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De nombreux dispositifs optoélectroniques modernes sont fabriqués sur des surfaces beaucoup plus grandes que les échelles microscopiques généralement utilisées dans les simulations de physique des dispositifs à semi-conducteurs. Bien que les couches actives des cellules solaires, des OLED et des photodétecteurs ne mesurent que quelques dizaines ou centaines de nanomètres d’épaisseur, les dispositifs eux-mêmes peuvent s’étendre sur plusieurs centimètres, voire plusieurs mètres. La simulation de telles structures à l’aide de modèles de dérive-diffusion tridimensionnels complets devient rapidement irréalisable sur le plan informatique.
Dans les dispositifs de grande taille, les principales limitations ne sont souvent pas liées au transport vertical des porteurs de charge à travers la couche active, mais plutôt à la dispersion latérale du courant, à la résistance des électrodes et à la géométrie des contacts. Ces facteurs déterminent l’efficacité avec laquelle le courant peut être collecté à partir du dispositif et limitent fréquemment les performances lors du passage de prototypes de laboratoire à des dispositifs de taille pratique.
Pour résoudre ce problème, OghmaNano intègre un module de résolution de circuits 3D dédié. Au lieu de résoudre les équations de transport des semi-conducteurs dans tout l’espace, le module convertit la géométrie du dispositif en un réseau de résistances et de diodes qui modélise le flux de courant sur toute la surface du dispositif. Cela permet de simuler efficacement des structures à l’échelle du centimètre et du module, tout en reproduisant le comportement électrique de la physique sous-jacente du dispositif.
Le solveur de circuits est particulièrement utile pour l’étude de… cellules solaires de grande surface, panneaux OLED et modules photovoltaïquesPar exemple, tutoriel sur les contacts de grande surface montre comment la résistance de l’électrode influe sur la répartition du courant, tandis que guide pratique sur les cellules solaires PM6:Y6 à grande surface il explique comment les éléments optiques et les diodes peuvent être intégrés dans le modèle de circuit. Des configurations d’appareils plus complexes, notamment des cellules interconnectées, sont étudiées dans le tutoriel sur les modules à base de pérovskite.
Le programme de résolution de circuits commence par la géométrie tridimensionnelle du dispositif. Une fois la structure définie, le logiciel génère un maillage spatial qui représente la disposition physique. Ce maillage est ensuite converti en un réseau électrique dans lequel chaque connexion correspond à un élément du circuit.
Les couches conductrices se transforment en éléments résistifs, tandis que les régions actives sont représentées par des diodes qui reproduisent le comportement électrique du dispositif. Le réseau obtenu peut contenir des milliers, voire des millions d’éléments, mais il peut être analysé efficacement à l’aide de techniques standard d’analyse de circuits.
À chaque nœud du réseau, le solveur applique la loi de Kirchhoff sur les courants :
$$ \sum_i I_i = 0 $$ce qui signifie que le courant total entrant dans chaque nœud doit être égal au courant total en sortant. La résolution de ces équations pour l’ensemble du réseau permet de déterminer comment le courant se répartit dans la géométrie du dispositif.
Le modèle de circuit utilise différents types d’éléments électriques pour représenter le dispositif physique :
Le courant qui traverse chaque élément de diode suit l’équation standard de la diode.
$$ I(V) = I_0 \left(e^{\frac{qV}{nkT}} - 1\right) - I_{ph} $$où \(I_0\) représente le courant de saturation inverse, \(n\) représente le facteur d’idéalité, et \(I_{ph}\) représente le courant photogénéré fourni par le modèle optique.
Bien que le comportement électrique soit décrit à l’aide d’un réseau de circuits, les propriétés optiques du dispositif peuvent toujours être simulées de manière rigoureuse. OghmaNano comprend plusieurs solveurs optiques, notamment la méthode de la matrice de transfert.
Ces modèles optiques calculent la manière dont la lumière se propage et est absorbée dans toute la structure du dispositif. Le profil d’absorption spatiale obtenu est converti en un terme de photogénération qui est directement intégré aux éléments de la diode du réseau de circuits. De cette façon, le solveur combine une modélisation optique précise avec une simulation électrique efficace sur une grande surface.
Le solveur de circuits 3D est particulièrement utile pour les systèmes dans lesquels la surface du dispositif est beaucoup plus grande que l’épaisseur des couches actives. Parmi les applications typiques, on peut citer :
Dans ces dispositifs, le comportement électrique est fortement influencé par la conception des électrodes et la répartition du courant dans les couches conductrices. En modélisant directement ces effets, le logiciel de simulation de circuits permet aux chercheurs d’explorer différentes géométries de contact et de prédire comment les performances du dispositif évolueront en fonction de sa taille.
Une fois la géométrie du dispositif définie, OghmaNano génère automatiquement une grille de circuit tridimensionnelle à partir de la structure. Cette grille constitue la base du modèle électrique et définit la manière dont la géométrie physique est convertie en éléments de circuit.
Un exemple de ce type de maillage est présenté dans Figure ??Chaque connexion dans la structure en réseau devient un élément résistif ou une diode, en fonction du matériau et de la couche dont elle est issue.
Le programme permet également d’identifier nœuds d’extractioncomme illustré dans Figure ??Ces points représentent les contacts électriques par lesquels le courant entre ou sort de l’appareil. Leur répartition influe considérablement sur la manière dont le courant se propage latéralement dans le réseau de circuits.
OghmaNano comprend plusieurs tutoriels qui expliquent comment utiliser le solveur de circuits 3D pour réaliser des simulations d’appareils réalistes. Ces exemples guident les utilisateurs à travers toutes les étapes du processus, depuis la définition de la géométrie de l’appareil jusqu’à l’analyse des caractéristiques courant-tension obtenues.
Un bon point de départ serait le... tutoriel sur la simulation de contact sur une grande surface, qui présente les concepts de répartition du courant et de résistance des électrodes. Vous pourrez ensuite passer à guide pratique sur les cellules solaires PM6:Y6 à grande surfacequi intègre des éléments à diodes et un système de génération optique.
Pour des simulations plus avancées, tutoriel sur les modules à base de pérovskite montre comment plusieurs appareils peuvent être interconnectés afin de simuler des modules photovoltaïques complets.
Effectuez une simulation sur une vaste zone.
Commencez par tutoriel sur les contacts de grande surfacepuis explorez Exemple de cellule solaire PM6:Y6. et tutoriel sur les modules à base de pérovskite.