🎯 Cele edukacyjne

Skonfiguruj i uruchom swoją pierwszą symulację OPV w programie OghmaNano.
Wygeneruj krzywą charakterystyki ogniwa słonecznego i określ kluczowe parametry wydajności: prąd zwarciowy (JSC), napięcie w obwodzie otwartym (VOC), współczynnik wypełnienia (FF) oraz sprawność (η).
Zrozum, na czym polega różnica między krzywymi charakterystyk połączenia szeregowego w ciemności i przy oświetleniu, oraz w jaki sposób warunki oświetleniowe wpływają na wydajność urządzenia.

📦 Wymagania wstępne

OghmaNano został zainstalowany i działa.
Podstawowa znajomość zasad działania ogniw słonecznych.

⏱ Szacowany czas

Część A: 10–15 minut.

Proste symulacje obwodów elektrycznych

1. Wprowadzenie

Chociaż pełne symulacje oparte na modelu dryfu i dyfuzji stanowią potężne narzędzie do szczegółowej analizy zachowania urządzeń – pozwalają na uwzględnienie takich efektów, jak szybkość rekombinacji, ruchliwość nośników i inne procesy mikroskopowe – są one jednocześnie z natury złożone w obsłudze i interpretacji. Wymagają one wielu parametrów materiałowych, które często są niedostępne, a w wielu przypadkach tak szczegółowa analiza nie jest konieczna. Czasami wystarczy zdiagnozować ścieżkę zwarcia, ocenić rezystancję szeregową lub uzyskać ogólne informacje na temat zachowania urządzenia. W takich sytuacjach często bardziej praktyczne jest stosowanie uproszczonych modeli elektrycznych. Prosty obwód zastępczy składający się z rezystorów, kondensatorów i idealnych diod jest często wystarczający. Aby to ułatwić, OghmaNano udostępnia wbudowany solver obwodów, podobny do LTspice, który pozwala na przykładanie dowolnych napięć do dowolnych sieci obwodów i uzyskiwanie realistycznych odpowiedzi elektrycznych. Solver ten może bezpośrednio zastąpić silnik symulacji dryfu i dyfuzji: napięcia są definiowane w ten sam sposób, a wszystkie tryby eksperymentalne – takie jak dziedzina czasowa, dziedzina częstotliwościowa i EQE – pozostają kompatybilne. Ponadto model macierzy przenoszenia, używany do obliczania absorpcji optycznej, może być połączony z diodami, co pozwala na spójną symulację fotoprądu. W oprogramowaniu zawarto kilka przykładowych symulacji obwodów, które można znaleźć w folderze „Simple Diode Model” nowego okna symulacji (patrz Rysunek 1).

W tym samouczku wykorzystamy prosty program do analizy obwodów, aby w łatwy sposób stworzyć model ogniwa słonecznego PM6:Y6 i uzyskać podstawową wiedzę na temat jego działania.

💡 Dlaczego warto używać edytora obwodów OghmaNano zamiast LTSpice?

🔗 Ścisła integracja z modelami optycznymi – elementy obwodu mogą być połączone z metodą macierzy przenoszenia i śledzenia promieni, dzięki czemu absorpcja światła i emisja są bezpośrednio powiązane z modelem elektrycznym.
⚡ Pełna kompatybilność z narzędziami działającymi na poziomie urządzenia – nadal można wykonywać symulacje w dziedzinie częstotliwości, spektroskopię impedancji, pomiary EQE i inne analizy na dowolnym modelu obwodu.
🔄 Płynna zamiana modelu – zastąp szczegółowy algorytm obliczeniowy prostszym modelem zastępczym, zachowując jednocześnie wszystkie dotychczasowe procedury analizy zintegrowane z OghmaNano.
🧰 Zaprojektowany specjalnie do symulacji ogniw słonecznych i urządzeń optoelektronicznych – w przeciwieństwie do uniwersalnych symulatorów obwodów, OghmaNano automatycznie łączy zachowanie obwodu z absorpcją światła, generacją fotoprądu i fizyką procesów rekombinacji.

2. Jak zacząć.

W nowym oknie „Symulacja” na wstążce narzędzi pliku kliknij, aby otworzyć okno „Nowa symulacja” (patrz Rysunek 1a). Następnie, klikając dwukrotnie na „Proste modele diod”, program wyświetli podmenu z dostępnymi przykładami obwodów (patrz Rysunek 1b). W tym samouczku użyjemy przykładu krzywej OPV PM6:Y6. Rozpoczniemy od krzywej JV, ponieważ jest to najprostsza symulacja oparta na obwodzie.

OghmaNano new simulation window with the Simple Diode Model folder highlighted. — Nowe okno symulacji w programie OghmaNano.

OghmaNano window after double-clicking the Simple Diode Models. — Okno wyświetlane po dwukrotnym kliknięciu na „Prosta symulacja obwodu”.

Po zapisaniu nowej symulacji pojawi się okno przypominające standardowe okno. OghmaNano otworzy się interfejs symulacji. Jest to przedstawione na ilustracji. Rysunek 3.Wygląda dokładnie jak zwykłe okno symulacji, z tą różnicą, że... Edytor parametrów elektrycznych jest wyłączone/nieaktywne. Zauważysz również, że pojawiła się druga zakładka o nazwie: Schemat obwodu.Kliknięcie tej karty otwiera edytor schematów obwodów, jak pokazano na ilustracji. Rysunek 4.Na schemacie urządzenie przedstawiono za pomocą prostego obwodu zastępczego, składającego się z diody, rezystora szeregowego, rezystora bocznikującego i kondensatora. Stanowi to najprostszy model ogniwa słonecznego. Kondensator uwzględnia pojemność geometryczną wynikającą z połączeń, co będzie miało znaczenie później, podczas analizy symulacji w dziedzinie czasu i częstotliwości.

OghmaNano main simulation window after creating a new simple circuit simulation. — Standardowe okno symulacji OghmaNano po utworzeniu nowej, prostej symulacji obwodu.

Circuit tab in the simple circuit simulation showing a solar cell represented by a diode, two resistors, and a capacitor. — Na karcie „Obwód” w uproszczonym symulatorze obwodów przedstawiono ogniwo słoneczne jako diodę, dwa rezystory i kondensator.

3. Edycja obwodu.

Po lewej stronie Rysunek 4 można zobaczyć zestaw standardowych elementów elektrycznych, które są dostępne w edytorze obwodów. Obejmują one rezystor, kondensator, diodę, przewód, uziemienie i baterię. Dostępne są również dwa narzędzia: wskaźnik do wybierania i edycji elementów oraz narzędzie w postaci pędzla, służące do ich usuwania. Szczegółowy opis każdego przycisku znajduje się w tabeli poniżej.

Components and tools available in the circuit editor.
Komponent/Narzędzie	Równanie	Opis
Rezystor	\(V = IR\)	Modeluje opór omowy w obwodzie.
Kondensator	\(I = C \tfrac{dV}{dt}\)	Magazynuje i oddaje energię, reprezentując pojemność geometryczną lub pasożytniczą.
Dioda	\(i(t,V) = I_{0}\!\left(e^{\tfrac{qV}{nkT}} - 1\right) - I_{\text{light}}\)	Reprezentuje idealny element diodowy; \(I_{\text{light}}\) pochodzi z symulacji optycznych.
Nieliniowy element	\(i(t,V) = \left(\tfrac{I_{0} \cdot V}{V_{0} + d}\right)^m\)	Definiowalny przez użytkownika nieliniowy element do zaawansowanego modelowania obwodów.
Drut	—	Idealny przewód, który nie posiada żadnych niepożądanych parametrów.
Ziemia	—	Napięcie odniesienia uziemienia ustawione na 0 V.
Bateria	—	Przykładanie napięcia do obwodu odbywa się na podstawie wartości pobranej z kontaktu oznaczonego jako „zmiana” w edytorze kontaktów.
Wskaźnik	—	Służy do wybierania i edycji elementów obwodu.
Szczotka	—	Służy do usuwania elementów obwodu.

Klikając na dowolny element obwodu za pomocą dowolnego narzędzia innego niż pędzel, można zmienić wartości poszczególnych komponentów, jak pokazano w... [ryc.: edycja komponentu w schemacie]i powiększył obraz. [ryc.: edycja komponentu w schemacie, powiększenie].

OghmaNano circuit editor showing a diode-based solar cell equivalent circuit with the component properties window open. — Edytor obwodów z modelem zastępczym ogniwa słonecznego opartego na diodzie oraz otwartym oknem z właściwościami elementów.

Zoomed-in view of the component properties window showing editable fields: Component type, Name, Ideality factor, I0, Layer, and Photon efficiency. — Powiększony widok okna właściwości komponentu, z wyróżnionymi polami, które można edytować, takimi jak Komponent, Nazwa, współczynnik idealności, I₀, Warstwa i efektywność fotonowa.

Po kliknięciu na dowolny element w edytorze obwodów pojawia się okno edycji, które umożliwia zmianę jego parametrów. Większość z tych ustawień jest prosta i łatwa do zrozumienia. Najbardziej szczegółowe ustawienia dotyczą model diody, które posiada kilka dodatkowych parametrów. To pole edycyjne jest wyświetlane w Rysunek 5.a dostępne opcje wyjaśniono w poniższej tabeli.

Parameters available when editing a circuit element.
Parametr	Opis
Komponent	Określa, jaki typ elementu reprezentuje dany element obwodu.
Imię	Czytelna dla użytkownika nazwa komponentu; możesz wybrać dowolną nazwę.
Współczynnik idealności	Współczynnik idealności diody, oznaczany jako n.
I0	Prąd nasycenia w równaniu diody.
Warstwa	Warstwa, którą reprezentuje dioda; prąd świetlny jest obliczany na podstawie generacji nośników w tej warstwie.

4. Uruchamianie edytora obwodów.

Przejdź do głównego okna symulacji i znajdź Odtwórz naciśnij przycisk (▶) lub po prostu wciśnij. F9 — uruchomić symulację. Po uruchomieniu OghmaNano najpierw analizuje wybrany model optyczny (np. metodę macierzy przenoszenia lub śledzenia promieni), a następnie łączy jego wyniki z modułem symulacji obwodu, aby wygenerować fotoprąd urządzenia. Następnie przeprowadza się pomiar charakterysty prądowo-napięciowej (JV) dokładnie w taki sam sposób, jak w pełnych symulacjach opartych na mechanizmach dryfu i dyfuzji.

Oprócz standardowych plików wynikowych, program do analizy obwodów generuje również listę połączeń (net list). Jest to przedstawione na Rysunek 11.2. Kliknięcie dwukrotne pliku netlist otwiera okno, w którym wyświetlane są wartości napięcia i prądu dla każdego elementu w obwodzie. Można użyć suwaka, aby przejść przez kolejne punkty symulacji (czas lub napięcie). Należy pamiętać, że lista połączeń jest tworzona tylko wtedy, gdy w edytorze symulacji włączona jest opcja „Zapisz wszystko na dysku”.

OghmaNano output tab showing the results of a circuit simulation, presented in the same format as drift–diffusion simulations. — Wyniki symulacji obwodu są wyświetlane w zakładce „Wyniki”. Prezentowane są one w tym samym formacie, co wyniki standardowych symulacji opartych na modelu dryfu i dyfuzji.

Net list window showing voltage across and current through each circuit element, with a slider to step through the simulation. — Widok listy połączeń sieciowych, prezentujący napięcie na każdym elemencie obwodu oraz prąd przepływający przez niego. Suwak umożliwia przechodzenie przez kolejne punkty w czasie lub wartości napięcia w symulacji.

5. Bardziej zaawansowane typy symulacji

OghmaNano simulation editor showing the mode set to Impedance Spectroscopy (IS). — Przełączam tryb symulacji na spektroskopię impedancyjną.

Impedance spectroscopy output plot showing the real and imaginary parts of the circuit response. — Przełączam tryb symulacji na spektroskopię impedancyjną.

Do tego momentu przeprowadziliśmy standardową symulację JV, ale ponieważ solver obwodów jest w pełni zintegrowany ze wszystkimi innymi narzędziami w OghmaNano, można również uruchomić szeroki zakres zaawansowanych analiz. Wybierając różne tryby z menu „Typy symulacji” w głównym menu, można przeprowadzić symulacje Suns–VOC, Suns–JSC, C–LIV, spektroskopię impedancji, pomiary zależności pojemności od napięcia oraz pomiary EQE. Przykład przedstawiono w Rysunek 9, gdzie przedstawiono wykres rzeczywistej i urojonej składowej odpowiedzi impedancji (real_imag.csv) dla modelu obwodu. Wszystkie te narzędzia działają dokładnie tak samo, jak w pełnych symulacjach opartych na mechanizmie dryfu i dyfuzji, ale tutaj mają dodatkową zaletę polegającą na bezpośrednim połączeniu z modelem optycznym.

🧪 Wypróbuj sam – zadania dotyczące analizy obwodów.

Suns – V_OC: Współczynnik idealności wskazuje, jak bardzo dioda odpowiada idealnemu modelowi Shockleya: \(n \approx 1\) sugeruje rekombinację między różnymi pasmami, podczas gdy \(n \approx 2\) wskazuje na rekombinację wspomaganą przez pułapki. Aby to obliczyć, najpierw zmień tryb symulacji na: Suns – V_OC i uruchom symulację, klikając przycisk. Odtwórz przycisk (▶) lub naciśnięcie F9Wyniki zostaną zapisane w suns_voc.csvNa podstawie tego pliku oblicz współczynnik idealności. n wykorzystując nachylenie:
\( n = \frac{q}{kT}\,\frac{dV_{\!OC}}{d\ln(\text{suns})} \;=\; \frac{\text{slope}}{V_T} \)
gdzie \(V_T = kT/q \approx 25.85\,\text{mV}\) przy 300 K. Następnie sprawdź, jak parametry wpływają na działanie układu, modyfikując wartości elementów obwodu i uruchamiając symulację ponownie:
- Współczynnik idealności (n): spróbuj 1.0 → 1.5 → 2.0
- Całkowity opór szeregowy (Rs): należy sprawdzić 0 → 0.5 → 2 Ω (lub wartości odnoszące się do określonej powierzchni).
- Rezystancja bocznikowa (Rsh): spróbuj 10 kΩ → 1 kΩ → 200 Ω
Czego mogę się spodziewać?
- Wraz ze wzrostem wartości n, nachylenie krzywej \(V_{\!OC}\) w stosunku do \(\ln(\text{suns})\) się zwiększa (większe nachylenie ⇒ większa wartość n).
- Niższa wartość Rsh (większy prąd upływu) obniża \(V_{\!OC}\), szczególnie przy słabym nasłonecznieniu; na wykresie przy niskim poziomie oświetlenia może pojawić się spłaszczenie.
- Wyższe wartości Rs mają niewielki bezpośredni wpływ na parametry ogniw słonecznych – \(V_{\!OC}\) (ponieważ jest to parametr mierzony w obwodzie otwartym), ale znacząco pogarszają współczynnik wypełnienia charakterystyki prądowo-napięciowej w standardowym trybie pomiaru.
- Aby wyznaczyć wartość n, należy nanieść na wykres zależność \(V_{\!OC}\) od \(\ln(\text{suns})\) i określić nachylenie linii najlepiej dopasowanej do tych danych, a następnie wykorzystać wartość \(n = \text{slope}/V_T\).
IMPS (spektroskopia fotoprądu z modulacją intensywności): przełącz na tryb IMPS, wykonaj skanowanie częstotliwości i przeanalizuj wynik (rzeczywista/urojona funkcja przenoszenia fotoprądu). Zidentyfikuj częstotliwość graniczną (faza ≈ −45° lub |część rzeczywista| = |część urojona|) i zanotuj, jak zmienia się ona wraz ze zmianą wartości Rs, Rsh lub C.
EQE: Przełącz na tryb EQE, wykonaj skanowanie widmowe, narysuj wykres widma EQE (np. eqe.csv) i opisz, jak fotoprąd zmienia się w zależności od długości fali.
CELIV: Przełącz na tryb C-LIV i uruchom pomiar przejściowy. Zauważysz nagły wzrost prądu spowodowany kondensatorem; powiększ fragment wykresu odpowiadający początkowemu etapowi, aby wyraźnie zaobserwować charakterystykę odpowiedzi przejściowej.

✅ Analizy te są wykonywane na tym samym modelu obwodu, przy czym pozostają one połączone z układem optycznym, co zapewnia fizyczną spójność prądu fotowoltaicznego.

6. Wykorzystanie narzędzi do dopasowywania/analizy w połączeniu z modelami obwodów.

Modele obwodów są prezentowane w strukturze JSON, podobnie jak parametry materiału wykorzystywane w modelu dyfuzji, dzięki czemu można również użyć narzędzi do dopasowywania i analizy, aby dopasować dane do wyników eksperymentu lub przeanalizować różne wartości parametrów obwodu.