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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Methoden

Aufgrund der Vielzahl unterschiedlicher physikalischer Modelle, welche zur Beschreibung der photovoltaischen Prozesse auf den verschiedenen Längenskalen notwendig sind, gelangt in der Multiskalensimulation von Solarzellen eine breite Palette von theoretischen und numerischen Methoden zur Anwendung. Dabei kann im Wesentlichen die folgende Kategorisierung verwendet werden:

  1. Mikroskopische Modelle zur Ermittlung der atomistischen, elektronischen, vibrationellen und optischen Struktur. Hierbei wird die lokale Materialkonfiguration bestimmt, d.h., die geometrische Anordnung der einzelnen Atome sowie die Eigenschaften ihrer Bindungen. Dazu muss die Wechselwirkung zwischen den atomaren Bausteinen der Materialien adäquat berücksichtigt werden. Je nach Komplexität des Materials sind dazu ab initio Methoden wie Dichtefunktionaltheore in Kombination mit Molekulardynamik notwendig, z.B., bei amorphen oder makromolekularen Strukturen. In gewissen Fällen kann eine ab initio oder empirische Parametrisierung von einfacheren atomistischen tight-binding oder Kontinuums-k.p oder effektive-Masse Modellen gefunden werden.
  2. Mesoskopische Modelle zur Beschreibung der Dynamik von Ladungsträgern, Gitterschwingungen und Photonen. Die fundamentalste Beschreibung wird hier auf der Ebene der Vielteilchen-Nichtgleichgewichts quanten-statistischen Mechanik gewonnen, mit voller nicht-lokaler und spektraler Auflösung, wobei die zuvor ermittelten mikroskopischen Zustände zur lokalen Parametrisierung des mesoskopischen Hamiltonians verwendet werden können. Integration der spektralen Grössen führt zu makroskopischen Materialparameters wie Absorptionskoeffizient, Mobilität oder Lebensdauer, wie sie auch durch einfachere Fermi-Golden-Rule Ansätze bestimmt werden können. Diese Grössen wiederum stellen die Eingangsparameter von semiklassischen Ratengleichungen zur Bestimmung der lokalen Dynamik dar.
  3. Makroskopische Modelle zur Bestimmung der optoelektronischen Bauelementscharakteristik. Die im mesoskopischen Modell ermittelten Materialparameter können in makroskopischen Kontinuumssimulationen von Halbleiter Bauelementen verwendet werden. In der AG Multiskalensimulation liegt der Fokus hierbei auf der Parametrisierung der lokalen Modelle für Transport, Generation und Rekombination, insbesondere an Grenzflächen und in Nanostrukturregionen, sowie die Multiphysik-Aspekte der Solarzellsimulation, bei der die elektronischen, optischen und thermischen Probleme in gekoppelter Form betrachtet werden.

Multiskalen- & Multiphysikansatz Multiskalen- & Multiphysikansatz zur Simulation von Nanostruktursolarzellen


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