Tutorial de Módulo de Perovskita de Grande Área Parte A: Início rápido – abrir o exemplo e construir a malha de circuito

A maioria das simulações em nível de dispositivo no OghmaNano são simulações de drift-diffusion, nas quais o solver resolve em detalhe o transporte acoplado de portadores e a eletrostática. Essa abordagem centrada na física é excelente para entender como um dispositivo funciona, mas torna-se computacionalmente cara demais assim que você vai além de uma única célula para dispositivos de grande área e módulos feitos de muitas subcélulas conectadas.

Este tutorial introduz uma abordagem complementar: representar o dispositivo de grande área como um circuito elétrico 3D e resolvê-lo usando a lei das correntes de Kirchhoff e a lei das tensões de Kirchhoff. Em vez de rastrear correntes de elétrons e buracos e o potencial eletrostático em toda parte, o modelo de circuito rastreia as quantidades com as quais um engenheiro de módulos normalmente se importa: corrente e tensão. Essa simplificação é (i) numericamente muito mais estável em escala e (ii) suficientemente rápida para permitir explorar geometrias realistas de módulos.

Conceitualmente, a estrutura 3D é discretizada em um conjunto de nós (pontos no dispositivo) conectados por ligações que representam elementos de circuito como resistores e diodos. A geração óptica é incluída usando uma abordagem quase-3D de transfer-matrix: um cálculo 1D de transfer-matrix é realizado através da pilha, avaliado sobre a área do dispositivo, e o perfil de geração resultante é acoplado à rede de circuitos. O resultado final é um modelo prático para fazer perguntas de escalonamento como: "Meu dispositivo de laboratório tem 20% em 1 mm × 1 mm - o que acontece quando eu o amplio para um módulo, e o que passa a ser o fator limitante?" Este é um processo que chamamos de virtual upscaling.

A inspiração experimental: "fingers" de perovskita de carbono transformados em módulos

O módulo de exemplo neste tutorial é inspirado em trabalho experimental do grupo de Swansea: Energies 2021, 14, 386, "Triple-Mesoscopic Carbon Perovskite Solar Cells: Materials, Processing and Applications" (Simone M. P. Meroni, Carys Worsley, Dimitrios Raptis e Trystan M. Watson). Você pode abrir o artigo pelo link DOI aqui: https://doi.org/10.3390/en14020386.

Passo 1: Criar uma nova simulação de módulo de perovskita

Comece na janela principal do OghmaNano e clique em New simulation. Isso abre o seletor de dispositivo/biblioteca mostrado em ??. Dê duplo clique em Large area 3D device modules, depois selecione Perovskite module como mostrado em ??. Quando solicitado, salve a simulação em uma pasta com acesso rápido de leitura/escrita (por exemplo C:\ no Windows).

Passo 2: Inspecionar a estrutura 3D e entender o fluxo de corrente

Após selecionar o modelo, a janela principal da simulação se abre e você verá a estrutura 3D do dispositivo (??). Este exemplo consiste em cinco fingers - cada "barra" escura é um finger individual de célula solar dentro da geometria maior do módulo.

Neste dispositivo, a região superior escura é um contato de carbono infiltrado com perovskita (uma característica desta arquitetura triplo-mesoscópica). O módulo conecta os fingers de modo que a corrente siga um caminho em zigue-zague pela estrutura. Em termos práticos, a corrente entra por um lado, atravessa uma região contatada e então é forçada a "passar" entre os fingers - para cima/para baixo e lateralmente - até alcançar o terminal no lado oposto.

Os contatos podem parecer estar flutuando no espaço (blocos amarelos), mas devem ser interpretados como uma máscara de contato: a região diretamente abaixo é o que se torna eletricamente contatado assim que a malha de circuito é construída. Deve-se notar que, nesta simulação, nenhum dos objetos que você vê faz parte da epitaxia. Na maioria dos dispositivos, a estrutura é definida no editor de camadas, que forma uma epitaxia de dispositivo bem ordenada com camadas empilhadas umas sobre as outras, tornando a ordenação e o posicionamento das camadas muito mais fáceis. No entanto, neste dispositivo, devido à sua natureza complexa, todos os objetos que você vê na tela estão flutuando no espaço livre e podem ser movidos com o mouse; a detecção de colisão impede que eles sejam arrastados uns sobre os outros. Se os objetos ficarem presos, pressione e segure Shift enquanto arrasta para movê-los livremente para qualquer lugar. Os objetos não devem se sobrepor, pois a sobreposição pode levar a problemas numéricos.

Passo 3: Construir a malha de circuito a partir do dispositivo 3D

Em seguida, mude para a aba Circuit diagram. No canto inferior esquerdo você encontrará um botão de refresh (ele parece um ícone de reciclagem). Clique nele para construir a malha de circuito a partir da estrutura 3D atual. A visualização inicial é mostrada em ??.

Gire a visualização e dê zoom: você verá as ligações da malha representando as conexões de circuito entre os fingers (?? e ??). Se observar com atenção, você também notará pequenos nós azuis - eles denotam nós de contato, e você deverá vê-los localizados diretamente abaixo dos blocos amarelos de contato da visualização da estrutura 3D.

Se você girar ainda mais o dispositivo, obterá uma visualização como ??, que torna a conectividade multi-finger e o caminho de coleta em "zigue-zague" particularmente claros.

Passo 4: Inspecionar e verificar os contatos elétricos

Para examinar os contatos diretamente, abra o Contact editor (??). Este editor lista os contatos definidos para a simulação e mostra como eles são aplicados ao dispositivo (por exemplo, qual lado ocupam e qual polarização é aplicada). A verificação crítica de consistência é simples: as definições de contato aqui devem ser consistentes com (i) os blocos amarelos de contato na visualização 3D e (ii) os nós azuis de contato visíveis na malha de circuito.