Samouczek dotyczący modułów perowskitowych o dużej powierzchni – część A: szybki start – otwórz przykładowy plik i zbuduj siatkę obwodu.

Większość symulacji na poziomie pojedynczego elementu w OghmaNano to symulacje oparte na modelu dryfu i dyfuzji, w których algorytm szczegółowo rozwiązuje sprzężone równania dotyczące transportu nośników ładunku i elektrostatyki. Takie podejście, w którym priorytetem jest fizyka, doskonale sprawdza się w zrozumieniu zasad działania elementu, ale staje się zbyt kosztowne obliczeniowo, gdy przechodzimy do symulacji elementów o dużej powierzchni i modułów składających się z wielu połączonych ze sobą podjednostek.

W tym samouczku przedstawiono uzupełniające podejście: modelowanie urządzenia o dużej powierzchni jako trójwymiarowego obwodu elektrycznego i rozwiązywanie go za pomocą prawa Kirchhoffa dotyczącego prądu i prawa Kirchhoffa dotyczącego napięcia. Zamiast śledzić prądy elektronów i dziur oraz potencjał elektrostatyczny w każdym punkcie, model obwodu śledzi parametry, którymi zwykle zajmuje się inżynier projektujący moduły: prąd i napięcie. To uproszczenie zapewnia (i) znacznie większą stabilność numeryczną w skali całego urządzenia oraz (ii) wystarczającą szybkość obliczeń, aby umożliwić analizę realistycznych geometrii modułów.

Z punktu widzenia koncepcji, trójwymiarowa struktura jest dyskretyzowana na zbiór węzłów (punktów w urządzeniu), które są połączone elementami reprezentującymi elementy obwodu, takie jak rezystory i diody. Generowanie sygnału optycznego jest realizowane za pomocą quasi-trójwymiarowej metody macierzy przenoszenia: przeprowadzane jest obliczenie macierzy przenoszenia w jednym wymiarze wzdłuż warstwy, a wynik jest analizowany na całej powierzchni urządzenia, a uzyskany profil generowania jest integrowany z siecią obwodu. Ostatecznym rezultatem jest praktyczny model, który pozwala zadawać pytania dotyczące skalowania, np.: „Moje urządzenie laboratoryjne ma wymiary 20% przy 1 mm × 1 mm – co się stanie, gdy zwiększę jego rozmiar do modułu i jaki będzie główny czynnik ograniczający?”. Ten proces nazywamy wirtualnym skalowaniem.

Inspiracja pochodząca z eksperymentów: moduły wykonane z „palców” z węglowego perowskitu.

Przykładowy moduł w tym samouczku został opracowany na podstawie badań przeprowadzonych przez grupę naukową ze Swansea: Energies 2021, 14, 386, „Trójwarstwowe mezoskopowe ogniwa słoneczne z perowskitu węglowego: materiały, procesy i zastosowania” (Simone M. P. Meroni, Carys Worsley, Dimitrios Raptis i Trystan M. Watson). Można otworzyć artykuł, klikając w poniższy link DOI: https://doi.org/10.3390/en14020386.

Krok 1: Utwórz nową symulację modułu perowskitowego.

Rozpocznij od głównego okna OghmaNano i kliknij „Nowa symulacja”. Otworzy się okno wyboru urządzenia/biblioteki, jak pokazano na ilustracji ??. Kliknij dwukrotnie moduły 3D o dużej powierzchni, a następnie wybierz moduł perowskitowy, jak pokazano na ilustracji ??. Po wyświetleniu odpowiedniego komunikatu, zapisz symulację w folderze, do którego masz szybki dostęp odczytu i zapisu (np. C:\ w systemie Windows).

Krok 2: Dokładnie obejrzyj trójwymiarową strukturę i przeanalizuj przepływ prądu.

Po wybraniu szablonu otwiera się główne okno symulacji, w którym można zobaczyć trójwymiarową strukturę urządzenia (??). W tym przykładzie występuje pięć „palców” – każdy ciemny „pasek” to pojedynczy „palec” ogniwa słonecznego, stanowiący część większej struktury modułu.

W tym urządzeniu górna, ciemna część stanowi elektrodę węglową, w którą wprowadzono perowskit (charakterystyczna cecha tej trójwarstwowej, mezoskopowej struktury). Moduł łączy poszczególne elementy w taki sposób, że prąd przepływa zygzakiem przez strukturę. W praktyce prąd wchodzi z jednej strony, przepływa przez obszar, w którym znajduje się elektroda, a następnie jest zmuszony do „przeskakiwania” między elementami – w górę/w dół i w poprzek – aż do osiągnięcia terminala po przeciwnej stronie.

Kontakty mogą wyglądać, jakby unosiły się w przestrzeni (żółte bloki), ale należy je interpretować jako maska ochronna: bezpośrednio pod tym obszarem. to jest element, który zostaje połączony elektrycznie, gdy zostanie utworzona siatka obwodu. Należy zauważyć, że w tej symulacji żaden z widocznych obiektów nie jest częścią struktury epitaksjalnej. W większości urządzeń struktura jest definiowana w edytorze warstw, co pozwala na utworzenie uporządkowanej struktury epitaksjalnej z warstwami ułożonymi jedna na drugiej, co znacznie ułatwia ich rozmieszczenie i ustawienie. Jednak w tym urządzeniu, ze względu na jego złożoną konstrukcję, wszystkie widoczne na ekranie obiekty znajdują się w przestrzeni i można je przesuwać za pomocą myszy; mechanizm wykrywania kolizji zapobiega przeciąganiu obiektów po sobie. Jeśli obiekty się zablokują, naciśnij i przytrzymaj Zmiana; przesunięcie; tura (w pracy); zmieniać; przesuwać. Przeciągając obiekty, można je swobodnie przesuwać w dowolne miejsce. Należy unikać nakładania się obiektów, ponieważ może to prowadzić do problemów numerycznych.

Krok 3: Utwórz siatkę połączeń na podstawie trójwymiarowego modelu urządzenia.

Następnie przejdź do zakładki „Schemat obwodu”. W lewym dolnym rogu znajdziesz przycisk odświeżania (wygląda jak ikona recyklingu). Kliknij go, aby utworzyć siatkę obwodu na podstawie aktualnej struktury 3D. Początkowy widok jest wyświetlany w ??.

Obróć widok i powiększ: zobaczysz siatkę połączeń, która przedstawia połączenia elektryczne między palcami (?? i ??). Przyjrzyj się uważnie, a zauważysz również małe, niebieskie punkty – oznaczają one punkty kontaktowe, które powinny znajdować się bezpośrednio pod żółtymi blokami kontaktowymi w widoku trójwymiarowej struktury.

Jeśli obrócisz urządzenie, uzyskasz widok podobny do ??, co pozwala wyraźnie zobaczyć, jak działa funkcja obsługi wielu palców oraz jak przebiega „zygzakowata” ścieżka zbierania danych.

Krok 4: Sprawdź i potwierdź stan połączeń elektrycznych.

Aby bezpośrednio sprawdzić parametry kontaktów, otwórz edytor kontaktów (??). W tym edytorze wyświetlana jest lista kontaktów zdefiniowanych dla symulacji oraz informacje o sposobie ich zastosowania do urządzenia (np. która strona jest nimi pokryta i jakie napięcie jest do nich przyłożone). Kluczowym elementem weryfikacji jest prosta zasada: definicje kontaktów w tym edytorze powinny być zgodne z (i) żółtymi blokami kontaktów widocznymi w widoku 3D oraz (ii) niebieskimi węzłami kontaktów widocznymi w siatce obwodu.