شبیهسازیهای مداری ساده
۱. مقدمه
اگرچه شبیهسازیهای کامل drift–diffusion راهی قدرتمند برای تحلیل رفتار دستگاه با جزئیات هستند—و اثراتی مانند نرخهای بازترکیب، تحرکپذیری حاملها، و دیگر فرایندهای میکروسکوپی را ثبت میکنند—اما ذاتاً برای اجرا و تفسیر نیز پیچیدهاند. آنها به پارامترهای مادی بسیاری نیاز دارند که اغلب در دسترس نیستند، و در بسیاری از موارد چنین جزئیات ریزدانهای لازم نیست. گاهی فقط میخواهید یک مسیر شنت را عیبیابی کنید، مقاومت سری را ارزیابی کنید، یا درک سریعی از رفتار کلی دستگاه به دست آورید. در چنین موقعیتهایی، اغلب عملیتر است که از مدلهای الکتریکی سادهشده استفاده شود. یک مدار معادل ساده متشکل از مقاومتها، خازنها، و دیودهای ایدهآل اغلب کافی است. برای پشتیبانی از این موضوع، OghmaNano یک حلگر مداری داخلی فراهم میکند که از نظر ایده مشابه LTspice است و به شما اجازه میدهد ولتاژهای دلخواه را به شبکههای مداری دلخواه اعمال کرده و پاسخهای الکتریکی واقعبینانه به دست آورید. این حلگر یک جایگزین مستقیم drop-in برای موتور drift–diffusion است: ولتاژهای اعمالی به همان شیوه تعریف میشوند، و همه حالتهای آزمایشی—مانند حوزه زمان، حوزه فرکانس، و EQE—همچنان سازگار باقی میمانند. علاوه بر این، مدل انتقال-ماتریس که برای محاسبه جذب نوری استفاده میشود میتواند به دیودها جفت شود، و این امکان را فراهم میکند که فوتوجریان بهصورت سازگار شبیهسازی شود. چندین نمونه شبیهسازی مداری در نرمافزار گنجانده شدهاند و میتوان آنها را در پوشه Simple Diode Model در پنجره شبیهسازی جدید یافت (نگاه کنید به Figure 1).
در این آموزش، ما از حلگر مدار ساده برای مدلسازی یک سلول خورشیدی PM6:Y6 بهصورت سرراست استفاده خواهیم کرد و یک درک پایه از رفتار آن به دست خواهیم آورد.
۲. شروع کار
از زبانه شبیهسازی جدید در نوار فایل، برای باز کردن پنجره شبیهسازی جدید کلیک کنید (نگاه کنید به Figure 1a). اگر سپس روی Simple Diode Models دوبار کلیک کنید، نرمافزار یک زیرمنوی مثالهای مداری موجود را نمایش خواهد داد (نگاه کنید به Figure 1b). برای این آموزش از مثال OPV PM6:Y6 JV curve استفاده خواهیم کرد. ما با منحنی JV شروع میکنیم زیرا سادهترین شبیهسازی مبتنی بر مدار برای اجرا است.
هنگامی که شبیهسازی جدید خود را ذخیره کردید، پنجرهای شبیه رابط استاندارد شبیهسازی OghmaNano باز خواهد شد. این مورد در Figure 3 نشان داده شده است. این پنجره دقیقاً شبیه یک پنجره شبیهسازی عادی است، با این تفاوت که ویرایشگر پارامترهای الکتریکی خاکستری شده است. همچنین متوجه خواهید شد که زبانه دومی با عنوان Circuit Diagram ظاهر شده است. کلیک روی این زبانه ویرایشگر نمودار مدار را باز میکند که در Figure 4 نشان داده شده است. در اینجا دستگاه بهصورت یک مدار معادل ساده متشکل از یک دیود، یک مقاومت سری، یک مقاومت شنت، و یک خازن نمایش داده میشود. این ابتداییترین مدل سلول خورشیدی را فراهم میکند. خازن ظرفیت هندسی ناشی از تماسها را در نظر میگیرد، که بعداً زمانی که شبیهسازیهای حوزه زمان و حوزه فرکانس را بررسی کنیم مهم خواهد بود.
۳. ویرایش مدار
در سمت چپ Figure 4 میتوانید مجموعهای از اجزای الکتریکی استاندارد موجود در ویرایشگر مدار را ببینید. اینها شامل مقاومت، خازن، دیود، سیم، زمین، و باتری هستند. همچنین دو ابزار وجود دارد: یک اشارهگر برای انتخاب و ویرایش اجزا، و یک ابزار قلممو که برای حذف آنها استفاده میشود. هر دکمه با جزئیات بیشتر در جدول زیر توصیف شده است.
| جزء/ابزار | معادله | توضیح |
|---|---|---|
| مقاومت | \(V = IR\) | مقاومت اهمی در مدار را مدل میکند. |
| خازن | \(I = C \tfrac{dV}{dt}\) | بار را ذخیره و آزاد میکند و ظرفیت هندسی یا پارازیتی را نمایش میدهد. |
| دیود | \(i(t,V) = I_{0}\!\left(e^{\tfrac{qV}{nkT}} - 1\right) - I_{\text{light}}\) | یک دیود ایدهآل را نمایش میدهد؛ \(I_{\text{light}}\) از شبیهسازیهای نوری گرفته میشود. |
| عنصر غیرخطی | \(i(t,V) = \left(\tfrac{I_{0} \cdot V}{V_{0} + d}\right)^m\) | عنصر غیرخطی تعریفشده توسط کاربر برای مدلسازی مداری پیشرفته. |
| سیم | — | سیم ایدهآل بدون پارامترهای پارازیتی. |
| زمین | — | مرجع زمین که روی 0 V تنظیم شده است. |
| باتری | — | به مدار ولتاژ اعمال میکند، که از تماسی با برچسب change در ویرایشگر تماس گرفته میشود. |
| اشارهگر | — | برای انتخاب و ویرایش عناصر مدار استفاده میشود. |
| قلممو | — | برای حذف عناصر مدار استفاده میشود. |
با کلیک روی هر عنصر مدار با هر ابزاری بهجز قلممو، میتوانید مقدار اجزا را همانطور که در [fig:circuit_edit_component] دیده میشود تغییر دهید، و نمای بزرگشده آن در [fig:circuit_edit_component_zoom] آمده است.
وقتی روی هر جزء در ویرایشگر مدار کلیک میکنید، یک جعبه ویرایش ظاهر میشود که به شما اجازه میدهد پارامترهای آن را تغییر دهید. بیشتر این تنظیمات سرراست هستند و درک آنها آسان است. تفصیلیترین پیکربندی برای مدل دیود ظاهر میشود که چندین پارامتر اضافی دارد. این جعبه ویرایش در Figure 5 نشان داده شده است، و گزینهها در جدول زیر توضیح داده شدهاند.
| پارامتر | توضیح |
|---|---|
| Component | انتخاب میکند که عنصر مدار چه نوع جزئی را نمایش دهد. |
| Name | برچسب خوانای انسانی برای جزء؛ میتوانید هر نامی را انتخاب کنید. |
| Ideality factor | ضریب ایدهآلی دیود n. |
| I0 | جریان اشباع در معادله دیود. |
| Layer | لایهای که دیود نمایش میدهد؛ جریان نوری از تولید در این لایه محاسبه میشود. |
۴. اجرای ویرایشگر مدار
به پنجره اصلی شبیهسازی بروید، دکمه Play (▶) را پیدا کنید، و روی آن کلیک کنید — یا بهسادگی F9 را فشار دهید — تا شبیهسازی اجرا شود. پس از شروع، OghmaNano ابتدا مدل نوری انتخابشده (برای مثال Transfer Matrix یا Ray Tracing) را ارزیابی میکند و سپس خروجی آن را به حلگر مدار جفت میکند تا فوتوجریان دستگاه را تولید کند. سپس یک پیمایش JV دقیقاً به همان شکلی که در شبیهسازیهای کامل drift–diffusion انجام میشود صورت میگیرد.
علاوه بر فایلهای خروجی استاندارد، حلگر مدار همچنین یک Net list تولید میکند. این مورد در
Figure 11.2 نشان داده شده است. با دوبار کلیک روی
فایل netlist پنجرهای باز میشود که ولتاژ روی هر جزء و جریان عبوری از هر جزء را در
مدار نمایش میدهد. میتوانید از لغزنده برای حرکت گامبهگام در هر نقطه شبیهسازی (زمان یا ولتاژ) استفاده کنید. توجه داشته باشید که net list
فقط زمانی ایجاد میشود که Write everything to disk در ویرایشگر شبیهسازی فعال باشد.
۵. انواع شبیهسازی پیشرفتهتر
real_imag.csv).
تا اینجا ما یک شبیهسازی JV استاندارد انجام دادهایم، اما چون حلگر مدار بهطور کامل
با همه ابزارهای دیگر در OghmaNano یکپارچه شده است، شما میتوانید طیف گستردهای از تحلیلهای پیشرفته را نیز اجرا کنید. با انتخاب
حالتهای مختلف از نوار Simulation types در منوی اصلی، میتوانید
شبیهسازیهای Suns–VOC، Suns–JSC، C–LIV،
Impedance Spectroscopy، Capacitance–Voltage، و EQE را انجام دهید.
یک مثال در Figure 9 نشان داده شده است،
که در آن مؤلفههای حقیقی و موهومی پاسخ امپدانس (real_imag.csv) برای مدل
مدار رسم شدهاند. همه این ابزارها دقیقاً همانطور که در شبیهسازیهای کامل drift–diffusion عمل میکنند، در اینجا نیز عمل میکنند، اما در اینجا
مزیت اضافی آنها این است که همزمان مستقیماً به مدل نوری نیز جفت شدهاند.
۶. استفاده از ابزارهای fitting/scan با مدلهای مداری
مدلهای مداری درست مانند پارامترهای ماده drift diffusion در درخت json در معرض دید قرار میگیرند و بنابراین میتوانید از ابزارهای fitting و scan نیز برای برازش دادهها با آزمایش یا برای پیمایش در میان مقادیر مداری استفاده کنید.