☰
OghmaNano כולל פותר מעגלים פשוט המשמש למידול התקנים אופטו-אלקטרוניים באמצעות רשתות קומפקטיות דמויות-SPICE, המורכבות מנגדים, קבלים ודיודות. פותר זה מיועד לבעיות שבהן חישוב מלא של תופעת הסחיפה והדיפוזיה יהיה מפורט מדי, איטי מדי או תלוי בפרמטרים של החומר שאינם ידועים בוודאות. במקום לפתור את משוואות הולכת המטענים בחומר המוליך למחצה בכל רחבי ההתקן, התגובה החשמלית מיוצגת על ידי מספר קטן של רכיבי מעגל הניתנים לפירוש פיזיקלי.
דבר זה הופך את הכלי לשימושי במיוחד לביצוע מודלים מהירים של תאים סולאריים, ניתוח התנגדות מקבילה/טורית, התאמה מדויקת של עקומת זרם-מתח (JV), ניתוח תגובה חולפת, ספקטרוסקופיית עכבה, מדידת יעילות קוונטית (EQE) ואופטימיזציה מהירה של תכנון. במסגרת אותו תהליך עבודה, OghmaNano יכולה לחבר את המודל החשמלי למודל האופטי transfer-matrix optical solver, כך שרכיב הדיודה יקבל זרם פוטו חשמלי המחושב באופן פיזיקלי ולא מקור שרירותי. במילים אחרות, המודל החשמלי הוא פשוט וחד-ממדי, בעוד שהאופטיקה עדיין יכולה לשמור על תופעת ההפרעה הקוהרנטית המלאה בסרט דק.
במחקרים מעשיים רבים על התקנים, רמת הפירוט הזו היא בדיוק מה שצריך. המעגל המקביל מתאר את ההתנהגות המאקרוסקופית הדומיננטית – כגון הפעלת דיודה, הפסדי התנגדות טוריים, דליפה דרך מעקפים וקיבוליות גיאומטרית – בעוד שהמנגנון האופטי קובע כמה אור נספג בפועל בשכבה הפעילה שנבחרה. כך, הפותר הופך לגשר טבעי בין מודלים קומפקטיים מהירים לבין צימוד אופטי בעל משמעות פיזיקלית.
סימולציה מקיפה של פיזיקת המכשיר יכולה לנתח בצורה מפורטת מאוד את צפיפות הנשאים, הפוטנציאל האלקטרוסטטי, תהליכי רקומבינציה, מלכודות ותהליכי הולכה, אך הדבר כרוך במחיר: היא דורשת מספר רב של פרמטרים קלט ופתרון נומרי יקר יותר. לעומת זאת, פותר המעגל האקוויוולנטי מצמצם את הבעיה למספר מצומצם של רכיבים בעלי משמעות פיזיקלית ישירה. לדוגמה, תא סולארי מיוצג לעיתים קרובות באופן מדויק על ידי דיודה המחוברת במקביל לנגד מקביל ולקבל, בתוספת נגד טורי.
בתרשים המצומצם הזה, ניתן לייצג את הזרם באופן סכמטי כדלקמן:
\( I(V) = I_{0}\!\left[\exp\!\left(\frac{qV_{\mathrm{d}}}{nkT}\right)-1\right] - I_{\mathrm{ph}} \)
כאשר \(I_{0}\) הוא זרם הרוויה של הדיודה, \(n\) הוא מקדם האידיאליות, ו-\(I_{\mathrm{ph}}\) הוא הזרם הפוטואלקטרי. המתח שבו הדיודה באמת "רואה" משתנה בהתאם למעגל הסובב אותה, במיוחד על ידי הרכיבים המחוברים בטור ובמקביל. לעיתים קרובות, שינוי זה מספיק כדי לשחזר את הצורה העיקרית של עקומת JV ולהבין איזה מנגנון הפסד הוא הדומיננטי במכשיר.
כאשר יש להתחשב בהשפעות קיבוליות, ניתן להשתמש באותה מעגל כדי לתאר גם התנהגות זמנית או התנהגות בתחום התדר, תוך שימוש בקשר המקובל.
$$ I_{C} = C\,\frac{dV}{dt} $$
מה שהופך את המודל למתאים לא רק למדידות מתמשכות של מאפייני זרם-מתח (JV), אלא גם למדידות CELIV, ספקטרוסקופיית עכבה, IMPS ומדידות מודולריות או חולפות אחרות. זוהי אחת התכונות החשובות ביותר של יישום OghmaNano: מודל המעגל אינו פתרון חד-פעמי, אלא מנוע חשמלי קומפקטי המשולב בתוך תהליך העבודה הניסויי הרחב יותר של התוכנה.
המאפיין הבולט ביותר של פותר המעגלים OghmaNano הוא שהוא אינו מבודד מהפיזיקה האופטית. ניתן לחבר דיודה לשכבה ספציפית במערך הרכיבים, ולאחר מכן ניתן לספק את הערך של הזרם הפוטואלקטרי באמצעות שיטת מטריצת המעבר (TMM). המשמעות היא ששטף הפוטונים הנקלט מחושב על סמך מערך הרכיבים האופטי בפועל – כולל מקדם השבירה התלוי באורך הגל, הפרעות בין שכבות דקות, אפקטים של גלים עומדים וספיגה התלויה במיקום – לפני שהוא מומר לערך המשמש ליצירת רכיב במעגל.
זה שימושי ביותר עבור תאים סולאריים, פוטודיודות ומכשירים אחרים המופעלים על ידי אור, מכיוון שהוא מאפשר לבחון כיצד עובי השכבה, החומרים האופטיים וההפרעות משפיעים על תפוקת הזרם, מבלי צורך להפעיל מודל מפורט של תנועת דיפוזיה. בפועל, זה הופך את פותר המעגל האקוויולנטי לכלי רב עוצמה לסינון מהיר של ארכיטקטורות: ניתן לבדוק כיצד מכשיר מגיב מבחינה חשמלית, תוך שמירה על חישוב אופטי בעל משמעות פיזיקלית.
מכיוון שהחישוב האופטי מתבצע באותה סביבת תוכנה, קל לעבור בין מודלים חשמליים קומפקטיים לתכנון אופטי מפורט יותר. לדוגמה, ניתן לשנות את עובי השכבה הפעילה במערך השכבות, להריץ שוב את החישוב באמצעות מטריצת העברה, ולצפות מיד בהשפעה על הזרם הפוטואלקטרי של הדיודה ועל עקומת ה-JV הסופית. זוהי אחת הסיבות לכך שפתרון המעגלים יעיל כל כך באופטימיזציה מהירה של תכנון של התקנים אופטו-אלקטרוניים רב-שכבתיים.
מודלים של מעגלים נבנים באמצעות הכרטיסייה "דיאגרמת מעגל" בממשק הראשי. העורך מספק את אבני הבניין הסטנדרטיות הנדרשות ליצירת מודלים מרוכזים: נגדים, קבלים, דיודות, רכיבים לא-ליניאריים, חוטים, נקודת הארקה ומקורות מתח. דוגמת המעגל של תא סולארי המוצגת ב-איור ?? מכילה את הרשת הפוטו-וולטאית המינימלית הקלאסית: ענף דיודה, ענף שנט, נגד טורי וקבל.
לחיצה על רכיב מסוים פותחת עורך, שבו ניתן לשנות את הפרמטרים שלו. עבור הדיודה, זה כולל את מקדם האידיאליות, זרם הרוויה \(I_{0}\), השכבה שאליה היא מחוברת אופטית, ויעילות הפוטונים. זה מוצג ב-איור ?? וב-איור ??.
שליטה ברמת הרכיבים חשובה מכיוון שהיא מאפשרת מעבר חלק ממודל קומפקטי מותאם לחלוטין למודל אופטו-אלקטרוני חצי-פיזיקלי. ניתן להתחיל מדיודה אידיאלית פשוטה, ואז להוסיף התנגדות טורית ריאליסטית, זליגת זרם מקבילה, תגובה קיבולית, ולבסוף יצירה אופטית באמצעות פותר מטריצת המעבר. כך העורך הופך לכלי שימושי הן להוראה והן למחקר.
אחד היתרונות העיקריים של מודל המעגל האקוויולנטי הוא שהוא פועל במסגרת הסימולציה זהה לשאר רכיבי OghmaNano. המתח המופעל מוגדר באותו אופן כמו בסימולציה מלאה של רכיב, וניתן להשתמש באותם מצבי ניסוי. המשמעות היא שניתן להריץ את המודל המצומצם במצבי JV, EQE, Suns–VOC, Suns–JSC, CELIV, ספקטרוסקופיית עכבה, IMPS, קיבול-מתח ומצבים אחרים בתחום הזמן או התדר.
דבר זה בעל ערך מכיוון שאפשר לבחון את אותה מערכת ממספר נקודות מבט, מבלי לבנות מחדש את המודל במעגל חיצוני. הגרף ב-איור ?? מציג פלט טיפוסי בתחום התדר, ואילו הדוגמה שלהלן ממחישה כיצד ניתן להשתמש באותה מסגרת מעגלים גם לחישוב פלטים ספקטרליים, כגון EQE. הדבר הופך את פותר המעגלים הפשוט ליותר מסתם כלי בסיסי להתאמת עקומות זרם-מתח (JV). ניתן להשתמש בו כמודל מהיר לניתוח ניסויים, לבדיקת האופן שבו פרמטרים שונים של מעגל מקבילים מעצבים את התגובה הנמדדת, ולבדיקה מהירה של תכנונים לפני מעבר לסימולציות מפורטות יותר של פיזיקת המכשיר.
כאשר ההדמיה מופעלת דרך הממשק הראשי, הפותר יוצר את קבצי הפלט הרגילים ומציג אותם בלשונית "פלט". בנוסף, הוא יכול ליצור פלט של רכיב בסגנון "רשימת חיבורים", המציג את הזרם העובר ואת המתח בכל רכיב. הדבר שימושי במיוחד להבנת איזה ענף במעגל משפיע באופן דומיננטי על התגובה בנקודת הפעלה מסוימת.
התמונה של המעגל המסומן ב-איור ?? ממחישה זאת בבירור: ניתן לבדוק כל רכיב בזמן שהסמן נע לאורך הסקירה, ובכך לאפשר למשתמש לראות, למשל, מתי הזרם בדיודה הופך לדומיננטי, מתי נתיב העקיפה מתחיל להיות משמעותי, או כיצד הקבל תורם במהלך ניסוי חולף.
זהו אחד ההיבטים המועילים ביותר של הפותר. במודל קומפקטי, לכל רכיב יש משמעות ברורה. במקום לבחון פתרון של שדה גדול, אפשר לשאול ישירות: האם מקדם המילוי מוגבל על ידי התנגדות טורית? האם התנהגות המתח הנמוך מושפעת בעיקר מדליפת שנט? האם התגובה החולפת היא קיבולית? האם הזרם הפוטואלקטרי תואם את הבליעה האופטית? פלטי המעגל מקלים על מתן תשובות לשאלות אלו.
הכלי לפתרון מעגלים חשמליים שקולים מתאים במיוחד ל:
זהו גם כלי הוראה מצוין. מכיוון שהמודל פשוט וגרפי, הוא מסייע למשתמשים לפתח אינטואיציה לגבי האופן שבו איכות הדיודה, מסלולי זליגה, הפסדים התנגדותיים ויצירה אופטית משתלבים יחד כדי לקבוע את התגובה החשמלית הסופית.
מכיוון שהכלי לפתרון בעיות קל משקל, הוא גם עובד היטב עם כלי הסריקה וההתאמה של OghmaNano. פרמטרי המעגל מוצגים באותו מבנה פרמטרים בסגנון JSON כמו שאר הסימולציה, כך שניתן לסרוק אותם, לכוונן אותם או להתאים אותם לנתוני ניסוי, בדיוק כמו פרמטרים של מודלים מפורטים יותר.
OghmaNano כולל דוגמאות למודלים קומפקטיים בסעיף "מודלים פשוטים של דיודות" בספריית הסימולציות. נקודת התחלה טובה היא המדריך " מעגל שקול פשוט", המציג את עורך המעגלים, מסביר את הפרמטרים של הרכיבים ומדגים כיצד ניתן לחבר את המודל לפתרון האופטי עבור תא סולארי מסוג PM6:Y6.
משתמשים המתעניינים בהיבטים האופטיים של תהליך העבודה צריכים לעיין גם בדף הנחיתה של Transfer Matrix ובמדריך thin-film optical filter, מכיוון שאותו מנוע אופטי קוהרנטי של שכבות דקות אחראי ליצירת רכיב הזרם הפוטואלקטרי שבו משתמשת הדיודה. לקבלת מודלים חשמליים מפורטים יותר מעבר לקירוב הפשוט, ראו את Advanced Drift–Diffusion solver.
נסו דוגמה פשוטה למעגל חשמלי.
התחילו במדריך מעגל מקביל פשוט כדי לבנות ולהריץ מודל של תא סולארי המבוסס על דיודה. לאחר מכן, בחנו מצבי סימולציה חלופיים כגון JV, EQE, Suns–VOC, CELIV וספקטרוסקופיית עכבה, תוך שימוש באותו מעגל מופשט.
כדי לשלב זרם פוטו חשוב מבחינה פיזיקלית, יש לשלב את מודל המעגל עם ה- שיטת מטריצת המעברהוא מספק אנרגיה ישירות לרכיב הדיודה באמצעות תהליך של ספיגה.