☰
Wiele nowoczesnych urządzeń optoelektronicznych jest wytwarzanych na obszarach znacznie większych niż te, które zwykle modeluje się w fizyce urządzeń półprzewodnikowych, biorąc pod uwagę skale mikroskopowe. Chociaż warstwy aktywne ogniw słonecznych, diod OLED i fotodetektorów mogą mieć grubość rzędu kilkudziesięciu lub setek nanometrów, same urządzenia mogą rozciągać się na kilka centymetrów, a nawet metrów. Symulacja takich struktur przy użyciu pełnych trójwymiarowych modeli dyfuzji i dryfu szybko staje się obliczeniowo niewykonalna.
W przypadku urządzeń o dużej powierzchni głównym ograniczeniem nie jest zazwyczaj pionowy transport nośników przez warstwę aktywną, lecz rozprzestrzenianie się prądu w płaszczyźnie, opór elektrod oraz geometria kontaktów. Czynniki te decydują o tym, jak efektywnie można zbierać prąd z urządzenia i często ograniczają jego wydajność podczas przechodzenia od prototypów laboratoryjnych do urządzeń o praktycznych rozmiarach.
Aby rozwiązać ten problem, OghmaNano zawiera dedykowany moduł do rozwiązywania problemów związanych z trójwymiarowymi obwodami. Zamiast rozwiązywać równania dotyczące transportu nośników w całym obszarze, moduł ten przekształca geometrię urządzenia w sieć rezystorów i diod, która modeluje przepływ prądu na całej powierzchni urządzenia. Dzięki temu możliwe jest efektywne symulowanie struktur o wymiarach centymetrowych i modułowych, przy jednoczesnym zachowaniu wierności w odtwarzaniu elektrycznych właściwości fizycznych urządzenia.
Program do analizy obwodów jest szczególnie przydatny w badaniach dużych ogniw słonecznych, paneli OLED i modułów fotowoltaicznych. Na przykład, w tutorial dotyczący dużych powierzchni styku pokazano, jak opór elektrod wpływa na rozkład prądu, natomiast w tutorial dotyczący dużych ogniw słonecznych PM6:Y6 przedstawiono, w jaki sposób generowanie światła i elementy diodowe można uwzględnić w modelu obwodu. Bardziej złożone układy urządzeń, w tym połączone ze sobą ogniwa, są analizowane w tutorial dotyczący modułów perowskitowych.
Proces analizy obwodu rozpoczyna się od określenia trójwymiarowej geometrii urządzenia. Po zdefiniowaniu struktury, oprogramowanie generuje przestrzenną siatkę, która odzwierciedla fizyczny układ. Następnie siatka ta jest przekształcana w sieć elektryczną, w której każde połączenie odpowiada elementowi obwodu.
Przewodzące warstwy przekształcają się w elementy o właściwościach rezystancyjnych, natomiast aktywne obszary są reprezentowane przez elementy diodowe, które odtwarzają właściwości elektryczne urządzenia. Otrzymana sieć może zawierać tysiące lub miliony elementów, ale można ją efektywnie analizować, stosując standardowe metody analizy obwodów.
W każdym węźle sieci algorytm zapewnia spełnienie prawa Kirchhoffa dotyczącego prądów:
$$ \sum_i I_i = 0 $$oznacza to, że suma prądów wpływających do każdego węzła musi być równa sumie prądów wypływających z niego. Rozwiązanie tych równań dla całego obwodu pozwala określić, w jaki sposób prąd rozkłada się w obrębie struktury urządzenia.
W modelu obwodu wykorzystuje się różne rodzaje elementów elektrycznych do odwzorowania fizycznego urządzenia:
Prąd płynący przez każdy element diodowy jest zgodny ze standardowym równaniem diody.
$$ I(V) = I_0 \left(e^{\frac{qV}{nkT}} - 1\right) - I_{ph} $$gdzie \(I_0\) oznacza prąd nasycenia w kierunku wstecznym, \(n\) to współczynnik idealności, a \(I_{ph}\) reprezentuje prąd generowany przez światło, dostarczany przez model optyczny.
Mimo że właściwości elektryczne urządzenia opisuje się za pomocą modelu obwodu, jego właściwości optyczne można nadal dokładnie symulować. OghmaNano zawiera kilka narzędzi do symulacji optycznych, w tym metodę macierzy przenoszenia.
Te modele optyczne obliczają, w jaki sposób światło rozchodzi się i jest absorbowane w całej strukturze urządzenia. Otrzymany profil przestrzennej absorpcji jest przekształcany w parametr fotogeneracji, który bezpośrednio wpływa na elementy diodowe w obwodzie. W ten sposób program łączy precyzyjne modelowanie optyczne z wydajną symulacją elektryczną na dużej powierzchni.
Trójwymiarowy program do analizy obwodów jest szczególnie przydatny w systemach, w których powierzchnia elementu jest znacznie większa niż grubość warstw aktywnych. Typowe zastosowania obejmują:
W tych urządzeniach na właściwości elektryczne znacząco wpływa konstrukcja elektrod oraz sposób rozkładu prądu w warstwach przewodzących. Dzięki modelowaniu tych efektów bezpośrednio, program do analizy obwodów pozwala badaczom na analizę różnych geometrii kontaktów i przewidywanie, w jaki sposób wydajność urządzenia będzie zmieniać się wraz ze zmianą jego rozmiarów.
Po zdefiniowaniu geometrii urządzenia, OghmaNano automatycznie generuje trójwymiarową siatkę obwodu na podstawie tej struktury. Siatka ta stanowi podstawę modelu elektrycznego i określa, w jaki sposób fizyczna geometria jest przekształcana w elementy obwodu.
Przykład takiej siatki przedstawiono na Rysunek ??. Każde połączenie w siatce staje się rezystorem lub elementem diodowym, w zależności od materiału i warstwy, z której pochodzi.
Rozwiązywacz identyfikuje również węzły ekstrakcji, jak pokazano w Rysunek ??Te punkty oznaczają elektryczne styki, przez które prąd wchodzi do urządzenia lub z niego wypływa. Ich rozmieszczenie ma istotny wpływ na sposób rozchodzenia się prądu wzdłuż sieci obwodów.
OghmaNano zawiera szereg samouczków, które pokazują, jak korzystać z trójwymiarowego solvera obwodów do realistycznych symulacji urządzeń. Przykłady te prowadzą użytkowników przez cały proces, od zdefiniowania geometrii urządzenia po analizę uzyskanych charakterystyk prądowo-napięciowych.
Dobrym punktem wyjścia jest samouczek dotyczący symulacji kontaktu na dużej powierzchni, który wprowadza w zagadnienia rozprzestrzeniania się prądu i rezystancji elektrod. Następnie można przejść do samouczka dotycząca ogniwa słonecznego PM6:Y6 o dużej powierzchni, która obejmuje elementy diodowe i generację optyczną.
W przypadku bardziej zaawansowanych symulacji należy instrukcja obsługi modułu perowskitowego pokazuje, w jaki sposób można połączyć ze sobą wiele urządzeń, aby symulować działanie kompletnych modułów fotowoltaicznych.
Wypróbuj symulację obejmującą duży obszar.
Rozpocznij od zapoznania się z instrukcją dotyczącą kontaktu na dużej powierzchni, a następnie przeanalizuj przykład ogniwa słonecznego PM6:Y6 oraz instrukcję dotyczącą modułu perowskitowego.