بسیاری از دستگاههای اپتوالکترونیکی مدرن در ابعادی بسیار بزرگتر از مقیاسهای میکروسکوپی که معمولاً در فیزیک دستگاههای نیمهرسانا شبیهسازی میشوند ساخته میشوند. در حالی که لایههای فعال سلولهای خورشیدی، OLEDها و آشکارسازهای نوری ممکن است فقط دهها یا صدها نانومتر ضخامت داشته باشند، خود دستگاهها میتوانند تا سانتیمترها یا حتی مترها گسترش یابند. شبیهسازی چنین ساختارهایی با استفاده از مدلهای کامل سهبعدی drift–diffusion بهسرعت از نظر محاسباتی غیرعملی میشود.
در دستگاههای با مساحت بزرگ، محدودیتهای غالب اغلب نه انتقال عمودی حامل از میان لایه فعال، بلکه گسترش جانبی جریان، مقاومت الکترود، و هندسه تماس هستند. این اثرات تعیین میکنند که جریان با چه کارایی از دستگاه جمعآوری میشود و هنگام مقیاسدهی سلولهای آزمایشگاهی به ابعاد عملی دستگاه، اغلب عملکرد را محدود میکنند.
برای حل این مسئله، OghmaNano یک حلگر مدار 3D اختصاصی را شامل میشود. بهجای حل معادلات انتقال نیمهرسانا در همهجای فضا، این حلگر هندسه دستگاه را به یک شبکه از مقاومتها و دیودها تبدیل میکند که جریان را در سراسر کل مساحت دستگاه ثبت میکند. این کار امکان شبیهسازی کارآمد ساختارهایی در مقیاس سانتیمتر و ماژول را فراهم میکند، در حالی که همچنان رفتار الکتریکی فیزیک پایه دستگاه بازتولید میشود.
حلگر مدار بهویژه برای مطالعه سلولهای خورشیدی با مساحت بزرگ، پنلهای OLED، و ماژولهای فتوولتائیک مفید است. برای مثال، آموزش تماس با مساحت بزرگ نشان میدهد که مقاومت الکترود چگونه بر گسترش جریان اثر میگذارد، در حالی که آموزش سلول خورشیدی PM6:Y6 با مساحت بزرگ نشان میدهد که چگونه میتوان تولید نوری و عناصر دیودی را در مدل مدار وارد کرد. چیدمانهای پیچیدهتر دستگاه، از جمله سلولهای بههمپیوسته، در آموزش ماژول پروسکایتی بررسی میشوند.
حلگر مدار از هندسه سهبعدی دستگاه آغاز میکند. پس از تعریف ساختار، نرمافزار یک مش مکانی تولید میکند که چیدمان فیزیکی را نمایش میدهد. سپس این مش به یک شبکه الکتریکی تبدیل میشود که در آن هر اتصال متناظر با یک عنصر مداری است.
لایههای رسانا به پیوندهای مقاومتی تبدیل میشوند، در حالی که نواحی فعال با عناصر دیودی نمایش داده میشوند که رفتار الکتریکی دستگاه را بازتولید میکنند. شبکه حاصل ممکن است شامل هزاران یا میلیونها عنصر باشد، اما میتوان آن را با استفاده از روشهای استاندارد تحلیل مدار بهصورت کارآمد حل کرد.
در هر گره از شبکه، حلگر قانون جریان کیرشهف را اعمال میکند:
$$ \sum_i I_i = 0 $$به این معنا که مجموع جریان ورودی به هر گره باید با مجموع جریان خروجی از آن برابر باشد. حل این معادلات در سراسر کل شبکه تعیین میکند که جریان چگونه در هندسه دستگاه توزیع میشود.
مدل مدار از چندین نوع مختلف عنصر الکتریکی برای نمایش دستگاه فیزیکی استفاده میکند:
جریان عبوری از هر عنصر دیودی از معادله استاندارد دیود پیروی میکند
$$ I(V) = I_0 \left(e^{\frac{qV}{nkT}} - 1\right) - I_{ph} $$که در آن \(I_0\) جریان اشباع معکوس، \(n\) ضریب ایدهآلی، و \(I_{ph}\) جریان نوریتولیدشدهای است که توسط مدل نوری تأمین میشود.
اگرچه رفتار الکتریکی با استفاده از یک شبکه مداری توصیف میشود، خواص نوری دستگاه همچنان میتوانند بهصورت دقیق شبیهسازی شوند. OghmaNano چندین حلگر نوری از جمله روش transfer-matrix را شامل میشود.
این مدلهای نوری محاسبه میکنند که نور چگونه در سراسر ساختار دستگاه منتشر و جذب میشود. پروفایل جذب مکانی حاصل به یک جمله فوتوتولید تبدیل میشود که مستقیماً به عناصر دیودی شبکه مدار وارد میشود. به این ترتیب، حلگر مدلسازی نوری دقیق را با شبیهسازی الکتریکی کارآمد برای مساحت بزرگ ترکیب میکند.
حلگر مدار 3D بهویژه برای سامانههایی مفید است که در آنها مساحت دستگاه بسیار بزرگتر از ضخامت لایههای فعال است. کاربردهای معمول عبارتاند از:
در این دستگاهها، رفتار الکتریکی بهشدت تحت تأثیر طراحی الکترود و گسترش جریان درون لایههای رسانا قرار دارد. با مدلسازی مستقیم این اثرات، حلگر مدار به پژوهشگران اجازه میدهد هندسههای تماس مختلف را بررسی کنند و پیشبینی کنند که عملکرد دستگاه چگونه با اندازه مقیاس خواهد شد.
پس از تعریف هندسه دستگاه، OghmaNano بهطور خودکار از ساختار یک مش مدار سهبعدی تولید میکند. این مش شالوده مدل الکتریکی را تشکیل میدهد و تعیین میکند که هندسه فیزیکی چگونه به عناصر مداری تبدیل شود.
نمونهای از چنین مشی در شکل ?? نشان داده شده است. هر اتصال در مش بسته به ماده و لایهای که از آن منشأ میگیرد، به یک عنصر مقاومتی یا دیودی تبدیل میشود.
حلگر همچنین گرههای استخراج را شناسایی میکند که در شکل ?? نشان داده شدهاند. این گرهها تماسهای الکتریکی را نمایش میدهند که در آنها جریان وارد دستگاه شده یا از آن خارج میشود. توزیع آنها تأثیر زیادی بر نحوه گسترش جانبی جریان در شبکه مدار دارد.
OghmaNano چندین آموزش را شامل میشود که نشان میدهند چگونه از حلگر مدار 3D برای شبیهسازیهای واقعگرایانه دستگاه استفاده شود. این مثالها کاربران را در کل جریان کار، از تعریف هندسه دستگاه تا تحلیل مشخصههای جریان–ولتاژ حاصل، راهنمایی میکنند.
یک نقطه شروع مناسب، آموزش شبیهسازی تماس با مساحت بزرگ است که گسترش جریان و مقاومت الکترود را معرفی میکند. پس از آن میتوانید به آموزش سلول خورشیدی PM6:Y6 با مساحت بزرگ بروید که عناصر دیودی و تولید نوری را وارد میکند.
برای شبیهسازیهای پیشرفتهتر، آموزش ماژول پروسکایتی نشان میدهد که چگونه میتوان چندین دستگاه را بههم متصل کرد تا ماژولهای کامل فتوولتائیک شبیهسازی شوند.
یک شبیهسازی با مساحت بزرگ را امتحان کنید.
با آموزش تماس با مساحت بزرگ شروع کنید، سپس مثال سلول خورشیدی PM6:Y6 و آموزش ماژول پروسکایتی را بررسی کنید.