☰
Πολλές σύγχρονες οπτοηλεκτρονικές συσκευές κατασκευάζονται σε περιοχές πολύ μεγαλύτερες από τις μικροσκοπικές κλίμακες που συνήθως χρησιμοποιούνται στις προσομοιώσεις της φυσικής των ημιαγωγών. Ενώ τα ενεργά στρώματα των ηλιακών κυττάρων, των OLED και των φωτοανιχνευτών μπορεί να έχουν πάχος μόνο μερικών δεκάδων ή εκατοντάδων νανομέτρων, οι ίδιες οι συσκευές μπορούν να εκτείνονται σε εκατοστά ή και μέτρα. Η προσομοίωση τέτοιων δομών χρησιμοποιώντας πλήρη τρισδιάστατα μοντέλα διάχυσης-μεταφοράς γίνεται γρήγορα υπολογιστικά ανέφικτη.
Σε συσκευές μεγάλης επιφάνειας, οι κυριότεροι περιορισμοί δεν είναι συνήθως η κάθετη μεταφορά φορέων μέσα από το ενεργό στρώμα, αλλά η πλευρική διάχυση του ρεύματος, η αντίσταση των ηλεκτροδίων και η γεωμετρία των επαφών. Αυτά τα φαινόμενα καθορίζουν πόσο αποτελεσματικά μπορεί να συλλεχθεί το ρεύμα από τη συσκευή και συχνά περιορίζουν την απόδοση κατά την κλιμάκωση των εργαστηριακών κυψελών σε πρακτικές διαστάσεις συσκευών.
Για να αντιμετωπιστεί αυτό το πρόβλημα, η OghmaNano περιλαμβάνει έναν ειδικό τρισδιάστατο επιλυτή κυκλωμάτων. Αντί να επιλύει τις εξισώσεις μεταφοράς ημιαγωγών σε κάθε σημείο του χώρου, ο επιλυτής μετατρέπει τη γεωμετρία της συσκευής σε ένα δίκτυο αντιστάσεων και διόδων, το οποίο αναπαριστά τη ροή του ρεύματος σε ολόκληρη την επιφάνεια της συσκευής. Αυτό επιτρέπει την αποτελεσματική προσομοίωση δομών σε κλίμακα εκατοστών και μονάδων, διατηρώντας παράλληλα την ακριβή αναπαραγωγή της ηλεκτρικής συμπεριφοράς της υποκείμενης φυσικής της συσκευής.
Ο επιλυτής κυκλωμάτων είναι ιδιαίτερα χρήσιμος για τη μελέτη ηλιακών κυψελών μεγάλης επιφάνειας, πάνελ OLED και φωτοβολταϊκών συστοιχιών. Για παράδειγμα, το εκπαιδευτικό πρόγραμμα επαφών μεγάλης επιφάνειας δείχνει πώς η αντίσταση των ηλεκτροδίων επηρεάζει τη διάχυση του ρεύματος, ενώ το εκπαιδευτικό πρόγραμμα ηλιακής κυψέλης PM6:Y6 μεγάλης επιφάνειας δείχνει πώς η οπτική παραγωγή και τα στοιχεία διόδου μπορούν να ενσωματωθούν στο μοντέλο κυκλώματος. Πιο σύνθετες διατάξεις συσκευών, συμπεριλαμβανομένων των διασυνδεδεμένων κυψελών, εξετάζονται στο εκπαιδευτικό πρόγραμμα στοιχείων περοβσκίτη.
Ο επιλυτής κυκλωμάτων ξεκινά με τη τρισδιάστατη γεωμετρία της συσκευής. Μόλις οριστεί η δομή, το λογισμικό δημιουργεί ένα χωρικό πλέγμα που αναπαριστά τη φυσική διάταξη. Στη συνέχεια, αυτό το πλέγμα μετατρέπεται σε ένα ηλεκτρικό δίκτυο, όπου κάθε σύνδεση αντιστοιχεί σε ένα στοιχείο κυκλώματος.
Τα αγώγιμα στρώματα μετατρέπονται σε αντιστάσεις, ενώ οι ενεργές περιοχές αναπαρίστανται από διόδους που αναπαράγουν την ηλεκτρική συμπεριφορά της συσκευής. Το προκύπτον δίκτυο μπορεί να περιέχει χιλιάδες ή εκατομμύρια στοιχεία, αλλά μπορεί να επιλυθεί αποτελεσματικά χρησιμοποιώντας τυπικές τεχνικές ανάλυσης κυκλωμάτων.
ΣI = 0.
$$ \sum_i I_i = 0 $$που σημαίνει ότι το συνολικό ρεύμα που εισέρχεται σε κάθε κόμβο πρέπει να ισούται με το συνολικό ρεύμα που εξέρχεται από αυτόν. Η επίλυση αυτών των εξισώσεων σε ολόκληρο το δίκτυο καθορίζει τον τρόπο με τον οποίο το ρεύμα κατανέμεται στην γεωμετρία της συσκευής.
Το μοντέλο κυκλώματος χρησιμοποιεί διάφορα είδη ηλεκτρικών στοιχείων για να αναπαραστήσει τη φυσική συσκευή:
Το ρεύμα που διαρρέει κάθε διόδο ακολουθεί την τυπική εξίσωση της διόδου.
$$ I(V) = I_0 \left(e^{\frac{qV}{nkT}} - 1\right) - I_{ph} $$όπου \(I_0\) είναι το αντίστροφο ρεύμα κορεσμού, \(n\) είναι ο παράγοντας ιδανικότητας και \(I_{ph}\) αντιπροσωπεύει το φωτοπαραγόμενο ρεύμα που παρέχεται από το οπτικό μοντέλο.
Αν και η ηλεκτρική συμπεριφορά περιγράφεται χρησιμοποιώντας ένα ηλεκτρικό κύκλωμα, οι οπτικές ιδιότητες της συσκευής μπορούν ακόμα να προσομοιωθούν με ακρίβεια. Το OghmaNano περιλαμβάνει διάφορους οπτικούς επιλυτές, συμπεριλαμβανομένης της μεθόδου της μήτρας μεταφοράς.
Αυτά τα οπτικά μοντέλα υπολογίζουν τον τρόπο με τον οποίο η φωτεινή ακτινοβολία διαδίδεται και απορροφάται σε όλη τη δομή της συσκευής. Το προκύπτον χωρικό προφίλ απορρόφησης μετατρέπεται σε έναν όρο φωτοπαραγωγής, ο οποίος τροφοδοτεί απευθείας τα στοιχεία της διόδου του δικτύου κυκλωμάτων. Με αυτόν τον τρόπο, ο επιλυτής συνδυάζει την ακριβή οπτική μοντελοποίηση με την αποτελεσματική ηλεκτρική προσομοίωση μεγάλης κλίμακας.
Ο τρισδιάστατος επιλυτής κυκλωμάτων είναι ιδιαίτερα χρήσιμος για συστήματα στα οποία η επιφάνεια της συσκευής είναι πολύ μεγαλύτερη από το πάχος των ενεργών στρωμάτων. Τυπικές εφαρμογές περιλαμβάνουν:
Σε αυτές τις συσκευές, η ηλεκτρική συμπεριφορά επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από το σχεδιασμό των ηλεκτροδίων και τη διάχυση του ρεύματος μέσα στις αγώγιμες στρώσεις. Μοντελοποιώντας άμεσα αυτά τα φαινόμενα, ο επιλυτής κυκλωμάτων επιτρέπει στους ερευνητές να εξερευνήσουν διαφορετικές γεωμετρίες επαφής και να προβλέψουν πώς η απόδοση της συσκευής θα κλιμακώνεται με το μέγεθος.
Αφού καθοριστεί η γεωμετρία της συσκευής, το OghmaNano δημιουργεί αυτόματα ένα τρισδιάστατο πλέγμα κυκλώματος από τη δομή. Αυτό το πλέγμα αποτελεί τη βάση του ηλεκτρικού μοντέλου και καθορίζει τον τρόπο με τον οποίο η φυσική γεωμετρία μετατρέπεται σε στοιχεία κυκλώματος.
Ένα παράδειγμα ενός τέτοιου πλέγματος φαίνεται στην Εικόνα ??. Κάθε σύνδεση στο πλέγμα μετατρέπεται σε αντίσταση ή δίοδο, ανάλογα με το υλικό και την στρώση από την οποία προέρχεται.
Ο επιλυτής εντοπίζει επίσης. κόμβοι εξαγωγήςόπως φαίνεται στο Εικόνα ??Αυτά τα σημεία αντιπροσωπεύουν τις ηλεκτρικές επαφές από τις οποίες εισέρχεται ή εξέρχεται το ρεύμα στη συσκευή. Η κατανομή τους επηρεάζει σημαντικά τον τρόπο με τον οποίο το ρεύμα διαχέεται πλευρικά σε όλο το δίκτυο του κυκλώματος.
Το OghmaNano περιλαμβάνει διάφορα εκπαιδευτικά προγράμματα που δείχνουν πώς να χρησιμοποιήσετε τον τρισδιάστατο επιλυτή κυκλωμάτων για ρεαλιστικές προσομοιώσεις συσκευών. Αυτά τα παραδείγματα καθοδηγούν τους χρήστες σε ολόκληρη τη διαδικασία, από τον ορισμό της γεωμετρίας της συσκευής έως την ανάλυση των προκύπτοντων χαρακτηριστικών ρεύματος-τάσης.
Ένα καλό σημείο εκκίνησης είναι το σεμινάριο προσομοίωσης επαφής μεγάλης επιφάνειας, το οποίο παρουσιάζει τη διάχυση του ρεύματος και την αντίσταση των ηλεκτροδίων. Από εκεί, μπορείτε να προχωρήσετε στο σεμινάριο ηλιακού στοιχείου PM6:Y6 μεγάλης επιφάνειας, το οποίο ενσωματώνει στοιχεία διόδου και οπτική παραγωγή.
Για πιο σύνθετες προσομοιώσεις, το εκπαιδευτικό πρόγραμμα για την μονάδα περοβσκίτη δείχνει πώς μπορούν να διασυνδεθούν πολλαπλές συσκευές για να προσομοιωθούν πλήρη φωτοβολταϊκά στοιχεία.
Δοκιμάστε μια προσομοίωση μεγάλης έκτασης.
Ξεκινήστε με το σεμινάριο για επαφές μεγάλης επιφάνειας, στη συνέχεια εξερευνήστε το παράδειγμα ηλιακού στοιχείου PM6:Y6 και το σεμινάριο για μονάδες περοβσκίτη.