Symulacja działania dużych układów – część A: Konfiguracja i zrozumienie trójwymiarowego modelu kontaktu.
Duże powierzchniowo urządzenia optoelektroniczne – takie jak elastyczne ogniwa słoneczne, moduły perowskitowe, panele OLED i elementy elektroniczne wytwarzane metodą druku – często ograniczane są nie przez aktywny półprzewodnik, lecz przez połączenia elektryczne. Wraz ze wzrostem powierzchni urządzenia, prąd musi przemieszczać się w sposób boczny przez przezroczyste przewodniki, zanim dotrze do wysoce przewodzącego zewnętrznego kontaktu. W rezultacie powstające straty rezystancyjne mogą znacząco obniżyć wydajność, współczynnik wypełnienia lub jednorodność jasności.
Powszechnym rozwiązaniem jest połączenie przewodzącego polimeru lub przezroczystego przewodnika (do lokalnego zbierania prądu) z metalową siatką (do dalekiego zasięgu transportu prądu). Siatka może mieć kształt sześciokątny, kwadratowy, przypominający palce lub być w pełni niestandardowa. Eksperymentalne projektowanie takich kontaktów jest kosztowne: litografia, drukowanie i optymalizacja procesu generują znaczne koszty. Symulacje numeryczne pozwalają oszacować rezystancję, spadek napięcia i koncentrację prądu przed rozpoczęciem produkcji.
W tym samouczku skupiamy się wyłącznie na samym elemencie kontaktowym. Przedstawiona tutaj struktura nie jest w pełni funkcjonalną ogniwem słonecznym ani diodą LED; jest to raczej wielokrotnego użytku model kontaktu, który można umieścić na dowolnym urządzeniu. W kolejnych samouczkach pokażemy, jak zintegrować te elementy kontaktowe z pełnymi układami optoelektronicznymi. Naszym celem jest tutaj zrozumienie, w jaki sposób prąd przepływa przez element kontaktowy i gdzie występują straty.
Krok 1: Utwórz nową symulację kontaktu na dużej powierzchni.
W głównym oknie programu OghmaNano kliknij opcję „Nowa symulacja”. W bibliotece symulacji kliknij dwukrotnie model „Duże obszary – trójwymiarowe urządzenia”, jak pokazano na ilustracji ??. Spowoduje to wyświetlenie listy zdefiniowanych struktur o dużych obszarach (??). Kliknij dwukrotnie opcję „Duże obszary – heksagonalny kontakt”.
Krok 2: Sprawdzenie konstrukcji styków.
Główne okno symulacji otwiera się (??). Ta struktura reprezentuje pojedynczy, niezależny element elektrycznego kontaktu. Nie jest on jeszcze połączony z ogniwem fotowoltaicznym ani diodą emitującą światło; zamiast tego, symuluje on przepływ prądu wewnątrz samych warstw kontaktu.
Można obracać widok, przeciągając palcem po tle przedstawiającym gwiazdy. Najważniejsze funkcje to:
- Metalowa siatka (czerwona) – wysoce przewodząca sieć (w tym przypadku o strukturze heksagonalnej), która transportuje prąd na duże odległości.
- Przewodzący polimer (zielony) – warstwa o niższej przewodności (w tym przypadku PEDOT:PSS), która lokalnie zbiera prąd i przekazuje go do siatki.
- Listwa do pobierania prądu (żółta) – zewnętrzna elektroda, z której ostatecznie pobierany jest prąd z urządzenia.
Chociaż w tym przykładzie zastosowano heksagonalną siatkę i materiał PEDOT:PSS, żaden z tych elementów nie jest kluczowy. Można zastąpić siatkę dowolnymi kształtami, a polimer dowolną warstwą przewodzącą. Celem tego poradnika jest zrozumienie elektrycznych konsekwencji takich wyborów projektowych.
Krok 3: Definicje warstw i kontaktów.
Otwórz edytor warstw, aby wyświetlić zdefiniowane warstwy (??). Dostępne są trzy warstwy:
- Powietrze – warstwa izolacyjna, na której umieszczony jest górny elektrod.
- Srebro – metalowa warstwa w postaci siatki.
- PEDOT:PSS – przewodząca warstwa polimeru znajdująca się pod siatką.
Należy pamiętać, że warstwa powietrza oznaczona jest jako „Kontakt”, natomiast warstwy srebra i polimeru oznaczone są jako „Aktywne”. W tym kontekście „aktywny” oznacza po prostu, że OghmaNano rozwiązuje tam równania elektryczne. W tym przykładzie nie stosuje się fizyki związanej z dryfem i dyfuzją półprzewodników.
Otwórz edytor kontaktów (??). Zdefiniowano dwa kontakty: górny, utrzymywany przy napięciu 0 V, oraz dolny, którego napięcie będzie zmieniane w późniejszych symulacjach. Szerokość kontaktów określa obszar fizyczny, w którym wprowadzany lub pobierany jest prąd.
Krok 4: Tworzenie trójwymiarowego modelu obwodu.
Ponieważ mamy do czynienia z rozległą strukturą metalowo-polimerową, rozwiązywanie pełnych równań dryfu i dyfuzji półprzewodników byłoby niepotrzebne i nieefektywne. Zamiast tego, OghmaNano traktuje ten model jako trójwymiarową sieć rezystancyjną, której działanie regulują prawa Kirchhoffa dotyczące prądu i napięcia. Każdy mały element objętości staje się rezystorem, a cała struktura jest analizowana jako duży obwód.
Przejdź do zakładki „Schemat obwodu” i kliknij ikonę „Odśwież” w lewym dolnym rogu. Spowoduje to wygenerowanie trójwymiarowej reprezentacji obwodu, którą można zobaczyć poniżej.
Zgodnie z tym podejściem, każdy element obwodu odpowiada rezystorowi, a każdy zielony węzeł reprezentuje węzeł obwodu. Niebieskie węzły wskazują punkty, z których pobierany jest prąd z całej struktury. Widoczny wcześniej żółty pasek służący do pobierania prądu określa, które obszary pełnią funkcję punktów wyprowadzających prąd. Obrócenie struktury pokazuje, że dolna powierzchnia również zawiera węzły do pobierania prądu, odpowiadające dolnemu kontaktowi.
Na tym etapie geometria symulacji i schemat obwodu są w pełni zdefiniowane. W dalszej części instrukcji zastosujemy napięcia, uruchomimy program symulacyjny i obliczymy straty mocy oraz spadki napięcia w miejscu styku.
👉 Następny krok: przejdź do sekcji Część B, aby uruchomić symulację i przeanalizować przepływ prądu oraz straty napięcia.