Física)Celulas solaresFísicaFísicaSimulações de Monte Carlo de células solares orgânicas e do experimento de Photo-CELIVinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisporreponame:Repositório Institucional da UFPRinstname:Universidade Federal do Paraná (UFPR)instacron:UFPRinfo:eu-repo/semantics/openAccessORIGINALR - T - JONAS ALEXANDRE GOVATSKI.pdfapplication/pdf3160311https://acervodigital.ufpr.br/bitstream/1884/76103/1/R%20-%20T%20-%20JONAS%20ALEXANDRE%20GOVATSKI.pdf26f2b366df04b9b4a94d1c584d9c8219MD51open access1884/761032022-11-03 11:17:47.709open accessoai:acervodigital.ufpr.br:1884/76103Repositório de PublicaçõesPUBhttp://acervodigital.ufpr.br/oai/requestopendoar:3082022-11-03T14:17:47Repositório Institucional da UFPR - Universidade Federal do Paraná (UFPR)false
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