Εκπαιδευτικό υλικό για μεγάλης επιφάνειας μονάδες περοβσκίτη, Μέρος Α: Γρήγορη εκκίνηση – ανοίξτε το παράδειγμα και δημιουργήστε το πλέγμα του κυκλώματος.
Οι περισσότερες προσομοιώσεις σε επίπεδο συσκευής στο OghmaNano είναι προσομοιώσεις διάχυσης-μεταφοράς, όπου ο επιλυτής αναλύει λεπτομερώς τη συνδυασμένη μεταφορά φορέων και την ηλεκτροστατική. Αυτή η προσέγγιση, που δίνει προτεραιότητα στη φυσική, είναι εξαιρετική για την κατανόηση του τρόπου λειτουργίας μιας συσκευής, αλλά γίνεται υπολογιστικά υπερβολικά απαιτητική μόλις προχωρήσετε πέρα από μια μεμονωμένη κυψέλη σε συσκευές και μονάδες μεγάλης επιφάνειας που αποτελούνται από πολλές συνδεδεμένες υπο-κυψέλες.
Αυτό το εκπαιδευτικό υλικό παρουσιάζει μια συμπληρωματική προσέγγιση: την αναπαράσταση της μεγάλης επιφάνειας της συσκευής ως ενός τρισδιάστατου ηλεκτρικού κυκλώματος και την επίλυσή του χρησιμοποιώντας τον νόμο των ρευμάτων του Kirchhoff και τον νόμο των τάσεων του Kirchhoff. Αντί να παρακολουθεί τις ροές ηλεκτρονίων και οπών και το ηλεκτροστατικό δυναμικό σε κάθε σημείο, το μοντέλο του κυκλώματος παρακολουθεί τις ποσότητες που συνήθως ενδιαφέρουν έναν μηχανικό μονάδων: το ρεύμα και την τάση. Αυτή η απλοποίηση είναι (i) πολύ πιο αριθμητικά σταθερή σε μεγάλη κλίμακα και (ii) αρκετά γρήγορη ώστε να σας επιτρέπει να εξερευνήσετε ρεαλιστικές γεωμετρίες μονάδων.
Εννοιολογικά, η τρισδιάστατη δομή διαμερίζεται σε ένα σύνολο κόμβων (σημεία στη συσκευή) που συνδέονται με συνδέσμους, οι οποίοι αντιπροσωπεύουν ηλεκτρονικά στοιχεία όπως αντιστάσεις και δίοδοι. Η οπτική δημιουργία ενσωματώνεται χρησιμοποιώντας μια προσέγγιση μεταφοράς μήτρας σχεδόν τρισδιάστατη: εκτελείται ένας υπολογισμός μεταφοράς μήτρας σε μία διάσταση κατά μήκος της στοίβας, αξιολογείται σε όλη την επιφάνεια της συσκευής και το προκύπτον προφίλ δημιουργίας συνδέεται με το ηλεκτρικό δίκτυο. Το τελικό αποτέλεσμα είναι ένα πρακτικό μοντέλο για την υποβολή ερωτήσεων σχετικά με την κλιμάκωση, όπως: «Η συσκευή μου σε κλίμακα εργαστηρίου είναι 20% σε διαστάσεις 1 mm × 1 mm – τι συμβαίνει όταν την κλιμακώνω σε μια μονάδα και ποιος γίνεται ο περιοριστικός παράγοντας;» Αυτή είναι μια διαδικασία που ονομάζουμε εικονική κλιμάκωση.
Η πηγή έμπνευσης για το πείραμα: ανθρακούχες περοβσκιτικές «λωρίδες» που μετατρέπονται σε ενότητες.
Το παράδειγμα ενότητας σε αυτό το εκπαιδευτικό πρόγραμμα εμπνέεται από πειραματικές εργασίες της ερευνητικής ομάδας του Σουάνσι: Energies 2021, 14, 386, "Τριπλά μεσοσκοπικά ηλιακά κύτταρα από άνθρακα και περοβσκίτη: Υλικά, επεξεργασία και εφαρμογές" (Simone M. P. Meroni, Carys Worsley, Dimitrios Raptis και Trystan M. Watson). Μπορείτε να ανοίξετε την επιστημονική εργασία μέσω του συνδέσμου DOI εδώ: https://doi.org/10.3390/en14020386.
🔗 Άρθρο και άδεια: Τα παραπάνω δεδομένα προέρχονται από το https://doi.org/10.3390/en14020386. Το άρθρο είναι σε ανοιχτή πρόσβαση και διανέμεται υπό την άδεια Creative Commons Attribution (CC BY): https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ (Πνευματικά δικαιώματα: © 2021 από τους συγγραφείς· εκδότης MDPI, Βασιλεία, Ελβετία).
Βήμα 1: Δημιουργήστε μια νέα προσομοίωση μονάδας περοβσκίτη.
Ξεκινήστε από το κύριο παράθυρο του OghmaNano και κάντε κλικ στην επιλογή "Νέα προσομοίωση". Αυτό θα ανοίξει το παράθυρο επιλογής συσκευής/βιβλιοθήκης που εμφανίζεται στην εικόνα ??. Κάντε διπλό κλικ στην επιλογή "Ενότητες τρισδιάστατων συσκευών μεγάλης επιφάνειας" και, στη συνέχεια, επιλέξτε την ενότητα "Ενότητα περοβσκίτη", όπως φαίνεται στην εικόνα ??. Όταν σας ζητηθεί, αποθηκεύστε την προσομοίωση σε έναν φάκελο στον οποίο έχετε γρήγορη πρόσβαση για ανάγνωση/εγγραφή (π.χ. C:\ στα Windows).
💡 Συμβουλή: Αποφύγετε την αποθήκευση των προσομοιώσεων σε δικτυακούς δίσκους, μονάδες USB ή φακέλους που συγχρονίζονται στο cloud (π.χ. OneDrive). Οι προσομοιώσεις μεγάλης έκτασης τείνουν να δημιουργούν πολλά ενδιάμεσα αρχεία· ο συγχρονισμός στο παρασκήνιο και η καθυστέρηση του δικτύου μπορεί να επιβραδύνουν άσκοπα την εκτέλεση.
Βήμα 2: Ελέγξτε την τρισδιάστατη δομή και κατανοήστε τη ροή του ρεύματος.
Αφού επιλέξετε το πρότυπο, ανοίγει το κύριο παράθυρο προσομοίωσης και θα δείτε την τρισδιάστατη δομή της συσκευής (??). Αυτό το παράδειγμα αποτελείται από πέντε «δάχτυλα» – κάθε σκούρα «ράβδος» είναι ένα μεμονωμένο «δάχτυλο» ηλιακού στοιχείου εντός της μεγαλύτερης γεωμετρίας του ενιαίου συστήματος.
Σε αυτή τη συσκευή, η σκούρα περιοχή στην κορυφή είναι μια επαφή άνθρακα, στην οποία έχει εμποτιστεί περοβσκίτης (ένα χαρακτηριστικό στοιχείο αυτής της τριπλής μεσοσκοπικής αρχιτεκτονικής). Η μονάδα συνδέει τις "λεπίδες", έτσι ώστε το ρεύμα να ακολουθεί μια ζιγκ-ζαγκ διαδρομή μέσα από τη δομή. Στην πράξη, το ρεύμα εισέρχεται από τη μία πλευρά, διατρέχει μια περιοχή επαφής και στη συνέχεια αναγκάζεται να "μετακινηθεί" μεταξύ των "λεπίδων" – πάνω/κάτω και οριζόντια – μέχρι να φτάσει στον ακροδέκτη στην απέναντι πλευρά.
Οι επαφές μπορεί να φαίνονται σαν να αιωρούνται στο διάστημα (κίτρινα τετράγωνα), αλλά θα πρέπει να ερμηνεύονται ως ένα μάσκα επαφής: η περιοχή ακριβώς από κάτω είναι αυτό που αποκτά ηλεκτρική επαφή μόλις κατασκευαστεί το πλέγμα του κυκλώματος. Πρέπει να σημειωθεί ότι, σε αυτή την προσομοίωση, κανένα από τα αντικείμενα που βλέπετε δεν αποτελεί μέρος της επιταξίας. Στις περισσότερες συσκευές, η δομή ορίζεται στον επεξεργαστή στρώσεων, ο οποίος δημιουργεί μια καλά οργανωμένη επιταξία συσκευής με στρώσεις στοιβαγμένες η μία πάνω στην άλλη, καθιστώντας πολύ ευκολότερη την τακτοποίηση και τη θέση των στρώσεων. Ωστόσο, σε αυτή τη συσκευή, λόγω της πολύπλοκης φύσης της, όλα τα αντικείμενα που βλέπετε στην οθόνη αιωρούνται στον ελεύθερο χώρο και μπορούν να μετακινηθούν με το ποντίκι. Η ανίχνευση σύγκρουσης αποτρέπει τη μετακίνησή τους πάνω από το ένα το άλλο. Εάν τα αντικείμενα κολλήσουν, πατήστε και κρατήστε πατημένο βάρδια, αλλαγή, μετατόπιση, μεταβολή κατά τη μετακίνησή τους με μεταφορά, ώστε να μπορούν να τοποθετηθούν ελεύθερα οπουδήποτε. Τα αντικείμενα δεν πρέπει να επικαλύπτονται, καθώς η επικάλυψη μπορεί να προκαλέσει αριθμητικά προβλήματα.
Βήμα 3: Δημιουργήστε το πλέγμα κυκλωμάτων από το τρισδιάστατο μοντέλο της συσκευής.
Στη συνέχεια, μεταβείτε στην καρτέλα "Διάγραμμα κυκλώματος". Στην κάτω αριστερή γωνία θα βρείτε ένα κουμπί ανανέωσης (μοιάζει με ένα εικονίδιο ανακύκλωσης). Κάντε κλικ σε αυτό για να δημιουργήσετε το πλέγμα του κυκλώματος από την τρέχουσα τρισδιάστατη δομή. Η αρχική προβολή εμφανίζεται στο ??.
Περιστρέψτε την προβολή και κάντε ζουμ: θα δείτε τις συνδέσεις πλέγματος που απεικονίζουν τις ηλεκτρικές συνδέσεις μεταξύ των δακτύλων (?? και ??). Εάν κοιτάξετε προσεκτικά, θα παρατηρήσετε επίσης μικρούς μπλε κόμβους – αυτοί υποδεικνύουν τους κόμβους επαφής και θα πρέπει να τους δείτε να βρίσκονται ακριβώς κάτω από τα κίτρινα μπλοκ επαφής στην τρισδιάστατη προβολή.
Αν περιστρέψετε περαιτέρω τη συσκευή, θα έχετε μια εικόνα όπως αυτή. ??, γεγονός που καθιστά την πολυ-δακτυλική συνδεσιμότητα και την «ζιγκ-ζαγκ» διαδρομή συλλογής ιδιαίτερα ευδιάκριτες.
Βήμα 4: Ελέγξτε και επιβεβαιώστε την ακεραιότητα των ηλεκτρικών επαφών.
Για να εξετάσετε τις επαφές απευθείας, ανοίξτε τον επεξεργαστή επαφών (??). Αυτός ο επεξεργαστής εμφανίζει μια λίστα με τις επαφές που έχουν οριστεί για την προσομοίωση και δείχνει πώς εφαρμόζονται στη συσκευή (για παράδειγμα, σε ποια πλευρά βρίσκονται και ποια τάση εφαρμόζεται). Ο βασικός έλεγχος συνέπειας είναι απλός: οι ορισμοί των επαφών εδώ θα πρέπει να είναι συνεπείς με (i) τα κίτρινα μπλοκ επαφών στην τρισδιάστατη προβολή και (ii) τους μπλε κόμβους επαφών που είναι ορατοί στο πλέγμα του κυκλώματος.
✅ Τι να περιμένετε
Αφού δημιουργηθεί το πλέγμα, η προβολή του διαγράμματος κυκλωμάτων θα πρέπει να εμφανίζει ένα πυκνό τρισδιάστατο δίκτυο συνδέσεων. Θα πρέπει να μπορείτε να εντοπίσετε τα μπλε σημεία που αντιπροσωπεύουν τις επαφές και αυτά θα πρέπει να βρίσκονται ακριβώς κάτω από τις περιοχές επαφής που ορίζονται από τα κίτρινα μπλοκ στην τρισδιάστατη προβολή της δομής. Εάν δεν βλέπετε σημεία επαφής εκεί που περιμένετε, οι πιο πιθανές αιτίες είναι: (i) οι περιοχές επαφής δεν επικαλύπτονται με το διακριτοποιημένο πλέγμα ή (ii) οι επαφές ορίζονται στην λάθος πλευρά/περιοχή στον επεξεργαστή επαφών.
👉 Επόμενα βήματα:
- Συνεχίστε στην ενότητα Μέρος Β, όπου εξηγούμε (με λεπτομέρεια) τι ακριβώς επιλύει το μοντέλο κυκλώματος, πώς ενσωματώνεται η οπτική δημιουργία και γιατί αυτή η προσέγγιση είναι το κατάλληλο εργαλείο για ερωτήματα σε επίπεδο μονάδας.
- Επιστρέψτε στην οδηγία προσομοίωσης ηλιακών κυψελών περοβσκίτη για να δείτε την πλήρη επισκόπηση του εκπαιδευτικού προγράμματος.