OghmaNano شامل یک حلگر مدار معادل ساده برای مدلسازی دستگاههای اپتوالکترونیکی با استفاده از شبکههای فشرده مقاومت–خازن–دیود شبیه SPICE است. این حلگر برای مسائلی در نظر گرفته شده است که در آنها یک محاسبه کامل drift–diffusion بیش از حد پرجزئیات، بسیار کند، یا وابسته به پارامترهای مادهای است که با اطمینان کافی شناخته نشدهاند. بهجای حل معادلات انتقال نیمهرسانا در سراسر دستگاه، پاسخ الکتریکی با تعداد کمی المان مدار که تفسیر فیزیکی روشنی دارند نمایش داده میشود.
این موضوع حلگر را بهویژه برای مدلسازی سریع سلول خورشیدی، تحلیل مقاومت شنت/سری، برازش فشرده JV، پاسخ گذرا، طیفسنجی امپدانس، EQE، و بهینهسازی سریع طراحی مفید میکند. در همین گردشکار، OghmaNano میتواند مدل مدار را به حلگر نوری ماتریس انتقال کوپله کند، بهگونهای که یک المان دیود بهجای یک جمله منبع دلخواه برازششده، یک فوتوجریان محاسبهشده فیزیکی دریافت کند. به عبارت دیگر، مدل الکتریکی ساده و یکبعدی است، در حالی که اپتیک همچنان میتواند تداخل همدوس کامل لایهنازک را حفظ کند.
برای بسیاری از مطالعات عملی دستگاه، این دقیقاً سطح توصیف مناسب است. مدار معادل رفتار ماکروسکوپی غالب را ثبت میکند — مانند روشنشدن دیود، افتهای ناشی از مقاومت سری، نشت از مسیرهای شنت، و ظرفیت هندسی — در حالی که موتور نوری تعیین میکند چه مقدار نور واقعاً در لایه فعال انتخابشده جذب میشود. این موضوع حلگر را به پلی طبیعی بین مدلسازی فشرده سریع و کوپله نوری با معنای فیزیکی تبدیل میکند.
یک شبیهسازی کامل فیزیک دستگاه میتواند چگالی حاملها، پتانسیل الکترواستاتیکی، بازترکیب، تلهها، و انتقال را با جزئیات زیاد حل کند، اما این کار هزینه دارد: به پارامترهای ورودی بسیار و یک حل عددی پرهزینهتر نیاز دارد. در مقابل، حلگر مدار معادل مسئله را به تعداد اندکی مؤلفه با معنای فیزیکی مستقیم کاهش میدهد. برای مثال، یک سلول خورشیدی اغلب بهخوبی با یک دیود بهصورت موازی با یک مقاومت شنت و خازن، بهعلاوه یک مقاومت سری تقریب زده میشود.
در این تصویر فشرده، جریان را میتوان بهصورت شماتیک بهصورت زیر نوشت
\( I(V) = I_{0}\!\left[\exp\!\left(\frac{qV_{\mathrm{d}}}{nkT}\right)-1\right] - I_{\mathrm{ph}} \)
که در آن \(I_{0}\) جریان اشباع دیود، \(n\) ضریب ایدهآلی، و \(I_{\mathrm{ph}}\) فوتوجریان است. ولتاژی که واقعاً توسط دیود دیده میشود، توسط مدار پیرامونی و بهویژه المانهای سری و شنت تغییر میکند. این اغلب برای بازتولید شکل کلیدی یک منحنی JV و فهم اینکه کدام کانال افت بر دستگاه غالب است کافی است.
وقتی اثرات خازنی اهمیت داشته باشند، همین مدار میتواند رفتار گذرا یا حوزه فرکانس را نیز با استفاده از رابطه معمول زیر توصیف کند
$$ I_{C} = C\,\frac{dV}{dt} $$
که این مدل را نهتنها برای sweepهای JV حالت پایا، بلکه برای CELIV، طیفسنجی امپدانس، IMPS، و دیگر اندازهگیریهای مدولهشده یا گذرا نیز مناسب میکند. این یکی از نقاط قوت اصلی پیادهسازی OghmaNano است: مدل مداری یک حلگر اسباببازی یکباره نیست، بلکه یک موتور الکتریکی فشرده است که درون گردشکار تجربی گستردهتر نرمافزار جاسازی شده است.
شاخصترین ویژگی حلگر مداری OghmaNano این است که از فیزیک نوری جدا نیست. یک دیود میتواند به یک لایه مشخص در پشته دستگاه متصل شود، و جمله فوتوجریان آنگاه میتواند توسط روش ماتریس انتقال (TMM) تأمین شود. این بدان معناست که شار فوتون جذبشده از پشته نوری واقعی — شامل ضریب شکست وابسته به طول موج، تداخل لایهنازک، اثرات موج ایستا، و جذب وابسته به موقعیت — محاسبه میشود، پیش از آنکه به یک جمله تولید برای المان مداری تبدیل شود.
این موضوع برای سلولهای خورشیدی، فوتودیودها، و دیگر دستگاههای نور-محور بسیار مفید است، زیرا به شما اجازه میدهد بررسی کنید که ضخامت لایه، مواد نوری، و تداخل چگونه خروجی جریان را تغییر میدهند، بدون آنکه نیاز به اجرای یک مدل کامل drift–diffusion داشته باشید. در عمل، این موضوع حلگر مدار معادل را به ابزاری قدرتمند برای غربالگری سریع معماری دستگاه تبدیل میکند: میتوانید بررسی کنید دستگاه از نظر الکتریکی چگونه پاسخ میدهد، در حالی که یک محاسبه نوری با معنای فیزیکی نیز حفظ میشود.
چون محاسبه نوری در همان محیط نرمافزاری انجام میشود، جابهجایی بین مدلسازی الکتریکی فشرده و طراحی نوری دقیقتر ساده میشود. برای مثال میتوانید ضخامت لایه فعال را در پشته تغییر دهید، محاسبه ماتریس انتقال را دوباره اجرا کنید، و بلافاصله اثر آن را بر فوتوجریان دیود و منحنی نهایی JV مشاهده کنید. این یکی از دلایلی است که حلگر مداری برای بهینهسازی سریع طراحی دستگاههای اپتوالکترونیکی لایهای بسیار مؤثر است.
مدلهای مداری با استفاده از زبانه Circuit Diagram در رابط اصلی ساخته میشوند. ویرایشگر بلوکهای سازنده استاندارد مورد نیاز برای مدلهای فشرده را فراهم میکند: مقاومتها، خازنها، دیودها، المانهای غیرخطی، سیمها، زمین، و منابع. نمونه مدار سلول خورشیدی که در شکل ?? نشان داده شده است، شامل شبکه حداقلی کلاسیک فتوولتائیک است: یک شاخه دیود، یک شاخه شنت، یک مقاومت سری، و یک خازن.
با کلیک روی یک مؤلفه، یک ویرایشگر باز میشود که در آن میتوان پارامترهای آن را تغییر داد. برای دیود، این موارد شامل ضریب ایدهآلی، جریان اشباع \(I_{0}\)، لایهای که از نظر نوری به آن کوپله شده است، و بازده فوتونی هستند. این موارد در شکل ?? و شکل ?? نشان داده شدهاند.
این کنترل در سطح مؤلفه مهم است، زیرا به شما اجازه میدهد بهآرامی از یک مدل فشرده صرفاً برازششده به یک مدل نیمهفیزیکی اپتوالکترونیکی حرکت کنید. میتوانید با یک دیود ایدهآل ساده شروع کنید، سپس مقاومت سری واقعی، نشت شنت، پاسخ خازنی، و در نهایت تولید نوری از حلگر ماتریس انتقال را اضافه کنید. این موضوع ویرایشگر را هم برای آموزش و هم برای گردشکارهای پژوهشی مفید میکند.
یکی از مزیتهای اصلی موتور مدار معادل این است که در همان چارچوب شبیهسازی سایر بخشهای OghmaNano کار میکند. ولتاژ اعمالی به همان روشی تعریف میشود که برای یک شبیهسازی کامل دستگاه تعریف میشود، و همان حالتهای تجربی نیز میتوانند استفاده شوند. این بدان معناست که مدل فشرده را میتوان در حالت JV، حالت EQE، Suns–VOC، Suns–JSC، CELIV، طیفسنجی امپدانس، IMPS، ظرفیت–ولتاژ، و دیگر حالتهای حوزه زمان یا حوزه فرکانس اجرا کرد.
این موضوع ارزشمند است زیرا همان دستگاه را میتوان از چندین منظر بررسی کرد، بدون آنکه مدل در یک بسته مداری خارجی بازسازی شود. نمودار در شکل ?? یک خروجی معمول حوزه فرکانس را نشان میدهد، در حالی که نمونه زیر نشان میدهد چگونه همین چارچوب مداری را میتوان برای محاسبه خروجیهای طیفی مانند EQE نیز بهکار برد. این موضوع حلگر مدار ساده را به چیزی بسیار فراتر از یک ابزار پایه برازش JV تبدیل میکند. این حلگر میتواند بهعنوان یک مدل جانشین سریع برای تفسیر آزمایشها، برای آزمودن اینکه چگونه پارامترهای مختلف مدار معادل پاسخ اندازهگیریشده را شکل میدهند، و برای غربالگری سریع طراحیها پیش از حرکت به سمت شبیهسازیهای دقیقتر فیزیک دستگاه استفاده شود.
وقتی شبیهسازی از رابط اصلی اجرا میشود، حلگر فایلهای خروجی معمول را در زبانه Output مینویسد. علاوه بر این، میتواند یک خروجی مؤلفه به سبک netlist تولید کند که جریان عبوری و ولتاژ دو سر هر المان را ثبت میکند. این موضوع بهویژه برای فهم اینکه در یک نقطه کاری مشخص، کدام شاخه مدار بر پاسخ غالب است بسیار مفید است.
نمای لحظهای مدار برچسبگذاریشده در شکل ?? این موضوع را بهخوبی نشان میدهد: هر مؤلفه را میتوان هنگام حرکت لغزنده در طول sweep بررسی کرد، تا کاربر ببیند مثلاً در چه زمانی جریان دیود غالب میشود، در چه زمانی مسیر شنت اهمیت پیدا میکند، یا خازن چگونه در یک آزمایش گذرا مشارکت میکند.
این یکی از آموزندهترین جنبههای حلگر است. در یک مدل فشرده، هر المان تفسیر روشنی دارد. بهجای بررسی یک حل میدان بزرگ، میتوانید مستقیماً بپرسید: آیا ضریب پرشدگی توسط مقاومت سری محدود شده است؟ آیا رفتار ولتاژ پایین تحت سلطه نشت شنت است؟ آیا پاسخ گذرا خازنی است؟ آیا فوتوجریان با جذب نوری سازگار است؟ خروجیهای مدار پاسخ به این پرسشها را آسان میکنند.
حلگر مدار معادل بهویژه برای موارد زیر مناسب است:
این حلگر همچنین یک ابزار آموزشی خوب است. چون مدل ساده و بصری است، به کاربران کمک میکند شهودی نسبت به اینکه کیفیت دیود، مسیرهای نشت، افتهای مقاومتی، و تولید نوری چگونه با هم ترکیب میشوند تا پاسخ نهایی الکتریکی را تعیین کنند، بهدست آورند.
از آنجا که حلگر سبک است، با ابزارهای scan و fitting در OghmaNano نیز بسیار خوب کار میکند. پارامترهای مدار در همان درخت پارامتر به سبک JSON مانند سایر بخشهای شبیهسازی در دسترس هستند، بنابراین میتوان آنها را مانند پارامترهای مدل دقیقتر اسکن، تنظیم، یا نسبت به آزمایش برازش کرد.
OghmaNano شامل مدلهای فشرده نمونه در بخش Simple Diode Models از کتابخانه شبیهسازی است. یک نقطه شروع مناسب آموزش مدار معادل ساده است، که ویرایشگر مدار را معرفی میکند، پارامترهای مؤلفهها را توضیح میدهد، و نشان میدهد چگونه مدل میتواند برای یک سلول خورشیدی از نوع PM6:Y6 به حلگر نوری کوپله شود.
کاربرانی که به بخش نوری این گردشکار علاقهمند هستند، باید صفحه اصلی ماتریس انتقال و آموزش فیلتر نوری لایهنازک را نیز ببینند، زیرا همان موتور اپتیک همدوس لایهنازک مسئول تولید جمله فوتوجریان مورد استفاده توسط دیود است. برای مدلسازی الکتریکی دقیقتر فراتر از تقریب فشرده، به حلگر پیشرفته Drift–Diffusion مراجعه کنید.
یک نمونه مدار ساده را امتحان کنید.
با آموزش مدار معادل ساده شروع کنید تا یک مدل سلول خورشیدی مبتنی بر دیود را بسازید و اجرا کنید. سپس حالتهای شبیهسازی جایگزین مانند JV، EQE، Suns–VOC، CELIV، و طیفسنجی امپدانس را با استفاده از همین مدار فشرده بررسی کنید.
برای افزودن فوتوجریان با معنای فیزیکی، مدل مدار را با روش ماتریس انتقال ترکیب کنید، که تولید ناشی از جذب را مستقیماً به المان دیود میرساند.