🎯 Objetivos de aprendizaje

Configurar y ejecutar su primera simulación OPV en OghmaNano.
Generar una curva JV y extraer métricas clave de rendimiento: J_SC, V_OC, factor de forma (FF), y eficiencia (η).
Comprender la diferencia entre las curvas JV en oscuridad e iluminadas, y cómo las condiciones de iluminación afectan al rendimiento del dispositivo.

📦 Requisitos previos

OghmaNano instalado y funcionando.
Familiaridad básica con los conceptos de células solares.

⏱ Tiempo estimado

Parte A: 10-15 min

Simulaciones de circuitos simples

1. Introducción

Aunque las simulaciones completas de drift–diffusion son una forma potente de analizar en detalle el comportamiento de los dispositivos—capturando efectos tales como tasas de recombinación, movilidades de portadores y otros procesos microscópicos—también son inherentemente complejas de ejecutar e interpretar. Requieren muchos parámetros de material, que a menudo no están disponibles, y en muchos casos ese nivel de detalle no es necesario. A veces simplemente desea diagnosticar una vía de derivación, evaluar la resistencia serie u obtener una comprensión rápida del comportamiento global del dispositivo. En tales situaciones, suele ser más práctico usar modelos eléctricos simplificados. Un circuito equivalente simple formado por resistores, capacitores y diodos ideales suele ser suficiente. Para dar soporte a esto, OghmaNano proporciona un solver de circuitos integrado, similar en espíritu a LTspice, que le permite aplicar voltajes arbitrarios a redes de circuito arbitrarias y obtener respuestas eléctricas realistas. Este solver es un reemplazo directo del motor de drift–diffusion: los voltajes aplicados se definen de la misma manera, y todos los modos experimentales—como dominio temporal, dominio de frecuencia y EQE—siguen siendo compatibles. Además, el modelo de matriz de transferencia utilizado para calcular la absorción óptica puede acoplarse a los diodos, permitiendo simular la fotocorriente de forma consistente. Se incluyen varias simulaciones de circuito de ejemplo en el software y pueden encontrarse en la carpeta Simple Diode Model de la ventana de nueva simulación (véase Figure 1).

En este tutorial, utilizaremos el solver de circuitos simples para modelar de forma directa una célula solar PM6:Y6 y obtener una comprensión básica de su comportamiento.

💡 ¿Por qué usar el editor de circuitos de OghmaNano en lugar de LTSpice?

🔗 Integración estrecha con modelos ópticos — los elementos del circuito pueden acoplarse al Método de Matriz de Transferencia y al Trazado de Rayos, de modo que la absorción y extracción de luz están directamente vinculadas a su modelo eléctrico.
⚡ Compatibilidad total con herramientas a nivel de dispositivo — aún puede ejecutar simulaciones en dominio de frecuencia, espectroscopía de impedancia, EQE, y más sobre cualquier modelo de circuito.
🔄 Sustitución transparente de drift–diffusion — reemplace el solver detallado por un circuito equivalente más simple, conservando todos los flujos de análisis ya integrados en OghmaNano.
🧰 Diseñado específicamente para células solares y dispositivos optoelectrónicos — a diferencia de los simuladores de circuitos genéricos, OghmaNano conecta automáticamente el comportamiento del circuito con la absorción de luz, la generación de fotocorriente y la física de recombinación.

2. Primeros pasos

Desde la pestaña Nueva simulación en la cinta de archivos, haga clic para abrir la ventana Nueva simulación (véase Figure 1a). Si luego hace doble clic en Simple Diode Models, el software mostrará un submenú de ejemplos de circuito disponibles (véase Figure 1b). Para este tutorial utilizaremos el ejemplo OPV PM6:Y6 JV curve. Empezamos con la curva JV porque es la simulación basada en circuito más simple de ejecutar.

OghmaNano new simulation window with the Simple Diode Model folder highlighted. — La ventana de nueva simulación en *OghmaNano*.

OghmaNano window after double-clicking the Simple Diode Models. — Ventana tras hacer doble clic en *Simple Circuit Simulation*.

Una vez que haya guardado su nueva simulación, se abrirá una ventana similar a la interfaz estándar de simulación de OghmaNano. Esto se muestra en Figure 3. Se parece exactamente a una ventana de simulación normal, excepto que el Electrical Parameter Editor aparece desactivado. También observará que ha aparecido una segunda pestaña llamada Circuit Diagram. Al hacer clic en esta pestaña se abre el editor de diagramas de circuito, mostrado en Figure 4. Aquí el dispositivo se representa mediante un circuito equivalente simple formado por un diodo, una resistencia serie, una resistencia de derivación y un capacitor. Esto proporciona el modelo más básico de célula solar. El capacitor representa la capacitancia geométrica de los contactos, que será importante más adelante cuando exploremos simulaciones en dominio temporal y de frecuencia.

OghmaNano main simulation window after creating a new simple circuit simulation. — La ventana estándar de simulación de *OghmaNano* tras crear una nueva simulación de circuito simple.

Circuit tab in the simple circuit simulation showing a solar cell represented by a diode, two resistors, and a capacitor. — La pestaña *Circuit* en la simulación de circuito simple, que representa una célula solar como un diodo, dos resistores y un capacitor.

3. Edición del circuito

En el lado izquierdo de Figure 4 puede ver un conjunto de componentes eléctricos estándar disponibles en el editor de circuitos. Estos incluyen un resistor, capacitor, diodo, cable, tierra y batería. También hay dos herramientas: un puntero para seleccionar y editar componentes, y una herramienta de pincel utilizada para eliminarlos. Cada botón se describe con más detalle en la tabla siguiente.

Componentes y herramientas disponibles en el editor de circuitos.
Componente/Herramienta	Ecuación	Descripción
Resistor	\(V = IR\)	Modela la resistencia óhmica en el circuito.
Capacitor	\(I = C \tfrac{dV}{dt}\)	Almacena y libera carga, representando capacitancia geométrica o parasitaria.
Diodo	\(i(t,V) = I_{0}\!\left(e^{\tfrac{qV}{nkT}} - 1\right) - I_{\text{light}}\)	Representa un diodo ideal; \(I_{\text{light}}\) se toma de simulaciones ópticas.
Elemento no lineal	\(i(t,V) = \left(\tfrac{I_{0} \cdot V}{V_{0} + d}\right)^m\)	Elemento no lineal definido por el usuario para modelado avanzado de circuitos.
Cable	—	Cable ideal sin parámetros parasitarios.
Tierra	—	Referencia de tierra fijada en 0 V.
Batería	—	Aplica voltaje al circuito, tomado del contacto marcado como change en el editor de contactos.
Puntero	—	Se utiliza para seleccionar y editar elementos del circuito.
Pincel	—	Se utiliza para eliminar elementos del circuito.

Al hacer clic sobre cualquier elemento del circuito con cualquier herramienta aparte del pincel, puede cambiar los valores de los componentes como se ve en [fig:circuit_edit_component], y ampliado en [fig:circuit_edit_component_zoom].

OghmaNano circuit editor showing a diode-based solar cell equivalent circuit with the component properties window open. — Editor de circuitos con un circuito equivalente de célula solar basado en diodo y la ventana de propiedades del componente abierta.

Zoomed-in view of the component properties window showing editable fields: Component type, Name, Ideality factor, I0, Layer, and Photon efficiency. — Vista ampliada de la ventana de propiedades del componente, resaltando campos editables como *Component*, *Name*, *Ideality factor*, I₀, *Layer*, y *Photon efficiency*.

Cuando hace clic en cualquier componente del editor de circuitos, aparece un cuadro de edición que le permite cambiar sus parámetros. La mayoría de estos ajustes son directos y fáciles de entender. La configuración más detallada aparece para el modelo de diodo, que tiene varios parámetros adicionales. Este cuadro de edición se muestra en Figure 5, y las opciones se explican en la tabla siguiente.

Parámetros disponibles al editar un elemento de circuito.
Parámetro	Descripción
Component	Selecciona qué tipo de componente representa el elemento del circuito.
Name	Etiqueta legible para el componente; puede elegir cualquier nombre.
Ideality factor	El factor de idealidad del diodo n.
I₀	Corriente de saturación en la ecuación del diodo.
Layer	La capa que representa el diodo; la corriente luminosa se calcula a partir de la generación en esta capa.

4. Ejecutar el editor de circuitos

Vaya a la ventana principal de simulación, localice el botón Play (▶), y haga clic en él — o simplemente pulse F9 — para ejecutar la simulación. Una vez iniciada, OghmaNano primero evalúa el modelo óptico seleccionado (p. ej. matriz de transferencia o trazado de rayos) y luego acopla su salida al solver de circuitos para generar la fotocorriente del dispositivo. Después se realiza un barrido JV exactamente del mismo modo que en las simulaciones completas de drift–diffusion.

Además de los archivos de salida estándar, el solver de circuitos también produce una Net list. Esto se muestra en Figure 11.2. Al hacer doble clic en el archivo netlist se abre una ventana que muestra el voltaje en cada componente y la corriente a través de él en el circuito. Puede usar el deslizador para avanzar por cada punto de simulación (tiempo o voltaje). Tenga en cuenta que la net list solo se crea si Write everything to disk está habilitado en el editor de simulación.

OghmaNano output tab showing the results of a circuit simulation, presented in the same format as drift–diffusion simulations. — Salida de una simulación de circuito mostrada en la pestaña *Output*. Los resultados se presentan en el mismo formato que para las simulaciones estándar de drift–diffusion.

Net list window showing voltage across and current through each circuit element, with a slider to step through the simulation. — La vista *Net list*, que muestra el voltaje en cada elemento del circuito y la corriente a través de él. El deslizador permite avanzar por puntos de tiempo o voltaje de la simulación.

5. Tipos de simulación más avanzados

OghmaNano simulation editor showing the mode set to Impedance Spectroscopy (IS). — Cambio del modo de simulación a **Impedance Spectroscopy**.

Impedance spectroscopy output plot showing the real and imaginary parts of the circuit response. — Cambio del modo de simulación a **Impedance Spectroscopy**.

Hasta este punto hemos realizado una simulación JV estándar, pero como el solver de circuitos está completamente integrado con todas las demás herramientas de OghmaNano, también puede ejecutar una amplia gama de análisis avanzados. Al seleccionar diferentes modos desde la cinta Simulation types del menú principal, puede realizar simulaciones Suns–V_OC, Suns–J_SC, C–LIV, Impedance Spectroscopy, Capacitance–Voltage, y mediciones de EQE. Se muestra un ejemplo en Figure 9, donde se representan las componentes real e imaginaria de la respuesta de impedancia (real_imag.csv) para el modelo de circuito. Todas estas herramientas operan exactamente igual que en las simulaciones completas de drift–diffusion, pero aquí tienen la ventaja adicional de estar acopladas directamente al modelo óptico al mismo tiempo.

🧪 Pruébelo usted mismo — tareas de análisis de circuitos

Suns–V_OC: El factor de idealidad muestra cuán estrechamente sigue el diodo el modelo ideal de Shockley: \(n \approx 1\) sugiere recombinación banda a banda, mientras que \(n \approx 2\) indica recombinación asistida por trampas. Para calcularlo, primero cambie el modo de simulación a Suns–V_OC y ejecute la simulación haciendo clic en el botón Play (▶) o pulsando F9. Los resultados se escribirán en suns_voc.csv. A partir de este archivo, calcule el factor de idealidad n usando la pendiente:
\( n = \frac{q}{kT}\,\frac{dV_{\!OC}}{d\ln(\text{suns})} \;=\; \frac{\text{slope}}{V_T} \)
donde \(V_T = kT/q \approx 25.85\,\text{mV}\) a 300 K.

Ahora explore la sensibilidad de parámetros editando los valores de los elementos del circuito y repitiendo la ejecución:
- Factor de idealidad (n): pruebe 1.0 → 1.5 → 2.0
- Resistencia serie (R_s): pruebe 0 → 0.5 → 2 Ω (o equivalentes por área)
- Resistencia de derivación (R_sh): pruebe 10 kΩ → 1 kΩ → 200 Ω
¿Qué debería esperar?
- Aumentar n incrementa la pendiente de \(V_{\!OC}\) frente a \(\ln(\text{suns})\) (mayor pendiente ⇒ mayor n extraído).
- Menor R_sh (más fugas) reduce \(V_{\!OC}\), especialmente a bajos soles; la curva puede aplanarse en el extremo de baja iluminación.
- Mayor R_s tiene poco efecto directo sobre Suns–\(V_{\!OC}\) (ya que es una magnitud de circuito abierto), pero degradará fuertemente el factor de forma JV en el modo JV regular.
- Para extraer n, represente \(V_{\!OC}\) frente a \(\ln(\text{suns})\) y tome la mejor pendiente ajustada, luego use \(n = \text{slope}/V_T\).
IMPS (Intensity-Modulated Photocurrent Spectroscopy): Cambie el modo a IMPS, ejecute el barrido en frecuencia, e inspeccione la salida (función de transferencia de fotocorriente real/imaginaria). Identifique la frecuencia de esquina (fase ≈ −45° o |Real| = |Imag|) y observe cómo se desplaza con R_s, R_sh, o C.
EQE: Cambie al modo EQE, ejecute el barrido espectral, represente el espectro EQE (p. ej. eqe.csv), y comente cómo varía la fotocorriente con la longitud de onda.
CELIV: Cambie al modo C-LIV y ejecute un transitorio. Verá un pico de corriente causado por el capacitor; amplíe la parte inicial de la traza para observar claramente la respuesta transitoria.

✅ Estos análisis se ejecutan sobre el mismo modelo de circuito y siguen estando acoplados al motor óptico, manteniendo la fotocorriente físicamente consistente.

6. Uso de las herramientas de ajuste/barrido con modelos de circuito

Los modelos de circuito están expuestos en el árbol json igual que los parámetros de material de drift diffusion y, por lo tanto, también puede usar las herramientas de ajuste y barrido para ajustar los datos al experimento o para barrer valores del circuito.