Εκπαιδευτικό υλικό για μεγάλης επιφάνειας μονάδες περοβσκίτη, Μέρος Β: Εκτέλεση της προσομοίωσης και έλεγχος των αποτελεσμάτων.

Οι προσομοιώσεις μεγάλων επιφανειών είναι πιο περίπλοκες από μια απλή προσομοίωση διάχυσης-μεταφοράς μιας συσκευής, επομένως είναι χρήσιμο να παρακολουθείτε τι κάνει ο επιλυτής. Σε αυτό το παράδειγμα, το OghmaNano εκτελεί την προσομοίωση σε δύο κύρια στάδια: (i) τον οπτικό επιλυτή (τρισδιάστατος οπτικός υπολογισμός) και στη συνέχεια (ii) τον ηλεκτρικό επιλυτή κυκλωμάτων (εξισώσεις ρεύματος/τάσης του Kirchhoff στο πλέγμα του κυκλώματος). Η έξοδος στην οθόνη είναι ο πιο γρήγορος τρόπος για να εντοπίσετε έγκαιρα προβλήματα (για παράδειγμα, ένα αποσυνδεδεμένο κύκλωμα ή ελλιπείς επαφές).

Βήμα 1: Εκτελέστε την προσομοίωση.

Κάντε κλικ στο κουμπί "Εκτέλεση προσομοίωσης" (μπλε τρίγωνο) που εμφανίζεται στην εικόνα ??. Η προσομοίωση θα διαρκέσει αρκετή ώρα (περιλαμβάνει μια τρισδιάστατη οπτική προσομοίωση και στη συνέχεια την επίλυση ενός μεγάλου κυκλώματος). Κατά τη διάρκεια της εκτέλεσης, παρακολουθήστε την καρτέλα "Τερματικό", καθώς παρέχει πληροφορίες σε πραγματικό χρόνο σχετικά με τη σύγκλιση και τα ρεύματα.

Βήμα 2: Κατανοήστε τι σας πληροφορεί η έξοδος της κονσόλας.

Για αυτές τις πολύπλοκες προσομοιώσεις, η έξοδος στην κονσόλα δεν είναι απλώς «θόρυβος» – είναι μια διαγνωστική πληροφορία. Στο ?? μπορείτε να δείτε ότι ο επιλυτής αρχικά εκτελεί το οπτικό στάδιο. Αυτό μπορεί να διαρκέσει λίγο, επειδή η επίλυση γίνεται σε τρεις διαστάσεις. Μόλις ολοκληρωθεί η προετοιμασία της οπτικής δημιουργίας, ο επιλυτής ξεκινά το ηλεκτρικό στάδιο και εμφανίζει γραμμές για κάθε σημείο πόλωσης.

Μια τυπική γραμμή έχει την εξής μορφή (η μορφή μπορεί να διαφέρει ελαφρώς ανάλογα με τις ρυθμίσεις):

• Τάσεις επαφής: π.χ. ground = 0.00 V σημαίνει ότι η γείωση διατηρείται στα 0 V· change = 0.10 V σημαίνει ότι η άλλη επαφή είναι στα 0,10 V.
• Ρεύματα επαφής: π.χ., 1.58e+03 A/m^2 σε μια επαφή και -1.19e+03 A/m^2 στην άλλη σημαίνει ότι το ρεύμα εισέρχεται από τη μία επαφή και εξέρχεται από την άλλη. Στα 0 V, αυτό αντιστοιχεί ουσιαστικά στην πυκνότητα ρεύματος βραχυκυκλώματος (JSC) της μονάδας, επειδή η συσκευή είναι φωτισμένη και παρέχει ρεύμα σε μηδενική εφαρμοσμένη τάση.
• Μέτρο σύγκλισης: η εκτυπωμένη τιμή f() είναι το σφάλμα/υπόλοιπο του επιλυτή για την επίλυση του ηλεκτρικού κυκλώματος (οι εξισώσεις του νόμου του Kirchhoff σε ολόκληρο το πλέγμα του κυκλώματος). Μπορείτε να το θεωρήσετε κατά προσέγγιση ως «πόσο καλά ικανοποιούνται οι εξισώσεις του κυκλώματος» σε ολόκληρο το δίκτυο.
• Χρόνος ανά βήμα: ο τελευταίος αριθμός σε κάθε γραμμή (σε χιλιοστά του δευτερολέπτου) αντιπροσωπεύει τον χρόνο που απαιτήθηκε για την επίλυση του συγκεκριμένου σημείου λειτουργίας.

Συχνά θα παρατηρήσετε μεγαλύτερα σφάλματα στην αρχή μιας σάρωσης (ειδικά κοντά στα 0 V), και το σφάλμα μπορεί να μειωθεί καθώς ο επιλυτής απομακρύνεται από αυτό το σημείο. Ως γενικός κανόνας, εμπιστεύομαι πολύ περισσότερο τα αποτελέσματα όταν ο επιλυτής φτάνει σε σφάλματα όπως το 10-4 ή μικρότερα, και ιδανικά μέχρι το 10-9 για «καθαρή» σύγκλιση. (Στα παραδείγματα των αρχείων καταγραφής που εμφανίζονται εδώ, μπορείτε να δείτε ότι το σφάλμα μειώνεται σταδιακά καθώς προχωρά η σάρωση).

Στο ?? μπορείτε να δείτε κάτι πολύ χρήσιμο: περίπου στα μισά της διαδρομής της σάρωσης, το ρεύμα στην επαφή της γείωσης αλλάζει πρόσημο και το ρεύμα στην επαφή change αλλάζει πρόσημο προς την αντίθετη κατεύθυνση. Αυτή η αλλαγή προσήμου είναι ακριβώς αυτό που θα περιμένατε καθώς η σάρωση περνάει από το VOC: κάτω από το VOC, η φωτιζόμενη συσκευή παρέχει ενέργεια· πάνω από το VOC, είναι πολωμένη προς τα εμπρός και καταναλώνει ενέργεια όπως μια δίοδος. Με άλλα λόγια, συχνά μπορείτε να «δείτε» τη δημιουργία της καμπύλης JV απευθείας στη στήλη του ρεύματος επαφής.

Βήμα 3: Ελέγξτε τα αρχεία εξόδου.

Όταν ολοκληρωθεί η προσομοίωση, η καρτέλα "Έξοδος" θα περιέχει ένα σύνολο αρχείων, όπως αυτά που εμφανίζονται στην ??. Τα βασικά αποτελέσματα για αυτό το τμήμα του εκπαιδευτικού προγράμματος είναι οι καμπύλες JV επαφής: jv_contact0.csv και jv_contact1.csv. Αυτές περιέχουν την πυκνότητα ρεύματος σε κάθε επαφή ως συνάρτηση της εφαρμοσμένης τάσης.

Κάντε διπλό κλικ στα jv_contact0.csv και jv_contact1.csv για να τα σχεδιάσετε. Παραδείγματα γραφημάτων εμφανίζονται στα ?? και ??. Μια μεγεθυμένη προβολή (χρήσιμη για την ανάγνωση των τιμών VOC και της καμπυλότητας κοντά στο σημείο κάμψης) εμφανίζεται στο ??.

Βήμα 4: Ελέγξτε το πλέγμα του επιλυτή και την αναπαράσταση του κυκλώματος.

Οι προσομοιώσεις μεγάλης κλίμακας μπορεί να αποτύχουν για γεωμετρικούς λόγους (λανθασμένη τοποθέτηση επαφών, ελλιπείς περιοχές, ακούσιες διακεκομμένες γραμμές), επομένως είναι χρήσιμο να γνωρίζουμε πού πρέπει να εστιάσουμε την προσοχή μας. Συγκεκριμένα:

• device.csv – αυτό είναι η απεικόνιση του πλέγματος όπως το βλέπει ο επιλυτής. Η όμορφη τρισδιάστατη απεικόνιση στην γραφική διεπαφή δεν είναι αυτή που χρησιμοποιεί ο επιλυτής εσωτερικά. Ο επιλυτής λειτουργεί με μια πιο απλή τριγωνική αναπαράσταση και, εάν υπάρχει κάποιο πρόβλημα με τη γεωμετρία, αυτό συνήθως θα είναι ορατό εδώ.
• electrical_links.csv – καταγράφει τις συνδέσεις του κυκλώματος (τα στοιχεία που συνδέουν τους κόμβους: αντιστάσεις / συνδέσεις διόδων κ.λπ.).
• electrical_nodes.csv – καταγράφει τους κόμβους Kirchhoff που χρησιμοποιούνται στην επίλυση (τα σημεία στα οποία τα ρεύματα αθροίζονται σε μηδέν).

Παραδείγματα απεικόνισης αυτών των αρχείων παρουσιάζονται στα ??, ?? και ??. Εννοιολογικά, αυτό είναι το ίδιο με την επίλυση ενός τυπικού κυκλώματος: κόμβοι + συνδέσεις + νόμοι του Kirchhoff – απλώς σε πολύ μεγαλύτερη κλίμακα.

Βήμα 5: Εντοπίστε τις οπτικές ρυθμίσεις (Μήτρα Μετασχηματισμού).

Αυτή η προσομοίωση ενότητας περιλαμβάνει οπτική δημιουργία και μπορείτε να βρείτε τα οπτικά εργαλεία στην καρτέλα "Οπτικά" (??). Κάντε κλικ στην επιλογή "Μεταφορά Πίνακα" για να ανοίξετε το παράθυρο "Μεταφορά Πίνακα".

Σημαντικό: Μην εκτελέσετε το εργαλείο Transfer Matrix από εδώ για αυτό το εκπαιδευτικό πρόγραμμα. Το παράθυρο Transfer Matrix είναι ουσιαστικά μια δισδιάστατη προβολή της στοίβας, ενώ αυτή η προσομοίωση είναι τρισδιάστατη. Είναι χρήσιμο για τη διαμόρφωση και τον έλεγχο των ρυθμίσεων υλικών/στοίβας, αλλά δεν αποτελεί υποκατάστατο της πλήρους τρισδιάστατης οπτικής πλατφόρμας που μόλις εκτελέσατε. Για τώρα, ανοίξτε το και κάντε κλικ στην επιλογή "Configure" – θα χρησιμοποιήσουμε αυτό το σημείο εισόδου στο Μέρος Γ όταν αρχίσουμε να κάνουμε ελεγχόμενες αλλαγές.

Βήμα 5: Εντοπίστε τις οπτικές ρυθμίσεις (Μήτρα Μετασχηματισμού).

Αυτή η προσομοίωση ενότητας περιλαμβάνει οπτική δημιουργία και μπορείτε να βρείτε τα οπτικά εργαλεία στην καρτέλα "Οπτικά" (??). Κάντε κλικ στην επιλογή "Μεταφορά Πίνακα" για να ανοίξετε το παράθυρο "Μεταφορά Πίνακα".

Σημαντικό: Μην εκτελέσετε το εργαλείο Transfer Matrix από εδώ για αυτό το εκπαιδευτικό πρόγραμμα. Το παράθυρο Transfer Matrix είναι ουσιαστικά μια δισδιάστατη προβολή της στοίβας, ενώ αυτή η προσομοίωση είναι τρισδιάστατη. Είναι χρήσιμο για τη διαμόρφωση και τον έλεγχο των ρυθμίσεων υλικών/στοίβας, αλλά δεν αποτελεί υποκατάστατο της πλήρους τρισδιάστατης οπτικής πλατφόρμας που μόλις εκτελέσατε.

Αντί αυτού, κάντε κλικ στην επιλογή "Ρυθμίσεις" (εικονίδιο γραναζιού) για να ανοίξετε το παράθυρο διαμόρφωσης οπτικών ρυθμίσεων που εμφανίζεται στην εικόνα ??.

Φωτονική απόδοση και η εξίσωση της διόδου ηλιακού στοιχείου.

Η απόδοση των φωτονίων (που μερικές φορές ονομάζεται «εσωτερικός παράγοντας κβαντικής απόδοσης» σε αυτό το απλοποιημένο πλαίσιο) είναι ένας αριθμητικός πολλαπλασιαστής που υποδεικνύει στο μοντέλο το ποσοστό των απορροφημένων φωτονίων που παράγουν πραγματικά εξαγώγιμους φορείς φορτίου (ηλεκτρόνια και οπές). Εάν η απόδοση των φωτονίων είναι 0, δεν υπάρχει φωτορεύμα. Εάν είναι 1, τότε (σε αυτή την απλοποιημένη απεικόνιση) κάθε απορροφημένο φωτόνιο συμβάλλει στο φωτορεύμα. Στις περισσότερες πραγματικές συσκευές, μια τιμή γύρω στο 0,6 είναι μια εύλογη τάξη μεγέθους.

Στη γλώσσα των διόδων, μπορείτε να το αντιμετωπίσετε ως μια διαδικασία κλιμάκωσης του όρου του φωτορεύματος στην εξίσωση της φωτεινής διόδου:

Εδώ, το \(J_0\) είναι η πυκνότητα ρεύματος κορεσμού της διόδου, το \(n\) είναι ο παράγοντας ιδανικότητας και το \(J_{\mathrm{ph}}\) είναι η πυκνότητα φωτορεύματος που προβλέπεται από το οπτικό μοντέλο (δηλαδή, από τον υπολογισμό των απορροφημένων φωτονίων/παραγωγής). Η παράμετρος \(\eta_{\mathrm{ph}}\) είναι η απόδοση των φωτονίων από το ??, η οποία απλώς κλιμακώνει τη συνεισφορά του όρου του φωτορεύματος. Η ρύθμιση του \(\eta_{\mathrm{ph}}=0.6\) σημαίνει ότι «το 60% των απορροφημένων φωτονίων μετατρέπεται σε φορείς που μπορούν να εξαχθούν» σε αυτό το αποτελεσματικό μοντέλο.

Στην πράξη: εάν η προσομοίωσή σας \(J_\mathrm{SC}\) δεν ταιριάζει καλά με το πείραμα και είστε σίγουροι ότι το ηλεκτρικό μέρος του μοντέλου κυκλώματος είναι λογικό, το \(\eta_{\mathrm{ph}}\) είναι ένας από τους πιο γρήγορους τρόπους για να φέρετε την απόλυτη τιμή του ρεύματος στο επιθυμητό επίπεδο. Είναι πολύ απίθανο να είναι πάνω από 1· εάν διαπιστώσετε ότι χρειάζεστε το \(\eta_{\mathrm{ph}} > 1\), αυτό συνήθως υποδεικνύει ότι κάτι άλλο δεν πάει καλά (για παράδειγμα, οι οπτικές σταθερές/συντελεστές απορρόφησης δεν είναι συνεπείς).