Samouczek dotyczący dwuwymiarowej symulacji ogniwa słonecznego z perowskitu metodą FDTD: połączona symulacja FDTD i symulacja z wykorzystaniem modelu dryfu i dyfuzji.

1. Wprowadzenie

W tym samouczku przedstawiono połączoną symulację metodą różnic skończonych w dziedzinie czasu (FDTD) i metodą dyfuzji nośników dla dwuwymiarowej, teksturowanej ogniwa słonecznego wykonanego z perowskitu. Metoda FDTD służy do obliczania pola optycznego i absorpcji wewnątrz urządzenia. Otrzymana rozkładowa gęstość generacji nośników jest bezpośrednio przekazywana do solvera elektrycznego, który oblicza transport, rekombinację, ekstrakcję ładunków oraz ostateczną krzywą zależności gęstości prądu od napięcia (JV).

Urządzenie zawiera struktura powierzchni, która zatrzymuje światło, jak pokazano w ??Ta struktura zmniejsza odbicie światła od powierzchni, kieruje promienie światła pod kątem i zwiększa długość drogi optycznej przez absorber perowskitowy. Dzięki temu może poprawić absorpcję bez zwiększania grubości absorbera, co w innym przypadku mogłoby prowadzić do zwiększenia rekombinacji i zmniejszenia efektywności zbierania nośników.

Jednowymiarowy model optyczny, taki jak metoda macierzy przenoszenia, nadaje się do analizy płaskich, jednorodnych warstw ułożonych jedna na drugiej. Nie pozwala on jednak w pełni opisać rozpraszania światła w kierunku bocznym, które występuje na powierzchni o nieregularnej strukturze. W opisywanym urządzeniu pole elektromagnetyczne zmienia się zarówno w płaszczyźnie komórki, jak i w jej przekroju, dlatego do rozwiązania równań Maxwella w przestrzeni stosuje się dwuwymiarowy model FDTD.

Metoda FDTD dostarcza informacje o lokalnym polu elektrycznym \(\mathbf{E}(x,y)\). Na podstawie tych danych OghmaNano oblicza gęstość mocy optycznej pochłanianej przez materiał i przelicza ją na przestrzenny współczynnik generacji optycznej \(G(x,y)\), w \(\mathrm{m^{-3}\,s^{-1}}\). Następnie, za pomocą \(G(x,y)\), solver oparty na równaniach transportu i dyfuzji oblicza gęstość nośników ładunku, potencjał elektrostatyczny, procesy rekombinacji, przepływ prądu oraz poziomy quasi-Fermiego w zależności od zmieniającego się napięcia.

To zintegrowane podejście jest ważne, ponieważ zwiększona absorpcja światła nie zawsze prowadzi do proporcjonalnego wzrostu fotoprądu. Nośniki generowane w obszarach o silnej rekombinacji lub słabej przewodności mogą nie być efektywnie zbierane. W związku z tym symulacja ocenia strukturę zatrzymującą światło pod kątem ostatecznej wydajności elektrycznej, a nie tylko pod kątem absorpcji.

W tym samouczku przeprowadzisz pełną symulację optoelektroniczną, sprawdzisz siatkę elementów urządzenia i profil generowania światła, przeanalizujesz rozkłady nośników ładunku oraz porównasz charakterystyki prądowo-napięciowe (JV) z uwzględnieniem i bez uwzględnienia struktury zwiększającej absorpcję światła.

2. Tworzenie nowej symulacji.

Otwórz okno nowej symulacji i wybierz kategorię przykładów FDTD (??). Następnie wybierz przykład Perovskite FDTD (??). Zapisz symulację w odpowiednim folderze; spowoduje to załadowanie głównego interfejsu, który jest przedstawiony na ilustracji ??.

3. Orientacja w głównym oknie.

Po załadowaniu symulacji pojawi się główne okno, jak pokazano na ilustracji ??. Struktura jest wyświetlana w widoku 3D na karcie „Struktura urządzenia”. Czarny obszar w tle reprezentuje świat – obszar symulacji, w którym znajduje się urządzenie.

Widoczne są liczne ważne elementy. W górnej części urządzenia blok zielonych strzałek symbolizuje źródło światła FDTD. Światło jest wprowadzane od góry i przemieszcza się w dół do komórki, podobnie jak światło słoneczne oświetla rzeczywistą ogniwo słoneczne. Poniżej źródła światła znajduje się płaszczyzna detektora, która mierzy pole elektromagnetyczne podczas przechodzenia przez nią światła. Odczyty z tego detektora są niezbędne do późniejszego odtworzenia profilu generowania światła wewnątrz urządzenia.

Przez całą strukturę, w kierunku pionowym, przebiega fioletowa siatka. Jest to siatka FDTD, która pokazuje płaszczyznę, wzdłuż której przeprowadzane jest symulowanie – w praktyce wykonujemy przekrój 2D przez urządzenie. W górnej części komórki można również zobaczyć trójkątną strukturę, która ma za zadanie rozpraszać padające światło i zwiększać jego absorpcję. Pod nią znajdują się funkcjonalne warstwy urządzenia perowskitowego (np. przezroczysty kontakt, warstwy transportujące elektrony i dziury, warstwa absorbująca perowskit oraz metalowy kontakt tylny), ułożone jedna na drugiej, tworząc działającą ogniwo słoneczne.

Należy zauważyć, że detektory nie zakłócają samego światła; jedynie mierzą pola elektromagnetyczne.

Za chwilę uruchomimy symulację i zobaczymy, jak światło rozchodzi się wewnątrz struktury, jak jest rozpraszane przez warstwę pochłaniającą światło i jak jest absorbowane przez perowskit. To właśnie ta absorpcja generuje nośniki ładunku, które następnie są zbierane przez model elektryczny.

4. Uruchamianie symulacji.

Po zapisaniu symulacji i zapoznaniu się z jej strukturą kliknij przycisk „Uruchom symulację” (▶), aby rozpocząć obliczenia. Okno przełączy się na zakładkę „Terminal”, gdzie można śledzić postęp symulacji. Symulacja przebiega przez kilka etapów, które są wyświetlane w sekcjach ??–??, a wyniki są prezentowane w sekcji ??.

Uruchomiono procedurę kalibracji. Po uruchomieniu modułu FDTD (??), pierwszym krokiem jest symulacja kalibracyjna. W tym etapie OghmaNano tymczasowo usuwa urządzenie z obszaru obliczeń i propaguje impuls źródłowy przez pustą przestrzeń. W ten sposób rejestrowane są czyste dane referencyjne dotyczące pola padającego na detektory – czyli ile światła dotarłoby, gdyby urządzenie w ogóle nie było obecne. Następnie kod porównuje rzeczywiste wyniki (z obecnym urządzeniem) z tymi danymi referencyjnymi. To porównanie pozwala OghmaNano na rozróżnienie światła odbitego, przepuszczonego i faktycznie pochłoniętego, a tym samym na dokładne obliczenie profilu generacji optycznej wewnątrz komórki. Podczas trwania kalibracji każda wyświetlana linia jest oznaczana słowem calibration.

Główny cykl obliczeń optycznych. Po zakończeniu kalibracji (??), słowo calibration znika z wyniku, a rozpoczyna się właściwa symulacja FDTD urządzenia, w której pole elektromagnetyczne jest śledzone w czasie. Zauważ, że tekst informujący o postępie jest wyświetlany na zielono. Jest to celowe: w tym konkretnym przykładzie obliczenia są wykonywane dla pojedynczej długości fali, wynoszącej około 550 nm, która znajduje się w zielonej części widma, a OghmaNano koloruje tekst informujący o kroku czasowym, aby pasował do aktualnie symulowanej długości fali.

Symulacja elektryczna. Po zakończeniu etapu FDTD, program wyświetla czas trwania symulacji – w tym przypadku symulacja optyczna trwała około 30 sekund (??). Warto zauważyć, że FDTD jest z natury powolne, ponieważ symuluje propagację światła przez strukturę krok po kroku. Po zakończeniu symulacji optycznej, OghmaNano automatycznie przechodzi do symulacji elektrycznej i generuje krzywą charakterystyki prądowo-napięciowej (JV) na podstawie profilu generacji, który został właśnie obliczony przez FDTD. W oknie programu będzie wyświetlane napięcie, które stopniowo wzrasta od 0 V, wraz z odpowiadającą mu gęstością prądu. Ujemna gęstość prądu wskazuje, że ogniwo generuje prąd, czyli działa jak działająca komórka słoneczna pod wpływem światła.

Po zakończeniu symulacji przejdź do zakładki „Wyniki” (??), aby znaleźć dane wygenerowane w jej trakcie. W następnej sekcji omówimy najważniejsze wyniki.

5. Przeglądanie wyników

Po zakończeniu symulacji możemy przeanalizować wyniki wyświetlane w zakładce „Wyniki” (??). Skupimy się na trzech najważniejszych wynikach: siatce elementów, profilu generowania światła i krzywej charakterystyki prądowo-napięciowej.

Siatka elementów. Najpierw otwórz device, aby zobaczyć geometrię, przedstawioną na ??. Dzięki temu można zobaczyć, jak OghmaNano faktycznie reprezentuje strukturę wewnętrznie: całe urządzenie jest podzielone na dużą liczbę trójkątów. To właśnie ta trójkątna siatka jest tym, co „widzi” solver, i można ją swobodnie obracać i przybliżać, aby sprawdzić, jak zbudowane są warstwy i struktura odpowiedzialna za zatrzymywanie światła.

Profil generacji optycznej. Następnie otwórz G, aby zobaczyć szybkość generacji optycznej, która jest wyświetlana w ??. Jest to mapa przestrzenna, pokazująca, gdzie wewnątrz urządzenia powstają pary elektron-dziura, obliczana bezpośrednio na podstawie pola FDTD. Wykres przedstawia wartości w jednostkach \(\mathrm{m^{-3}\,s^{-1}}\), czyli liczbę nośników generowanych w jednostce objętości na sekundę. Można wyraźnie zobaczyć, że generacja jest skoncentrowana w obszarze aktywnym, a jaśniejsze obszary wskazują miejsca, w których struktura zatrzymująca światło zwiększa absorpcję. Ten profil stanowi dokładnie tę wielkość, która jest przekazywana do modelu elektrycznego.

Krzywa charakterystyki prądowo-napięciowej (JV). Na koniec, a co najważniejsze dla szybkiej oceny wydajności urządzenia, otwórz jv, aby wyświetlić krzywą gęstości prądu w funkcji napięcia, przedstawioną na ??. W tym przykładzie ogniwo osiąga napięcie w stanie rozwartym (\(V_{oc}\)) nieco powyżej 1 V i gęstość prądu zwarciowego (\(J_{sc}\)) wynoszącą około −150 A m−2. Ujemny znak wskazuje jedynie na przyjętą konwencję znaków, zgodnie z którą prąd generowany przez światło płynie w kierunku przeciwnym do przyłożonego napięcia polaryzacji. Należy pamiętać, że, podobnie jak w całym OghmaNano, wszystkie wartości wyrażone są w jednostkach SI.

6. Szczegółowa analiza uzyskanych wyników.

Przeprowadzona przez nas symulacja składa się zasadniczo z dwóch części: obliczeń optycznych metodą FDTD oraz obliczeń elektrycznych opartych na modelu dryfu i dyfuzji. OghmaNano zapisuje szczegółowe migawki z obu etapów, dzięki czemu możemy je analizować, aby dokładnie zrozumieć, co dzieje się wewnątrz urządzenia. Najpierw przyjrzymy się wynikom optycznym, a następnie wynikom elektrycznym.

Zdjęcia stanu (optycznego) uzyskane metodą FDTD. W zakładce „Wyniki” kliknij dwukrotnie fdtd_snapshots. Otworzy się okno przeglądarki, pokazane na ilustracji ??, które w zasadzie przedstawia pełny zapis pola FDTD w kolejnych etapach symulacji. Przeglądarka umożliwia analizę wyników w zależności od kroku symulacji. Kliknij niebieski przycisk „+” i wybierz power_density.csv, a następnie przesuń pasek przewijania, aby przejrzeć kolejne etapy czasowe i zobaczyć, jak pole rozchodzi się w strukturze urządzenia i jest przez nią rozpraszane. Jeśli wolisz zobaczyć surowe składowe pola, możesz dodać Ex, Ey lub Ez zamiast gęstości mocy.

Przykładowe dane elektryczne. Wyniki pomiarów elektrycznych są przechowywane oddzielnie. W zakładce „Wyniki” kliknij dwukrotnie katalog snapshots (a nie fdtd_snapshots). Za pomocą przycisku „+” dodaj Ec.csv, Ev.csv, Fn.csv i Fp.csv, aby wyświetlić wykres krawędzi pasma przewodnictwa, krawędzi pasma walencyjnego oraz quasi-poziomów Fermiego dla elektronów i dziur, jak pokazano na rysunku ??. Zwróć uwagę, że tym razem suwak zmienia wartość przyłożonego napięcia, a nie czasu (tytuł okna wyświetla aktualne napięcie, np. 0,1 V), dzięki czemu można obserwować, jak struktura pasm zmienia się w miarę zmiany stanu komórki od stanu zwarcia do stanu otwartego.

Koncentracja nośników. Podobny rezultat można uzyskać, dodając Q_nfree.csv i Q_pfree.csv, co daje koncentrację wolnych elektronów i wolnych dziur (w \(\mathrm{m^{-3}}\)). Wynik przedstawiono w ??. Ponownie, przesuwając suwak, można obserwować, jak zmienia się rozkład elektronów i dziur w urządzeniu w zależności od przyłożonego napięcia.

7. Wpływ struktury zwiększającej absorpcję światła.

Trójkątna warstwa znajdująca się na górze ogniwa to struktura o nieregularnej powierzchni, która zwiększa absorpcję światła (pełni również funkcję warstwy antyrefleksyjnej). Możemy wykorzystać symulację, aby precyzyjnie zbadać jej działanie, wyłączając ją i porównując wyniki z wynikami uzyskanymi dla oryginalnego urządzenia.

Zapisz referencyjną krzywą charakterystyki JV. Zanim wprowadzisz jakiekolwiek zmiany, utwórz kopię pliku z wynikami jv.csv i zmień nazwę kopii jv_backup.csv za pomocą menedżera plików w systemie operacyjnym. Dzięki temu zachowasz krzywą charakterystyki JV dla całego urządzenia, co pozwoli nam później porównać ją z nowymi wynikami.

Wyłącz strukturę. Kliknij prawym przyciskiem myszy na trójkątną strukturę znajdującą się na górze urządzenia i wybierz opcję „Edytuj obiekt”, jak pokazano na ilustracji ??. Spowoduje to otwarcie edytora obiektów, jak pokazano na ilustracji ??. Kliknij przycisk włączania/wyłączania na pasku narzędzi, aby wyświetlił się napis „Obiekt wyłączony”. Trójkątna struktura zniknie z urządzenia, pozostawiając płaską konstrukcję, jak pokazano na ilustracji ??.

Co właściwie usunęliśmy? Taka warstwa o określonej strukturze pełni dwie przydatne funkcje w ogniwie słonecznym. Po pierwsze, zastępując gładką, płaską powierzchnię stopniowaną, nachyloną powierzchnią, zmniejsza odbicie światła od przedniej powierzchni, dzięki czemu więcej światła dociera do urządzenia zamiast być odbijane bezpośrednio od góry. Po drugie, rozprasza i przekierowuje transmitowane światło, tak aby poruszało się pod kątem i przebywało dłuższą drogę przez warstwę absorbującą, zwiększając prawdopodobieństwo absorpcji. Razem te efekty zwiększają całkowitą ilość zaabsorbowanego światła, a tym samym prąd zwarciowy. W rzeczywistych urządzeniach – ogniwa krzemowe są klasycznym przykładem, gdzie na powierzchni rutynowo wytwarza się piramidy o skali mikronów – korzyść ta jest dobrze udokumentowana, ale może być trudno ją wyodrębnić i zmierzyć eksperymentalnie. Symulacja pozwala nam włączać i wyłączać tę strukturę oraz bezpośrednio odczytywać jej wpływ.

Uruchom ponownie i porównaj. Po wyłączeniu trójkątnej struktury, uruchom ponownie symulację. W ten sposób uzyskasz nowe dane jv.csv dla urządzenia bez warstwy pochłaniającej światło. Przedstaw te nowe dane jv.csv wraz z zapisanymi danymi jv_backup.csv (dla całego urządzenia) na tych samych osiach; powinieneś otrzymać coś w rodzaju wykresu ??. Różnica jest niewielka, ale wyraźnie widoczna: gdy obecna jest struktura pochłaniająca światło, wartość prądu zwarciowego jest większa (około −162 A m−2) niż w przypadku jej braku (około −155 A m−2). Potwierdza to, że struktura zwiększa ilość pochłanianego światła, a tym samym prąd, który komórka może dostarczyć.

8. Zmniejszenie liczby zmiennych w opisywanym problemie elektrycznym.

Pełne, wielowymiarowe symulacje nie zawsze są konieczne. W wielu warstwowych ogniwach słonecznych dominującą zmienną jest grubość urządzenia, dlatego dobrze opracowany model jednowymiarowy może odtworzyć kluczowe aspekty fizyczne przy znacznie niższych kosztach obliczeniowych. Modele o wyższej liczbie wymiarów są najbardziej przydatne, gdy geometria urządzenia lub sam proces transportu zmienia się w kierunku poziomym.

W tym przykładzie, dzięki zastosowaniu powierzchni o nieregularnej strukturze, która zatrzymuje światło, problem optyczny staje się w zasadzie dwuwymiarowy. Światło rozprasza się na boki, co powoduje, że pole optyczne zmienia się zarówno w kierunku osi x, jak i wzdłuż grubości urządzenia. Problem elektryczny jest inny: transport ładunku nadal odbywa się głównie poprzez ruch w obrębie warstw, więc wystarczający może być jednowymiarowy model dryfu i dyfuzji.

To rozróżnienie jest istotne, ponieważ połączona symulacja 2D FDTD i 2D oparta na modelu dryfu i dyfuzji jest znacznie bardziej kosztowna niż uproszczony model. Dlatego też zachowamy dwuwymiarowe obliczenia optyczne, w których istotna jest tekstura, i sprawdzimy, czy obliczenia elektryczne można uprościć do jednego wymiaru, nie tracąc przy tym interesujących nas właściwości.

Otwórz zakładkę „Elektryka”, jak pokazano na ilustracji ??, i kliknij „Siatka elektryczna”. Edytor siatki jest widoczny na ilustracji ??. Urządzenie jest dyskretyzowane za pomocą 40 punktów w kierunku y, wzdłuż warstw, oraz 10 punktów w kierunku bocznym x. Bardziej szczegółowa siatka w kierunku y pozwala na dokładne modelowanie zakrzywienia pasma energetycznego, gradientów nośników, rekombinacji oraz przepływu prądu przez urządzenie.

Aby zredukować model elektryczny do jednej osi, kliknij opcję „Oś X” w górnej części edytora siatki. Spowoduje to usunięcie siatki w osi x i pozostawi jedynie siatkę w osi y, która rozciąga się wzdłuż grubości elementu, jak pokazano na ilustracji ??. Symulacja optyczna pozostaje dwuwymiarowa, ale obliczenia dotyczące dyfuzji nośników ładunku są teraz wykonywane w szybszym, jednowymiarowym modelu elektrycznym.

Uruchom ponownie symulację. Model wykorzystuje teraz dwuwymiarową symulację optyczną, połączoną z jednowymiarową symulacją elektryczną. Metoda FDTD nadal uwzględnia rozpraszanie boczne spowodowane strukturą, która skupia światło, natomiast metoda oparta na równaniach dryfu i dyfuzji uwzględnia transport nośników tylko wzdłuż grubości urządzenia.

Ponownie przeanalizuj wykres zależności prądu od napięcia (JV). Następnie otwórz katalog snapshots i wyświetl wykres gęstości swobodnych elektronów i dziur. Wynik powinien przypominać wykres ??. Zamiast dwuwymiarowych powierzchni generowanych przez pełny model elektryczny, gęstości nośników ładunku są teraz przedstawiane jako jednowymiarowe profile wzdłuż warstw.

Często jest to efektywna strategia modelowania: należy zachować model dwuwymiarowy tam, gdzie geometria tego wymaga, ale stosować model jednowymiarowy tam, gdzie dominującym procesem fizycznym jest transport w kierunku grubości. To przybliżenie jest odpowiednie, gdy transport nośników w kierunku bocznym nie jest istotny, co często ma miejsce w przypadku cienkowarstwowych ogniw słonecznych o jednorodnej strukturze w płaszczyźnie poprzecznej.

9. Zmniejszenie liczby wymiarów problemu optycznego.

Po rozwiązaniu problemu elektrycznego, możemy teraz zająć się problemem optycznym i sprawdzić, jak bardzo możemy zminimalizować całą symulację. Przejdź do zakładki „Optyka”, jak pokazano na ilustracji ??, i kliknij „Siatka optyczna”. Otworzy się edytor siatki optycznej, jak pokazano na ilustracji ??. Podobnie jak w przypadku siatki elektrycznej, kliknij przycisk „Wymiar X”, aby usunąć dyskretyzację w osi X. Problem optyczny jest teraz rozwiązywany w jednym wymiarze, jak pokazano na ilustracji ??, co znacznie upraszcza obliczenia optyczne.

Podczas pracy w edytorze siatki optycznej warto przyjrzeć się siatce długości fal po prawej stronie. Zauważysz, że symulacja aktualnie oblicza wartości tylko w jednym punkcie długości fali, umieszczonym mniej więcej w środku zakresu 300–800 nm, około 550 nm (tej samej zielonej długości fali, której użyliśmy wcześniej w symulacji FDTD). Innymi słowy, ten przykład nie symuluje pełnego spektrum słonecznego – ocenia działanie urządzenia tylko dla jednej barwy światła. Jeśli chcesz uzyskać pełną charakterystykę urządzenia w całym spektrum słonecznym, musisz dodać znacznie więcej punktów długości fali (przynajmniej około 20, aby uzyskać odpowiednią rozdzielczość spektrum). Jest to jak najbardziej możliwe i całkowicie poprawne, ale czas obliczeń znacznie się wydłuży, dlatego w tym przykładzie ograniczamy się do jednej długości fali, aby zapewnić szybkie działanie demonstracji.

Uruchom teraz symulację ponownie. W tym momencie mamy do czynienia z jednowymiarową symulacją optyczną połączoną z jednowymiarową symulacją elektryczną – jest to najprostsza wersja modelu. Możesz sprawdzić wyniki jednowymiarowej symulacji FDTD za pomocą narzędzia do przeglądania migawek, jak pokazano na ilustracji ??. Gęstość mocy optycznej jest teraz przedstawiona jako pojedynczy, jednowymiarowy profil, ponieważ impuls przemieszcza się przez urządzenie, w przeciwieństwie do dwuwymiarowej mapy pola, którą widzieliśmy na początku tego samouczka.

10. Szybsza alternatywa: metoda macierzy przenoszenia.

Aby zakończyć samouczek, przejdziemy z metody FDTD – która, jak już widzieliśmy, jest bardzo wymagająca obliczeniowo – na znacznie tańszą metodę macierzy przenoszenia (TMM). W większości programów do symulacji ogniw słonecznych metoda macierzy przenoszenia jest postrzegana jako ściśle jednowymiarowy model, odpowiedni głównie do płaskich, planarnych struktur. Jednak dzięki specyficznej organizacji programu OghmaNano można stosować model macierzy przenoszenia w dowolnym kierunku i w dowolnej liczbie wymiarów, co czyni go elastyczną alternatywą dla metody FDTD w wielu sytuacjach.

Przejdź do sekcji „Optical ribbon” i kliknij przycisk „Transfer matrix”. Otworzy się edytor symulacji optycznej, jak pokazano na ilustracji ??. Kliknij „Uruchom symulację optyczną”, a otrzymasz rozkład fotonów zbliżony do tego, który jest tam przedstawiony. OghmaNano zastosowało tutaj metodę macierzy przenoszenia na całej dwuwymiarowej strukturze, rozwiązując ją jako serię niezależnych, pionowych przekrojów. Co ważne, w przeciwieństwie do metody FDTD, nie występuje tu sprzężenie między sąsiednimi przekrojami: metoda macierzy przenoszenia jest znacznie prostszym przybliżeniem równań Maxwella, więc światło nie może rozpraszać się na boki z jednego przekroju do następnego. W zamian za to przybliżenie, obliczenia są wykonywane znacznie, znacznie szybciej niż w metodzie FDTD, ponieważ nie ma potrzeby iteracyjnego rozwiązywania równań w czasie.

Ponieważ metoda macierzowa jest tak tania, możemy teraz pozwolić sobie na obliczenia dla wielu długości fal, a nie tylko jednej. Wróć do edytora siatki optycznej i ustaw siatkę długości fal na około 20 punktów, a następnie uruchom ponownie symulację optyczną. Podczas jej działania zobaczysz, jak program przetwarza każdą długość fali po kolei, jak pokazano na ??. Każdy fragment optyczny jest obliczany dla swojej własnej długości fali (tutaj zakres wynosi od około 312,5 nm do 787,5 nm), a tekst jest oznaczony kolorami, aby wskazać aktualnie obliczaną długość fali.

Po zakończeniu symulacji wróć do okna macierzy transferowej, ??, i wybierz zakładkę dotyczącą rozkładu fotonów, które zostały zaabsorbowane. Teraz możesz użyć suwaka znajdującego się w dolnej części okna, aby zmieniać długość fali i zobaczyć, w którym miejscu urządzenia absorbowany jest dany kolor światła. Na przykładzie przedstawionym na ilustracji suwak znajduje się w pozycji 587,5 nm, a wewnątrz urządzenia perowskitowego można zobaczyć odpowiadający mu profil absorpcji. To szybki i intuicyjny sposób na zrozumienie, w jaki sposób różne części spektrum słonecznego są absorbowane na różnych głębokościach w ogniwie.

11. Wybór modelu generowania sygnału optycznego

Domyślnie w tej symulacji wykorzystywany jest algorytm FDTD jako model generowania sygnału optycznego – to on dostarcza profil generowania do obliczeń elektrycznych. Jeśli wolisz użyć szybszej metody macierzy przenoszenia do sterowania symulacją elektryczną, możesz bezpośrednio zmienić model generowania. Otwórz pasek narzędzi pokazany na ilustracji ?? i kliknij na edytor JV. W edytorze JV, w sekcji „Generowanie nośników ładunku”, zmień model generowania nośników ładunku z FDTD na metodę macierzy przenoszenia, zgodnie z ilustracją ??. Od tego momentu profil generowania sygnału optycznego będzie obliczany za pomocą metody macierzy przenoszenia, a nie za pomocą algorytmu FDTD.

Podsumowanie. W trakcie tego samouczka przeanalizowaliśmy jeden konkretny przykład, wykorzystując różne metody modelowania. Rozpoczęliśmy od pełnej symulacji optycznej w 2D, wykorzystując metodę FDTD, połączonej z dwuwymiarowym modelem transportu ładunków w ogniwie perowskitowym o złożonej, odbijającej światło powierzchni. Następnie zredukowaliśmy wymiarowość zarówno problemu optycznego, jak i elektrycznego z 2D do 1D, obserwowaliśmy zmiany w czasie obliczeń i wynikach, a następnie przywróciliśmy wymiarowość do 2D. Na koniec uprościliśmy problem optyczny w zupełnie inny sposób, zastępując metodę FDTD znacznie szybszą metodą macierzy przenoszenia.