많은 현대 광전자 소자는 반도체 소자 물리 시뮬레이션에서 일반적으로 다루는 미시적 길이 규모보다 훨씬 큰 면적에서 제작됩니다. 태양전지, OLED, 포토디텍터의 활성층 두께는 수십 또는 수백 나노미터에 불과할 수 있지만, 실제 소자의 크기는 센티미터 또는 심지어 미터 단위까지 확장될 수 있습니다. 이러한 구조를 완전한 3차원 drift–diffusion 모델로 시뮬레이션하는 것은 계산적으로 매우 비현실적이 됩니다.
대면적 소자에서는 지배적인 제한 요인이 활성층을 통한 수직 방향 캐리어 수송이 아니라 측방향 전류 확산, 전극 저항, 그리고 접촉 기하 구조인 경우가 많습니다. 이러한 효과는 소자로부터 전류가 얼마나 효율적으로 수집될 수 있는지를 결정하며, 실험실 규모 셀을 실제 소자 크기로 확장할 때 성능을 제한하는 주요 요인이 됩니다.
이 문제를 해결하기 위해 OghmaNano에는 전용 3D 회로 솔버가 포함되어 있습니다. 공간 전체에서 반도체 수송 방정식을 직접 푸는 대신, 솔버는 소자 기하 구조를 저항과 다이오드로 구성된 네트워크로 변환하여 전체 소자 면적에 걸친 전류 흐름을 표현합니다. 이를 통해 센티미터 규모 및 모듈 규모 구조를 효율적으로 시뮬레이션하면서도 기본 소자 물리의 전기적 거동을 재현할 수 있습니다.
회로 솔버는 특히 대면적 태양전지, OLED 패널, 그리고 광전 모듈 연구에 유용합니다. 예를 들어, 대면적 접촉 튜토리얼에서는 전극 저항이 전류 확산에 미치는 영향을 보여주며, 대면적 PM6:Y6 태양전지 튜토리얼에서는 광학 생성과 다이오드 요소를 회로 모델에 포함하는 방법을 보여줍니다. 여러 개의 상호 연결된 셀을 포함한 더 복잡한 소자 구조는 페로브스카이트 모듈 튜토리얼에서 다룹니다.
회로 솔버는 소자의 3차원 기하 구조에서 시작합니다. 구조가 정의되면 소프트웨어는 물리적 레이아웃을 나타내는 공간 메시를 생성합니다. 이후 이 메시는 각 연결이 하나의 회로 요소에 대응되는 전기 네트워크로 변환됩니다.
전도성 층은 저항 연결로 변환되고, 활성 영역은 소자의 전기적 거동을 재현하는 다이오드 요소로 표현됩니다. 생성된 네트워크는 수천 또는 수백만 개의 요소를 포함할 수 있지만, 표준 회로 해석 기법을 사용하여 효율적으로 풀 수 있습니다.
네트워크의 각 노드에서 솔버는 키르히호프 전류 법칙을 적용합니다:
$$ \sum_i I_i = 0 $$즉, 각 노드로 들어오는 총 전류는 해당 노드에서 나가는 총 전류와 같아야 합니다. 전체 네트워크에 대해 이 방정식을 풀면 전류가 소자 기하 구조 전체에 어떻게 분포하는지가 결정됩니다.
회로 모델은 물리적 소자를 표현하기 위해 여러 종류의 전기적 요소를 사용합니다:
각 다이오드 요소를 통한 전류는 표준 다이오드 방정식을 따릅니다.
$$ I(V) = I_0 \left(e^{\frac{qV}{nkT}} - 1\right) - I_{ph} $$여기서 \(I_0\)는 역방향 포화 전류, \(n\)은 이상성 계수이며, \(I_{ph}\)는 광학 모델에 의해 공급되는 광생성 전류를 나타냅니다.
전기적 거동은 회로 네트워크로 기술되지만, 소자의 광학적 특성은 여전히 엄밀하게 시뮬레이션할 수 있습니다. OghmaNano에는 전송 행렬 방법을 포함한 여러 광학 솔버가 포함되어 있습니다.
이러한 광학 모델은 빛이 소자 구조 전체에서 어떻게 전파되고 흡수되는지를 계산합니다. 그 결과로 얻어지는 공간적 흡수 프로파일은 광생성 항으로 변환되어 회로 네트워크의 다이오드 요소에 직접 입력됩니다. 이러한 방식으로 솔버는 정확한 광학 모델링과 효율적인 대면적 전기 시뮬레이션을 결합합니다.
3D 회로 솔버는 소자 면적이 활성층 두께보다 훨씬 큰 시스템에서 특히 유용합니다. 대표적인 응용 예는 다음과 같습니다:
이러한 소자에서는 전극 설계와 전도층 내부의 전류 확산이 전기적 거동에 큰 영향을 미칩니다. 이러한 효과를 직접 모델링함으로써 회로 솔버는 연구자들이 다양한 접촉 기하 구조를 탐색하고 소자 성능이 크기에 따라 어떻게 스케일링되는지를 예측할 수 있도록 합니다.
소자 기하 구조가 정의되면 OghmaNano는 구조로부터 자동으로 3차원 회로 메시를 생성합니다. 이 메시는 전기 모델의 기반을 형성하며 물리적 기하 구조가 어떻게 회로 요소로 변환되는지를 정의합니다.
이러한 메시의 예는 그림 ??에 표시되어 있습니다. 메시의 각 연결은 해당 재료와 층에 따라 저항 또는 다이오드 요소가 됩니다.
솔버는 또한 추출 노드를 식별하며, 이는 그림 ??에 표시되어 있습니다. 이러한 노드는 전류가 소자에 들어오거나 나가는 전기 접촉을 나타냅니다. 이들의 분포는 회로 네트워크 내에서 전류가 측방향으로 어떻게 확산되는지에 큰 영향을 미칩니다.
OghmaNano에는 실제 소자 시뮬레이션을 위해 3D 회로 솔버를 사용하는 방법을 보여주는 여러 튜토리얼이 포함되어 있습니다. 이러한 예제는 소자 기하 구조 정의부터 결과 전류–전압 특성 분석까지 전체 워크플로를 안내합니다.
좋은 시작점은 대면적 접촉 시뮬레이션 튜토리얼로, 전류 확산과 전극 저항을 소개합니다. 이후 대면적 PM6:Y6 태양전지 튜토리얼로 이동하여 다이오드 요소와 광학 생성을 포함한 모델을 살펴볼 수 있습니다.
보다 고급 시뮬레이션을 위해 페로브스카이트 모듈 튜토리얼에서는 여러 소자를 연결하여 전체 광전 모듈을 시뮬레이션하는 방법을 보여줍니다.
대면적 시뮬레이션을 시도해 보세요.
먼저 대면적 접촉 튜토리얼을 시작한 다음, PM6:Y6 태양전지 예제 와 페로브스카이트 모듈 튜토리얼 을 탐색해 보십시오.