1. Warum sollte man eine Parameteroptimierung durchführen?

Bei der Optimierung eines Geräts geht es einem Ingenieur oder Wissenschaftler oft darum, die optimale Struktur zu ermitteln, anstatt lediglich zu untersuchen, wie sich ein einzelner Parameter verändert. Ein einfaches Beispiel: Eine Perowskit-Solarzelle besteht aus mehreren Schichten, von denen jede eine Dicke aufweist, die die Leistung des Geräts beeinflusst. Die Frage lautet dann: Welche ist die optimale Dicke jeder Schicht?

Wenn die Perowskitschicht sehr dick ist, wird ein großer Teil des einfallenden Lichts absorbiert. Der Nachteil dabei ist jedoch, dass die Ladungsträger eine längere Strecke zurücklegen müssen, um das Bauelement zu verlassen, was ihre Verweilzeit und folglich die Wahrscheinlichkeit einer Rekombination erhöht. Umgekehrt können, wenn die Schicht sehr dünn ist, die Ladungsträger effizienter extrahiert werden, aber es werden zunächst weniger Photonen absorbiert.

Die Situation wird zusätzlich durch optische Interferenzerscheinungen erschwert. Licht wird an den Grenzflächen innerhalb des Bauelements mehrfach reflektiert, wodurch stehende Wellenmuster entstehen, die stark von den Dicken aller Schichten abhängen. Daher ist es in der Regel nicht ausreichend, nur eine einzelne Schicht zu optimieren; stattdessen müssen mehrere Schichtdicken gleichzeitig optimiert werden.

Um dieses spezielle Problem der Mehrparameteroptimierung zu lösen, bietet OghmaNano einen schnellen Optimierer innerhalb des Scanfensters an, der den Parameterraum effizient durchsuchen und günstige Gerätekonfigurationen identifizieren kann.

2. Das Beispiel öffnen

Im neuen Simulationsfenster finden Sie unter dem Unterthema „Skripterstellung und Anpassung“ verschiedene Beispiele, die Arbeitsabläufe zur Optimierung mit mehreren Parametern veranschaulichen:

• Optimierer für die elektrische Schicht: Variiert die Dicke von zwei aktiven Schichten in einer organischen Solarzelle und stellt die Werte für PCE, FF und VOC in Abhängigkeit von der Schichtdicke grafisch dar.
• Optimierung der optischen Schicht (Perowskit-Solarzelle): Variiert die Dicke von zwei Schichten in einer Perowskit-Solarzelle und stellt den in jeder Schicht erzeugten Strom grafisch dar.
• Optimierer für die optische Schicht (OPV): Variiert die Dicke von zwei Schichten in einer OPV-Zelle und stellt den in jeder Schicht erzeugten Strom grafisch dar.

Das auf dieser Seite beschriebene Beispiel kann über die Schaltfläche „Neue Simulation“ im Hauptfenster aufgerufen werden. Dadurch wird der in ?? gezeigte Browser für neue Simulationen geöffnet. Klicken Sie dort doppelt auf „Skripting und Anpassung“, um die Liste der Automatisierungsbeispiele (??) anzuzeigen, und klicken Sie dann doppelt auf „Optimierer für optische Schichten (Perowskit-Solarzelle)“, um das hier referenzierte Beispiel zu öffnen.

3. Verwendung des Mehrparameter-Optimierers

Sobald die Simulation geöffnet wurde, navigieren Sie zum Scan-Tool, das sich im Automatisierungsmenü befindet. Durch Klicken auf das Symbol „Parameterscan“ wird ein Scan angezeigt, der bereits konfiguriert wurde und mit „Optimierer“ beschriftet ist. Wenn Sie diesen Scan öffnen, wird das in Abbildung ?? gezeigte Fenster angezeigt. Auf den ersten Blick sieht dieses Scanfenster identisch mit den in dem vorherigen Abschnitt beschriebenen Scanfenstern aus. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass die Schaltfläche „Schneller Optimierer“ aktiviert ist. Wenn dieser Modus aktiv ist, werden einzelne Scanergebnisse nicht auf der Festplatte gespeichert. Stattdessen werden die relevanten Simulationsmetriken intern erfasst und am Ende des Optimierungslaufs in einer einzigen Tabelle ausgegeben.

In diesem Beispiel wird die Dicke (dy) der Perowskitschicht in Schritten von 10 nm zwischen 300 nm und 500 nm variiert, während die Dicke (dy) der TiO2-Schicht ebenfalls in Schritten von 10 nm von 100 nm bis 300 nm variiert wird. Führen Sie die Simulation aus. Sobald sie abgeschlossen ist, verwenden Sie Ihren Dateimanager, um zum Simulationsverzeichnis zu navigieren und den Ordner mit dem Namen „optimize“ zu öffnen. In diesem Ordner finden Sie eine CSV-Datei mit dem Namen „optimizer_output.csv“. Wenn Sie diese Datei in Excel oder LibreOffice öffnen, erhalten Sie eine Tabelle, die der in Abbildung ?? gezeigten ähnelt.

Wenn Sie sich die Abbildung 17.8 genau ansehen, werden Sie feststellen, dass die ersten beiden Spalten mit „epitaxy.layer2.dy“ und „epitaxy.layer1.dy“ beschriftet sind. Dies sind die Schichtdicken, die wir im Scanfenster ändern wollten. Für jede nachfolgende Schicht im Bauelement gibt es zwei Spalten, die mit „layerX/light_frac_photon_generation“ und „layerX/J“ beschriftet sind. Diese beziehen sich auf den Anteil des in der Schicht absorbierten Lichts und den maximalen Strom, den diese Schicht erzeugen würde, wenn das gesamte in der Schicht absorbierte Licht in Strom umgewandelt würde. Es ist klar, dass, wenn Licht in der aktiven Schicht absorbiert wird, es eine gute Chance hat, in Strom umgewandelt zu werden. Wenn jedoch Licht im hinteren metallischen Kontakt absorbiert wird, ist die Wahrscheinlichkeit, dass dieses Licht in elektrischen Strom umgewandelt wird, gering. Wenn Sie die in Excel/LibreOffice enthaltenen Sortierwerkzeuge verwenden, können Sie herausfinden, welche Bauelementstrukturen den größten Strom erzeugen.