[论文解读] Driftfusion: An open source code for simulating ordered semiconductor devices with mixed ionic-electronic conducting materials in one-dimension

Philip Calado, Ilario Gelmetti+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2020

Perovskite Materials and Applications被引用 4

一句话总结

Driftfusion 是一款基于 MATLAB 的开源仿真工具，用于一维半导体器件，其材料具有离子-电子混合导电特性，可通过完全耦合的时变连续性方程和泊松方程对多达四种载流子（电子、空穴及两种离子物种）进行建模。其关键创新在于采用离散界面层方法，可在不依赖突变边界条件的前提下，灵活地为界面分配特定属性，从而实现对具有迟滞和瞬态响应特性的钙钛矿基光电器件的精确模拟。

ABSTRACT

The recent emergence of lead-halide perovskites as active layer materials for thin film semiconductor devices including solar cells, light emitting diodes, and memristors has motivated the development of several new drift-diffusion models that include the effects of both mobile electronic and ionic charge carriers. The aim of this work is to provide a comprehensive guide to Driftfusion, a versatile simulation tool built for simulating one-dimensional ordered semiconductor devices with mixed ionic-electronic conducting layers. Driftfusion enables users to model devices with multiple, distinct, material layers and up to four charge carrier species: electrons and holes by default plus up to two ionic species. The time-dependent carrier continuity equations are fully-coupled to Poisson's equation enabling transient optoelectronic device measurement protocols to be simulated. In addition to material and device-wide properties, users have direct access to adapt the physical models for carrier transport, generation and recombination. Furthermore, a graded-interface approach circumvents the requirement for boundary conditions at material interfaces and enables interface-specific properties, such as high rates of interfacial recombination, to be introduced.

研究动机与目标

• 解决现有仿真工具在模拟同时包含电子和可移动离子载流子的一维半导体器件时缺乏可访问性与灵活性的问题。
• 克服现有仿真器在修改物理模型或器件结构时需要复杂数值知识的局限性。
• 实现对钙钛矿基器件中界面复合与离子载流子动力学的精确建模，特别是表现出电流-电压迟滞特性的器件。
• 提供一个用户友好的开源平台，支持自定义材料层、载流子输运模型及瞬态测量协议。
• 通过与解析解和数值基准对比，验证工具的准确性，确保能够可靠模拟真实器件行为。

提出的方法

• 该工具基于范·罗兹布鲁克系统（van Roosbroeck system）的漂移-扩散框架，将每种载流子物种的时变连续性方程与泊松方程耦合，以模拟静电场。
• 支持最多四种载流子物种：电子、空穴以及两种不同的离子物种，从而可模拟复杂的混合离子-电子导体。
• 采用离散界面层方法，用在薄界面层内材料属性渐变的方式替代传统边界条件，使可为界面定义特定参数。
• 界面模型在界面区域内使用载流子密度和通量的解析近似，支持体积分解方案以模拟表面复合效应。
• 仿真通过 MATLAB 的 pdepe 工具箱实现，内置函数用于定义器件结构、施加时变电压与光照协议，并分析输出结果。
• 用户可直接修改物理模型（如迁移率、生成率、复合率），且代码支持并行计算以进行多组仿真。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个灵活的开源仿真工具能否准确模拟一维半导体器件中混合离子-电子导体的瞬态光电响应？
• RQ2 与传统的突变界面模型相比，离散界面层方法在精度和数值稳定性方面表现如何？
• RQ3 Driftfusion 在多大程度上能够再现钙钛矿太阳能电池和忆阻器中实验观测到的迟滞效应？
• RQ4 该工具是否能在无需深入掌握数值方法的前提下，支持自定义物理模型和多层器件结构？
• RQ5 Driftfusion 在多种器件配置下，与解析解和现有数值模型的符合程度如何？

主要发现

• Driftfusion 在多个测试案例中成功再现了器件的一般行为，与解析解和现有数值模型均表现出良好一致性。
• 离散界面方法的模拟结果与采用突变界面的仿真器相当，仅因线性离散化和界面处理带来微小误差。
• 通过引入可移动离子物种和界面特异性复合中心，该工具准确捕捉了钙钛矿器件中的电流-电压迟滞特性。
• 仿真框架允许用户轻松修改物理模型并引入新材料层，与现有工具相比显著降低了定制化门槛。
• 通过与两个解析模型和两个现有数值模型的对比验证，确认了 Driftfusion 数值实现的可靠性和鲁棒性。
• 该代码在 GitHub 上免费提供，支持高级功能，如并行求解计算，以及内置的分析与绘图函数，用于输出结果的可视化。