☰
מכשירים אופטו-אלקטרוניים מודרניים רבים מיוצרים על פני שטחים גדולים בהרבה מהסולמות המיקרוסקופיים שמדמים בדרך כלל בפיזיקה של התקני מוליכים למחצה. בעוד שהשכבות הפעילות של תאים סולאריים, OLED וגלאי אור עשויות להיות בעובי של עשרות או מאות ננומטרים בלבד, המכשירים עצמם יכולים להשתרע על פני סנטימטרים או אפילו מטרים. הדמיה של מבנים כאלה באמצעות מודלים תלת-ממדיים מלאים של דיפוזיה-סחיפה הופכת במהירות לבלתי מעשית מבחינה חישובית.
במכשירים בעלי שטח פנים גדול, הגורמים המגבילים העיקריים אינם בהכרח תנועת נושאי מטען אנכית דרך השכבה הפעילה, אלא פיזור זרם אופקי, התנגדות האלקטרודות וגיאומטריית המגע. גורמים אלה קובעים עד כמה ניתן לאסוף ביעילות זרם מהמכשיר, ולעתים קרובות מגבילים את הביצועים כאשר מגדילים את גודל התאים מהמעבדה לגודל מעשי של המכשיר.
כדי להתמודד עם בעיה זו, OghmaNano כוללת פותר ייעודי למעגלים תלת-ממדיים. במקום לפתור את משוואות הולכת המטענים בחומר המוליך למחצה בכל נקודה במרחב, הפותר ממיר את גיאומטריית הרכיב לרשת של נגדים ודיודות, המדמה את זרימת הזרם על פני כל שטח הרכיב. כך ניתן לדמות ביעילות מבנים בקנה מידה של סנטימטרים ומודולים, תוך שמירה על דיוק בהדמיית ההתנהגות החשמלית של העקרונות הפיזיקליים העומדים בבסיס הרכיב.
כלי פתרון מעגלים חשמליים שימושי במיוחד לחקר תאים סולאריים בעלי שטח פנים גדול, פאנלים של OLED ומודולים פוטו-וולטאיים. לדוגמה, המדריך מדריך על מגעים בשטח פנים גדול מדגים כיצד התנגדות האלקטרודות משפיעה על פיזור הזרם, בעוד שהמדריך מדריך על תא סולארי PM6:Y6 בשטח פנים גדול מראה כיצד ניתן לשלב יצירה אופטית ורכיבי דיודה במודל המעגל. מבנים מורכבים יותר של התקנים, כולל תאים מחוברים, נחקרים במדריך מדריך על מודול פרובסקיט.
התוכנה לפתרון מעגלים מתחילה עם הגאומטריה התלת-ממדית של הרכיב. לאחר שהמבנה מוגדר, התוכנה יוצרת רשת מרחבית המייצגת את הפריסה הפיזית. לאחר מכן, הרשת הזו מומרת לרשת חשמלית, שבה כל חיבור מתאים לרכיב במעגל.
שכבות מוליכות הופכות לחיבורים בעלי התנגדות, בעוד שאזורים פעילים מיוצגים על ידי רכיבי דיודה המשחזרים את ההתנהגות החשמלית של המכשיר. הרשת המתקבלת עשויה להכיל אלפים או מיליונים של רכיבים, אך ניתן לנתח אותה ביעילות באמצעות טכניקות סטנדרטיות לניתוח מעגלים.
בכל צומת ברשת, הפותר מבטיח את קיומו של חוק קירכהוף בנוגע לזרם:
$$ \sum_i I_i = 0 $$משמעות הדבר היא שהזרם הכולל הזורם לתוך כל צומת חייב להיות שווה לזרם הכולל הזורם ממנו. פתרון המשוואות הללו בכל הרשת קובע כיצד הזרם מתפלג בתוך המכשיר, בהתאם לגאומטריה שלו.
מודל המעגל משתמש במספר סוגים שונים של רכיבים חשמליים כדי לייצג את המכשיר הפיזי:
הזרם הזורם דרך כל רכיב דיודה עוקב אחר המשוואה הסטנדרטית של דיודה.
$$ I(V) = I_0 \left(e^{\frac{qV}{nkT}} - 1\right) - I_{ph} $$כאשר \(I_0\) הוא זרם הרוויה ההפוך, \(n\) הוא מקדם האידיאליות, ו-\(I_{ph}\) מייצג את הזרם הנוצר על ידי אור, המסופק על ידי המודל האופטי.
למרות שהתנהגות החשמלית מתוארת באמצעות רשת מעגלים, עדיין ניתן לדמות באופן מדויק את התכונות האופטיות של המכשיר. OghmaNano כוללת מספר פותרים אופטיים, כולל שיטת מטריצת המעבר.
מודלים אופטיים אלה מחשבים כיצד האור מתפשט ונספג בכל מבנה המכשיר. פרופיל הספיגה המרחבית המתקבל מומר לפרמטר של יצירת פוטונים, אשר מוזן ישירות לאלמנטים הדיודתיים של מעגל החשמלי. בדרך זו, התוכנה משלבת מודלים אופטיים מדויקים עם סימולציה חשמלית יעילה של שטח גדול.
הכלי לפתרון מעגלים תלת-ממדיים שימושי במיוחד במערכות שבהן שטח הרכיב גדול בהרבה מעובי השכבות הפעילות. יישומים נפוצים כוללים:
במכשירים אלה, ההתנהגות החשמלית מושפעת במידה רבה מעיצוב האלקטרודות ומאופן פיזור הזרם בתוך השכבות המוליכות. באמצעות הדמיה ישירה של השפעות אלו, תוכנת הסימולציה מאפשרת לחוקרים לבחון גיאומטריות מגע שונות ולחזות כיצד ביצועי המכשיר ישתנו בהתאם לגודל.
לאחר שהוגדרה הגיאומטריה של הרכיב, OghmaNano יוצרת באופן אוטומטי רשת מעגלים תלת-ממדית על סמך המבנה. רשת זו מהווה את הבסיס למודל החשמלי ומגדירה כיצד הגיאומטריה הפיזית מומרת לרכיבי מעגל.
דוגמה לרשת מסוג זה מוצגת באיור ??. כל חיבור ברשת הופך לרכיב נגד או דיודה, בהתאם לחומר ולשכבה שממנה הוא מגיע.
הכלי לפתרון בעיות מזהה גם נקודות חיבור, כפי שמוצג בתרשים Figure ??. נקודות אלו מייצגות את נקודות החיבור החשמליות שדרכן זרם נכנס או יוצא מהמכשיר. אופן פיזורן משפיע באופן משמעותי על האופן שבו הזרם מתפזר בצורה רוחבית ברשת המעגלים.
OghmaNano כולל מספר מדריכים המדגימים כיצד להשתמש בכלי לפתרון מעגלים תלת-ממדיים לצורך הדמיה מציאותית של התנהגות רכיבים אלקטרוניים. דוגמאות אלו מנחות את המשתמשים לאורך כל התהליך, החל בהגדרת הגיאומטריה של הרכיב ועד לניתוח מאפייני המתח-זרם המתקבלים.
נקודת התחלה טובה היא המדריך סימולציה של מגע בשטח גדול, המציג את תופעת פיזור הזרם ואת התנגדות האלקטרודה. משם תוכלו להתקדם למדריך תא סולארי PM6:Y6 בשטח גדול, הכולל רכיבי דיודה ויצירה אופטית.
לצורך סימולציות מתקדמות יותר, מדריך למודול פרוֹבְּסְקִיט מדגים כיצד ניתן לחבר מספר מכשירים יחד כדי לדמות מודולים פוטו-וולטאיים שלמים.
נסו לבצע הדמיה של שטח גדול.
התחילו עם ה- מדריך לשימוש במשטח מגע גדוללאחר מכן, בדקו את דוגמה לתא סולארי מסוג PM6:Y6 וכן מדריך למודול פרוֹבְּסְקִיט.