آموزش سلول خورشیدی پروسکایتی – شبیهسازی EQE
1. مقدمه
بازده کوانتومی خارجی (EQE) توصیف میکند که یک سلول خورشیدی تا چه اندازه فوتونهای فرودی را در هر طول موج به حاملهای بار جمعآوریشده تبدیل میکند. به بیان دیگر، EQE احتمال آن است که یک فوتون با انرژی معین در فوتوجریان سهم داشته باشد. از نظر تجربی، این روش یکی از متداولترین تکنیکهای مشخصهیابی برای سلولهای خورشیدی است و اطلاعات دقیقی درباره جذب، جمعآوری بار، و تلفات در سراسر طیف خورشیدی فراهم میکند.
برای دستگاههای پروسکایتی، EQE بهویژه مفید است زیرا لبه جذب تیز — و هر تلفات نوری اضافی — بهطور مستقیم کیفیت ماده، مناسب بودن ضخامت لایهها، و نحوه تداخل نور درون پشته را بازتاب میدهد. در این آموزش شما EQE را در OghmaNano شبیهسازی خواهید کرد، طیف را رسم خواهید کرد، پشتههای دستگاه را مقایسه خواهید کرد، و مدل خود را با EQE اندازهگیریشده بررسی خواهید کرد.
2. آمادهسازی یک شبیهسازی برای EQE
با اجرای OghmaNano شروع کنید. در پنجره اصلی روی New simulation کلیک کنید. کتابخانه انواع دستگاههای موجود همانطور که در ?? نشان داده شده است ظاهر میشود. روی دسته Perovskite cells دوبار کلیک کنید تا به دستگاههای نمونه دسترسی پیدا کنید. درون پوشه پروسکایت مجموعهای از شبیهسازیهای نمونه از پیش ساختهشده را خواهید دید، مانند دستگاههای MAPbI₃ و گونههایی با اثرات یونی (یونهای منجمد، CELIV، و غیره). نمونه Perovskite solar cell - frozen ions (MAPI) را همانطور که در ?? نشان داده شده است انتخاب کنید.
💡 نکته: مطمئن شوید که Perovskite solar cell - frozen ions (MAPI) را انتخاب میکنید - بخش frozen ions مهم است و بعداً توضیح داده خواهد شد.
پیش از اجرای شبیهسازی، به زبانه Simulation type بروید و از حالت پیشفرض Perovskite hysteresis به حالت EQE تغییر دهید. این کار شبیهسازی را برای انجام محاسبات EQE آماده میکند.
3. اجرای شبیهسازی
پس از آنکه حالت شبیهسازی را به EQE تغییر دادید، به زبانه file بروید. دکمه Run simulation (آیکون پخش آبی) را فشار دهید یا کلید F9 را بزنید تا محاسبه اجرا شود. وقتی اجرا تمام شد، به زبانه Output بروید؛ در آنجا فایلهای تولیدشده توسط شبیهسازی EQE را خواهید دید.
E_eqe.csv و E_iqe.csv برای تحلیل طیفی.
پس از پایان شبیهسازی، به زبانه Output بروید. روی eqe.csv دوبار کلیک کنید
تا نمودار طول موج بر حسب EQE رسم شود (نگاه کنید به
??).
اگر روی E_eqe.csv دوبار کلیک کنید، نموداری از انرژی فوتون بر حسب EQE خواهید دید (نگاه کنید به
??).
eqe.csv — نمودار طول موج بر حسب EQE.
این شکل طیف EQE را بهصورت تابعی از طول موج همانطور که توسط شبیهسازی تولید شده است نشان میدهد.
e_eqe.csv — نمودار انرژی فوتون بر حسب EQE.
این همان طیف EQE است که بر حسب انرژی (eV) بیان شده و از همان اجرا تولید شده است.
در اصل، این تمام چیزی است که برای اجرای شبیهسازیهای EQE نیاز دارید. همین روش برای هر رده دستگاهی (مثلاً سلولهای خورشیدی سیلیکونی یا آلی) کار میکند: فقط روی دکمه EQE کلیک کنید، شبیهسازی را اجرا کنید، و طیف EQE تولید خواهد شد. اما چون این آموزش از یک سلول خورشیدی پروسکایتی با یونهای متحرک استفاده میکند، چند جزئیات اضافه وجود دارد که باید در نظر بگیرید. اگر میخواهید جزئیات را درک کنید، ادامه دهید.
4. چند جزئیات بیشتر
وقتی دکمه پخش را میزنید و حلگر EQE را اجرا میکنید، این کار در سه مرحله انجام میشود. مرحله 1: دستگاه را تا ولتاژ بایاس معکوس مورد نظر که EQE در آن اندازهگیری خواهد شد ramp میکند؛ (میتوانید این ولتاژ را از طریق ویرایشگر EQE تنظیم کنید: Main window → Editors → EQE → EQE Voltage); مرحله 2: حلگر نوری را روی بازه طول موج مورد نظر اجرا میکند تا توزیع فوتون درون دستگاه را محاسبه کند (نگاه کنید به ??). مرحله 3: خود محاسبه EQE را با استفاده از آن نتایج نوری در بایاس هدف انجام میدهد (نگاه کنید به ??). هنگام اجرای حلگر میتوانید این فازهای مختلف محاسبه را ببینید.
ولتاژی که شبیهسازی EQE در آن اجرا میشود را میتوان در EQE Editor تنظیم کرد (نگاه کنید به ??). در اینجا پارامتر EQE Voltage بایاس مورد استفاده برای محاسبه را تعریف میکند، و این ویرایشگر از نوار Editors در پنجره اصلی قابل دسترسی است. مزیت اجرای EQE در ولتاژ منفیتر این است که اثر بازترکیب حامل را کمینه میکنید. هرچه به صفر ولت نزدیکتر شوید و بهویژه اگر وارد بایاس مستقیم شوید، شبیهسازی مقادیر فزایندهای از بازترکیب را در بر خواهد گرفت. در آن رژیم، نتیجه دیگر اندازهگیری تمیزی از EQE ذاتی نخواهد بود.
5. EQE در پروسکایتها
🔧 جزئیات پیشرفته: بخش زیر توضیح میدهد که چگونه OghmaNano از Lua microcode برای کنترل حلگر یون متحرک در طول محاسبات EQE استفاده میکند. برای اجرای شبیهسازیهای EQE نیازی به درک این بخش ندارید، اما اگر میخواهید بدانید در پشتصحنه چه اتفاقی میافتد یا رفتار حلگر را سفارشی کنید، ادامه دهید.
سلولهای خورشیدی پروسکایتی دارای یونهای متحرک هستند، بنابراین هر اندازهگیری توزیع یونها را تغییر میدهد و پارامترهایی مانند EQE، JSC، یا VOC را به تاریخچه وابسته میکند. از نظر تجربی، رویکرد متداول این است که دستگاه را تا یک ولتاژ مشخص ramp کنند، اجازه دهند یونها پایدار شوند، و سپس اندازهگیری را انجام دهند. در این شبیهسازی ما همین روند را بازتولید میکنیم: یونها در طول ramp آزادانه حرکت میکنند، سپس وقتی بایاس هدف حاصل شد منجمد میشوند، و EQE بهسرعت محاسبه میشود تا توزیع یونها بیشتر مختل نشود. این کار بازتابدهنده رویه مطلوب در این حوزه است، جایی که EQE پس از پایدارسازی و تحت یک تاریخچه ولتاژی تعریفشده اندازهگیری میشود، همانطور که در رهنمودهای جامعه علمی توصیه شده است (Khenkin et al., Nat. Energy 2020) و در استانداردهای بینالمللی PV مانند IEC 60904 آمده است.
در پروسکایتهای دارای یون متحرک، پارامترهایی مانند EQE و بازده میتوانند به تاریخچه ولتاژ دستگاه وابسته باشند. دو راه عملی برای بهدستآوردن EQE سازگار وجود دارد: (i) بهطور موقت حلگر یون متحرک را کاملاً غیرفعال کنید (نگاه کنید به زبانه Electrical)، یا (ii) یونها را در طول ramp بایاس متحرک نگه دارید تا relaxation انجام شود، سپس آنها را فقط هنگام محاسبه EQE منجمد کنید. این رفتار از طریق ویرایشگر microcode مربوط به drift-diffusion کنترل میشود (نگاه کنید به ??).
از نظر عملی، در OghmaNano دو راه برای برخورد با یونهای متحرک هنگام اجرای EQE وجود دارد. راه اول این است که حلگر یون متحرک را کاملاً غیرفعال کنید. این کار را میتوان از نوار Electrical در پنجره اصلی و با بیرون آوردن دکمه Perovskite ion solver انجام داد که درست زیر منوی نشاندادهشده در ?? قرار دارد. عیب این روش آن است که حرکت یونها را بهطور کامل نادیده میگیرد.
روش دوم، و ظریفتر، این است که یونها را در طول ramp آهسته ولتاژ متحرک نگه دارید تا در یک توزیع شبهتعادلی پایدار شوند، و سپس فقط زمانی که خود اندازهگیری EQE آغاز میشود آنها را «منجمد» کنید. این معادل آن است که بهصورت تجربی یک ramp آهسته ولتاژ منفی اعمال کنید تا یونها پایدار شوند، و سپس EQE را خیلی سریع اندازهگیری کنید پیش از آنکه یونها زمان حرکت داشته باشند. در شبیهسازی ارائهشده این کار بهصورت پیشفرض از طریق یک اسکریپت کوچک Lua انجام میشود.
برای مشاهده یا ویرایش این رفتار، به نوار Electrical بروید، منوی سمت راست دکمه Drift diffusion را باز کنید، و روی Edit microcode کلیک کنید (نگاه کنید به ??). این کار پنجره ویرایشگر اسکریپت را باز میکند (??)، که کد Lua کنترلکننده حلگر را نشان میدهد. خطوط کلیدی، حلگر یون را هر زمان که محاسبه EQE در حال اجراست خاموش میکنند، اما آن را در طول ramp ولتاژ روشن نگه میدارند. این کار تضمین میکند که یونها پیش از محاسبه EQE به تعادل برسند، و در نتیجه نتایج سازگار و از نظر فیزیکی واقعبینانه بهدست آید. همین ترفند را میتوان برای منحنیهای JV یا آزمایشهای دیگر نیز به کار برد.
📝 تمرین 1 — EQE بهعنوان تابعی از بایاس
هدف: ببینید بایاس چگونه بر EQE اثر میگذارد و چرا ولتاژهای منفیتر آرتیفکتهای بازترکیب را سرکوب میکنند.
- ویرایشگر EQE را باز کنید: Main window → Editors → EQE.
- مقدار EQE Voltage را روی
-1V قرار دهید و شبیهسازی EQE را اجرا کنید. - ولتاژهای زیر را جاروب کنید، هر بار EQE را دوباره اجرا کرده و طیفها را ذخیره کنید:
+1 V → +0.5 V → 0 V → −1 V → +3 V → +5 V. (بایاس مستقیم، مثلاً +3 V و +5 V، عمداً بازترکیب را افزایش داده و EQE را کاهش میدهد.) - طیفها را روی هم بیندازید و توجه کنید منحنیها در کجا بیشترین واگرایی را دارند (نزدیک لبه جذب، افت طول موجهای بلند، و غیره).
مشاهدات / نتایج مورد انتظار
- در −1 V، EQE معمولاً بیشترین مقدار و هموارترین شکل را دارد (جمعآوری تسهیلشده؛ حداقل بازترکیب).
- در 0 V (JSC)، EQE معمولاً کمی نسبت به −1 V افت میکند، بهویژه نزدیک لبه باند.
- در +0.5 V و +1 V، بازترکیب بیشتر EQE را بیشتر کاهش میدهد.
- در بایاس مستقیم قویتر (+3 V، +5 V)، EQE میتواند بهشدت افت کند و دیگر نماینده EQE ذاتی نباشد (به بازترکیب محدود میشود).
- ناحیه طول موجی که اغلب بیشترین حساسیت را به بایاس دارد، دنباله طول موجهای بلند است (جایی که جذب ضعیفتر است و جمعآوری حامل اهمیت بیشتری دارد).
🧪 تمرین 2 — EQE در JSC با بازترکیب متغیر
هدف: کمیسازی اینکه بازترکیب چگونه بر طیف EQE در شرایط اتصال کوتاه اثر میگذارد.
- در ویرایشگر EQE مقدار EQE Voltage را روی
0V (یعنی JSC) قرار دهید. - در Electrical parameters دستگاه، تنظیمات بازترکیب کمکی-تله (SRH) را پیدا کنید (مثلاً طولعمر حامل، سطح مقطع بهداماندازی، یا چگالی عیب).
- سه شبیهسازی اجرا کنید:
- حالت مبنا: مقادیر فعلی/پیشفرض بازترکیب.
- بازترکیب بیشتر: نرخ SRH را حدود ×10 افزایش دهید (طولعمر کوتاهتر یا سطح مقطع بزرگتر).
- بازترکیب کمتر: نرخ SRH را حدود ÷10 کاهش دهید (طولعمر بلندتر یا سطح مقطع کوچکتر).
- سه طیف EQE را مقایسه کنید (روی شروع طول موج بلند و هر ویژگی نزدیک به قلههای تداخل نوری تمرکز کنید).
مشاهدات / نتایج مورد انتظار
- بازترکیب SRH بیشتر → EQE کاهش مییابد، که بیشترین نمود آن نزدیک لبه جذب و در نواحی دارای تولید ضعیف است.
- بازترکیب SRH کمتر → EQE به «سقف» نوری تعیینشده توسط جذب/اپتیک نزدیک میشود.
- تغییرات ممکن است شبیه اثرات ضخامت/اپتیکی به نظر برسند؛ برای تشخیص، هم از
eqe.csv(دامنه λ) و هم ازe_eqe.csv(دامنه E) استفاده کنید.
ℹ️ توجه: برای استخراج تمیز EQE، بایاس معکوس ملایم (مثلاً −1 V) را ترجیح دهید تا بازترکیب کمینه شود. شرایط بایاس مستقیم (+3 تا +5 V) صرفاً برای نمایش هستند و معمولاً نماینده EQE ذاتی نیستند.
✅ آنچه آموختید
- چگونه یک شبیهسازی EQE را در OghmaNano آماده و اجرا کنید.
- نتایج را از کجا پیدا و رسم کنید (
eqe.csvوe_eqe.csv). - چرا پروسکایتها به دلیل یونهای متحرک به برخورد ویژه نیاز دارند.
- چگونه ولتاژ EQE را انتخاب کنید، و چرا ولتاژهای منفیتر بازترکیب را کمینه میکنند.
- دو رویکرد برای برخورد با یونهای متحرک: غیرفعال کردن کامل آنها، یا منجمد کردن آنها فقط در طول مرحله EQE.