1. Γιατί να πραγματοποιηθεί βελτιστοποίηση παραμέτρων;
Κατά την βελτιστοποίηση μιας συσκευής, ένας μηχανικός ή ένας επιστήμονας ενδιαφέρεται συχνά να προσδιορίσει την ιδανική δομή, αντί απλώς να εξερευνήσει πώς μεταβάλλεται μια μεμονωμένη παράμετρος. Ως απλό παράδειγμα, μια ηλιακή κυψέλη περοβσκίτη αποτελείται από πολλαπλές στρώσεις, καθεμία από τις οποίες έχει ένα πάχος που επηρεάζει την απόδοση της συσκευής. Το ερώτημα που προκύπτει είναι: ποιο είναι το ιδανικό πάχος για κάθε στρώση;
Εάν η στρώση περοβσκίτη είναι πολύ παχιά, ένα μεγάλο ποσοστό του προσπίπτοντος φωτός θα απορροφηθεί. Ωστόσο, το μειονέκτημα είναι ότι οι φορείς φορτίου πρέπει να διανύσουν μεγαλύτερη απόσταση για να εξέλθουν από τη συσκευή, γεγονός που αυξάνει τον χρόνο παραμονής τους και, κατά συνέπεια, την πιθανότητα ανασύνθεσης. Αντίθετα, εάν η στρώση είναι πολύ λεπτή, οι φορείς φορτίου μπορούν να εξάγονται πιο αποτελεσματικά, αλλά λιγότερα φωτόνια απορροφώνται εξαρχής.
Η κατάσταση περιπλέκεται περαιτέρω από τα φαινόμενα οπτικής συμβολής. Το φως ανακλάται πολλές φορές στις διεπαφές εντός της συσκευής, δημιουργώντας σταθερά κυματικά πρότυπα που εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από το πάχος όλων των στρώσεων. Ως αποτέλεσμα, η βελτιστοποίηση μιας μόνο στρώσης μεμονωμένα είναι σπάνια επαρκής· αντ' αυτού, πρέπει να βελτιστοποιηθούν ταυτόχρονα τα πάχη αρκετών στρώσεων.
Για την αντιμετώπιση αυτού του τύπου προβλήματος βελτιστοποίησης πολλαπλών παραμέτρων, η OghmaNano παρέχει έναν γρήγορο αλγόριθμο βελτιστοποίησης εντός του παραθύρου σάρωσης, ο οποίος μπορεί να αναζητήσει αποτελεσματικά τον χώρο των παραμέτρων και να εντοπίσει ευνοϊκές διαμορφώσεις συσκευών.
2. Άνοιγμα του παραδείγματος
Στο νέο παράθυρο προσομοίωσης, στην ενότητα «Σενάρια και προσαρμογή», υπάρχουν διάφορα παραδείγματα που απεικονίζουν ροές εργασίας βελτιστοποίησης πολλαπλών παραμέτρων:
- Βελτιστοποιητής ηλεκτρικής στρώσης: Μεταβάλλει το πάχος δύο ενεργών στρώσεων σε ένα οργανικό ηλιακό κύτταρο και απεικονίζει γραφικά την απόδοση ισχύος (PCE), τον παράγοντα πληρότητας (FF) και την τάση ανοικτού κυκλώματος (VOC) ως συνάρτηση του πάχους της στρώσης.
- Βελτιστοποιητής οπτικής στρώσης (περοβσκίτης φωτοβολταϊκά): Μεταβάλλει το πάχος δύο στρώσεων σε ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο περοβσκίτη και απεικονίζει το ρεύμα που παράγεται σε κάθε στρώση.
- Βελτιστοποιητής οπτικής στρώσης (OPV): Μεταβάλλει το πάχος δύο στρώσεων σε μια συσκευή OPV και απεικονίζει το ρεύμα που παράγεται σε κάθε στρώση.
Το παράδειγμα που αναφέρεται σε αυτή τη σελίδα είναι προσβάσιμο μέσω του κουμπιού "Νέα προσομοίωση" στο κύριο παράθυρο. Αυτό ανοίγει το παράθυρο περιήγησης "Νέα προσομοίωση" που εμφανίζεται στην εικόνα ??. Από εκεί, κάντε διπλό κλικ στην επιλογή "Scripting and fitting" για να εμφανιστεί η λίστα με τα παραδείγματα αυτοματισμού (??), και στη συνέχεια κάντε διπλό κλικ στην επιλογή "Optical layer optimizer (Perovskite PV)" για να ανοίξετε το παράδειγμα στο οποίο γίνεται αναφορά εδώ.
3. Χρήση του πολυπαραμετρικού βελτιστοποιητή.
Αφού ανοίξετε την προσομοίωση, μεταβείτε στο εργαλείο σάρωσης, το οποίο βρίσκεται στην καρτέλα Αυτοματισμού. Κάνοντας κλικ στο εικονίδιο σάρωσης παραμέτρων, θα εμφανιστεί μια σάρωση που έχει ήδη διαμορφωθεί και ονομάζεται "optimizer". Ανοίγοντας αυτή τη σάρωση, θα εμφανιστεί το παράθυρο που φαίνεται στην Εικόνα ??. Με την πρώτη ματιά, αυτό το παράθυρο σάρωσης φαίνεται πανομοιότυπο με τα παράθυρα σάρωσης που περιγράφονται στην προηγούμενη ενότητα. Η κύρια διαφορά είναι ότι το κουμπί "Fast optimizer" είναι ενεργοποιημένο. Όταν αυτή η λειτουργία είναι ενεργή, τα μεμονωμένα αποτελέσματα σάρωσης δεν αποθηκεύονται στον δίσκο. Αντίθετα, οι σχετικές μετρήσεις προσομοίωσης συλλέγονται εσωτερικά και αποθηκεύονται σε έναν ενιαίο πίνακα στο τέλος της εκτέλεσης της βελτιστοποίησης.
Σε αυτό το παράδειγμα, το πάχος (dy) της στρώσης περοβσκίτη μεταβάλλεται μεταξύ 300 nm και 500 nm σε βήματα των 10 nm, ενώ το πάχος (dy) της στρώσης TiO2 μεταβάλλεται από 100 nm έως 300 nm, επίσης σε βήματα των 10 nm. Δοκιμάστε να εκτελέσετε την προσομοίωση. Μόλις ολοκληρωθεί, χρησιμοποιήστε τον διαχειριστή αρχείων σας για να μεταβείτε στον κατάλογο της προσομοίωσης και ανοίξτε τον φάκελο με όνομα "optimize". Μέσα σε αυτόν τον φάκελο θα βρείτε ένα αρχείο CSV με όνομα "optimizer_output.csv". Ανοίγοντας αυτό το αρχείο στο Excel ή στο LibreOffice, θα εμφανιστεί ένας πίνακας παρόμοιος με αυτόν που φαίνεται στην Εικόνα ??.
Εάν εξετάσετε προσεκτικά το σχήμα 17.8, θα δείτε ότι οι δύο πρώτες στήλες έχουν την ετικέτα epitaxy.layer2.dy και epitaxy.layer1.dy. Αυτές είναι οι τιμές του πάχους των στρώσεων που αποφασίσαμε να αλλάξουμε στο παράθυρο σάρωσης. Για κάθε επόμενη στρώση στη συσκευή, υπάρχουν δύο στήλες με την ετικέτα layerX/light_frac_photon_generation και layerX/J. Αυτές αναφέρονται στο κλάσμα του φωτός που απορροφάται μέσα στη στρώση και στο μέγιστο ρεύμα που θα παρήγαγε αυτή η στρώση εάν όλο το φως που απορροφάται μέσα στη στρώση μετατρεπόταν σε ρεύμα. Προφανώς, εάν το φως απορροφάται μέσα στην ενεργή στρώση, υπάρχει μεγάλη πιθανότητα να μετατραπεί σε ρεύμα, ωστόσο, εάν το φως απορροφάται μέσα στην οπίσθια μεταλλική επαφή, υπάρχει μικρή πιθανότητα αυτό το φως να μετατραπεί σε ηλεκτρικό ρεύμα. Εάν χρησιμοποιήσετε τα εργαλεία ταξινόμησης που περιλαμβάνονται στο Excel/LibreOffice, μπορείτε να καταλάβετε ποιες δομές συσκευών παράγουν το μεγαλύτερο ρεύμα.
optimizer_output.csv άνοιξε στο LibreOffice Calc, εμφανίζοντας τις παραμέτρους του πάχους κάθε στρώσης, καθώς και τα υπολογισμένα αποτελέσματα, όπως η πυκνότητα ρεύματος και η παραγωγή φωτονίων για κάθε στρώση.