Моделювання великомасштабних пристроїв – Частина А: Налаштування та розуміння тривимірної моделі контакту.
Оптоелектронні пристрої великої площі, такі як гнучкі сонячні елементи, перовськитні модулі, OLED-панелі та друкована електроніка, часто обмежуються не активним напівпровідником, а електричними контактами. У міру збільшення площі пристрою струм має проходити латерально через прозорі провідники, перш ніж досягти високопровідного зовнішнього контакту. У результаті виникають резистивні втрати, які можуть значно знизити ефективність, коефіцієнт заповнення або однорідність яскравості.
Поширеним рішенням є поєднання провідного полімеру або прозорого провідника (для локального збору струму) з металевою сіткою (для передачі струму на великі відстані). Сітка може бути шестикутною, квадратною, мати форму смуг або бути повністю індивідуальною. Експериментальна розробка таких контактів є дорогою: літографія, друк і оптимізація процесу потребують значних витрат. Чисельне моделювання дозволяє оцінити опір, падіння напруги та концентрацію струму до початку виробництва.
У цьому навчальному посібнику ми зосереджуємося виключно на самому контакті. Представлена тут структура не є повноцінною сонячною батареєю або світлодіодом; скоріше, це модель багаторазового використання, яку можна розмістити на будь-якому пристрої. У наступних навчальних посібниках буде показано, як інтегрувати ці контакти з повноцінними оптоелектронними структурами. Тут наша мета полягає в тому, щоб зрозуміти, як струм проходить через контакт і де виникають втрати.
Крок 1: Створіть нову модель для імітації контакту на великій площі.
У головному вікні OghmaNano натисніть «Нова симуляція». У бібліотеці симуляцій двічі клацніть на «Моделі 3D-пристроїв великої площі», як показано на ??. Відкриється список попередньо визначених структур великої площі (??). Двічі клацніть на «Гексагональний контакт великої площі».
Крок 2: Перевірка контактної схеми.
Основне вікно моделювання тепер відкривається (??). Ця структура представляє собою окремий електричний контакт. Він ще не під’єднаний до фотоелектричного або світлодіодного пристрою; натомість, вона моделює, як струм тече всередині самих шарів контакту.
Ви можете змінювати кут огляду, переміщуючи зображення зоряного неба. Основні функції:
- Металева сітка (червоного кольору) – високопровідна мережа (у цьому випадку шестикутна), яка забезпечує передавання електричного струму на великі відстані.
- Проводячий полімер (зелений) – шар із нижчою електропровідністю (у цьому випадку PEDOT:PSS), який збирає струм локально та передає його в сітку.
- Вивідний електрод (жовтого кольору) – зовнішній електрод, з якого в кінцевому підсумку відводиться струм від пристрою.
Хоча в цьому прикладі використовується гексагональна сітка та PEDOT:PSS, жоден із цих елементів не є принципово важливим. Ви можете замінити сітку на будь-яку іншу геометричну форму, а полімер – на будь-який провідний шар. Мета цього посібника – зрозуміти електричні наслідки таких конструкторських рішень.
Крок 3: Визначення шарів і контактів.
Відкрийте редактор шарів, щоб переглянути визначені шари (??). Наявні три шари:
- Повітря – проміжний шар, який слугує основою для верхнього контакту.
- Срібло – металевий сітчастий шар.
- PEDOT:PSS – провідний полімерний шар, розташований під сітчастою структурою.
Зверніть увагу, що повітряний шар позначено як «Контакт», а срібний і полімерний шари – як «Активні». У цьому контексті термін «активний» просто означає, що саме в цьому шарі OghmaNano розв’язує електричні рівняння. У цьому прикладі не використовуються фізичні моделі, що описують дрейф і дифузію напівпровідників.
Відкрийте редактор контактів (??). Визначено два контакти: верхній контакт, на який подається напруга 0 В, і нижній контакт, напругу на якому буде змінювати в подальших моделюваннях. Ширина контактів визначає фізичну область, в якій струм вводиться або відводиться.
Крок 4: Створення тривимірної моделі електричної схеми.
Оскільки це велика за площею металева та полімерна структура, розв’язування повних рівнянь дрейфу та дифузії напівпровідників було б зайвим і неефективним. Натомість, OghmaNano розглядає цю модель як тривимірну резистивну мережу, що підпорядковується законам Кірхгофа щодо струму та напруги. Кожен невеликий об’ємний елемент стає резистором, і вся структура розв’язується як велика електрична схема.
Перейдіть на вкладку «Схема ланцюга» та натисніть на значок «Оновити» в лівому нижньому куті. Це створить тривимірне зображення схеми, яке показано нижче.
Згідно з цією схемою, кожна лінія відповідає резистору, а кожен зелений вузол позначає вузол електричного кола. Сині вузли вказують на точки, з яких струм відводиться зі структури. Жовта смуга, що позначає точку відведення, яку ми бачили раніше, визначає, які області виконують функцію електричних виходів. Якщо перевернути структуру, стає видно, що нижня поверхня також містить точки відведення, які відповідають нижньому контакту.
На цьому етапі геометрія моделювання та схема електричного кола повністю визначені. У наступній частині навчального посібника ми застосуємо напругу, запустимо обчислювальний модуль і визначимо величину резистивних втрат і падіння напруги на контакті.
👉 Наступний крок: перейдіть до розділу частина B, щоб запустити моделювання та проаналізувати поточні характеристики та втрати напруги.