Головна Приклади Знімки екрана Інструкція користувача
Вікна
Інструкція користувача Слайди та відео. Педагоги, викладачі, освітяни Публікації Чому варто обрати OghmaNano?
Логотип Bluesky. YouTube
Deutsch English Español فارسی 日本語 한국어 Português Українська 中文
☰
OghmaNano Мультифізична платформа для моделювання оптоелектронних пристроїв і фотонних систем. ЗАВАНТАЖИТИ Короткий посібник зі швидкого старту

Навчальний посібник зі створення перовськитної сонячної батареї – моделювання EQE.

1. Вступ

Зовнішній квантовий вихід (ЗКВ) описує, наскільки ефективно сонячна батарея перетворює падаючі фотони на кожній довжині хвилі на зібрані носії заряду. Іншими словами, це ймовірність того, що фотон із певною енергією сприяє утворенню фотоструму. На практиці це один із найпоширеніших методів характеристики сонячних батарей, який надає детальну інформацію про поглинання, збір заряду та втрати в усьому сонячному спектрі.

Для перовськитних пристроїв показник EQE є особливо корисним, оскільки чіткий край поглинання та будь-які додаткові оптичні втрати безпосередньо відображають якість матеріалу, зокрема, чи відповідає товщина шарів необхідним параметрам і як світло взаємодіє всередині багатошарової структури. У цьому навчальному посібнику ви зможете змоделювати показник EQE в OghmaNano, побудувати спектр, порівняти різні багатошарові структури пристроїв і перевірити свою модель, порівнявши її з виміряними значеннями EQE.

2. Налаштування симуляції для проведення тестування EQE.

Почніть із запуску OghmaNano. У головному вікні натисніть «Нова симуляція». З’явиться бібліотека доступних типів пристроїв, як показано на ??. Двічі клацніть категорію «Перовськитні елементи», щоб отримати доступ до прикладів пристроїв. У папці «Перовськит» ви побачите набір попередньо створених прикладів симуляцій, таких як пристрої MAPbI₃ та їхні варіанти з іонними ефектами (заморожені іони, CELIV тощо). Виберіть приклад «Перовськитний сонячний елемент – заморожені іони (MAPI)», як показано на ??.

💡 Порада: переконайтеся, що ви обрали тип перовськитної сонячної батареї – «заморожені іони» (MAPI). Важливо, щоб ви звернули увагу на параметр «заморожені іони», і пізніше ми детальніше пояснимо, що це означає.

OghmaNano new simulation window showing categories including Perovskite cells
Нове вікно моделювання. Двічі клацніть на елементах «Перовськит» (виділено), щоб відкрити приклади проєктів, що стосуються перовськиту.
List of perovskite simulation templates including MAPI devices and frozen ions
Папка з прикладами перовськитів. Для цього навчального посібника оберіть шаблон «Перовськитна сонячна батарея (MAPI)».

Перш ніж запустити моделювання, перейдіть на вкладку «Тип моделювання» та перемкніть режим із режиму гістерезису перовськіту, який використовується за замовчуванням, на режим EQE. Це підготує моделювання до виконання обчислень EQE.

Before running the simulation, go to the Simulation type tab and change from Perovskite to EQE mode
Перш ніж запустити моделювання, перейдіть на вкладку «Тип моделювання» та змініть тип моделювання з «Перовськит» на «EQE».

3. Запуск моделювання.

Після того, як ви зміните режим моделювання на ЕКЕ (Електричний контрольний етап)перейдіть на вкладку «Файл». Натисніть кнопку Запустити моделювання. кнопка (синій значок відтворення) або натисніть. F9 щоб запустити обчислення. Після завершення обчислень перейдіть до Результат / Вивід вкладка, на якій відображатимуться файли, створені під час моделювання EQE.

Main simulation window showing EQE mode and the Run simulation button highlighted
Основне вікно моделювання. Після того, як ви зміните режим моделювання на... ЕКЕ (Електричний контрольний етап), натисніть Запустити моделювання. кнопка (синій значок відтворення) або натисніть. F9 щоб розпочати. Після завершення перейдіть до Результат / Вивід Натисніть клавішу Tab, щоб переглянути результати.
OghmaNano Output tab showing EQE-related output files such as E_eqe.csv and E_iqe.csv
На вкладці «Результати» перелічено файли результатів, отримані в результаті моделювання EQE, зокрема файли E_eqe.csv і E_iqe.csv для спектрального аналізу.

Після завершення моделювання перейдіть на вкладку «Результати». Двічі клацніть на eqe.csv, щоб відобразити графік залежності довжини хвилі від ефективності квантової генерації (див. ??). Якщо ви двічі клацнете на E_eqe.csv, ви побачите графік залежності енергії фотона від ефективності квантової генерації (див. ??).

Plot of wavelength vs EQE loaded from eqe.csv
eqe.csv — графік залежності довжини хвилі від ККЕ (коефіцієнта квантової ефективності). На цьому рисунку показано спектр ККЕ як функцію довжини хвилі, отриману в результаті моделювання.
Plot of photon energy vs EQE loaded from e_eqe.csv
e_eqe.csv — графік залежності енергії фотонів від ККЕ (коефіцієнта квантової ефективності). Це спектр ККЕ, представлений у вигляді залежності від енергії (еВ), отриманий під час того ж експерименту.

Загалом, цього достатньо для проведення моделювання EQE. Цей самий метод можна застосувати до будь-якого типу пристроїв (наприклад, кремнієвих або органічних сонячних елементів): просто натисніть кнопку EQE, запустіть моделювання, і буде отримано спектр EQE. Оскільки в цьому посібнику використовується перовскітний сонячний елемент із рухомими іонами, слід врахувати кілька додаткових деталей. Читайте далі, якщо хочете дізнатися більше.

4. Детальніша інформація.

Коли ви натискаєте кнопку відтворення та запускаєте вирішувач EQE, процес відбувається у три етапи. Етап 1: пристрій поступово доводиться до потрібної величини зворотньої напруги, при якій вимірюється EQE (ви можете встановити цю напругу за допомогою редактора EQE: Головне вікно → Редактори → EQE → Напруга EQE). Етап 2: оптичний вирішувач обчислює розподіл фотонів у пристрої в межах потрібного діапазону довжин хвиль (див. ??). Етап 3: виконується власне обчислення EQE на основі отриманих оптичних даних при заданій напрузі (див. ??). Ви можете спостерігати ці різні етапи обчислення під час роботи вирішувача.

Terminal output showing bias ramp to −20 V with the mobile ion solver enabled
Підведіть напругу до потрібного значення зворотного зміщення (наприклад, −20 В), при якому проводиться вимірювання EQE. Під час цієї фази вмикається модуль розв’язання рівнянь для рухомих іонів.
Terminal output showing optical solver sweeping wavelengths using a transfer matrix
Оптичне моделювання: метод розв’язання за допомогою матриці передачі обчислює розподіл фотонів усередині пристрою в межах заданого діапазону довжин хвиль.
Terminal output showing the EQE solver calculating EQE at the target reverse bias using optical results
Обчислення ККЕ (коефіцієнта квантової ефективності): для обчислення спектра ККЕ використовується вирішувач, який застосовує отримані оптичні дані при обраній величині зворотного зміщення.

Напругу, при якій виконується моделювання EQE, можна задати в редакторі EQE (див. ??). Тут параметр «Напруга EQE» визначає зміщення, яке використовується для обчислення, а доступ до редактора здійснюється через вкладку «Редактори» в головному вікні. Перевага проведення моделювання EQE при більш від’ємній напрузі полягає в тому, що це мінімізує вплив рекомбінації носіїв заряду. Чим ближче ви наближаєтеся до нуля вольт, і особливо якщо ви використовуєте пряме зміщення, тим більше рекомбінації буде враховано в моделюванні. У цьому режимі результат більше не є точним показником внутрішньої ефективності перетворення енергії (EQE).

Quantum efficiency editor showing EQEVoltage parameter and charge carrier generation model options
Редагування напруги, за якої проводиться оцінка EQE, можна виконати за допомогою функції «Напруга EQE». Цей редактор квантової ефективності доступний на стрічці інструментів у головному вікні.

5. Квантова ефективність зовнішньої електролюмінесценції в перовськітах.

🔧 Детальніше: у наведеному нижче розділі пояснюється, як OghmaNano використовує мікрокод Lua для керування обчисленням рухливості іонів під час розрахунків EQE. Вам не обов’язково розуміти це, щоб запускати моделювання EQE, але якщо ви хочете знати, що відбувається «всередині» або налаштувати поведінку обчислювача, продовжуйте читати.

Перовськитні сонячні елементи містять рухливі іони, тому будь-яке вимірювання змінює розподіл іонів і робить такі параметри, як ККЕ, Jsc або Voc, залежними від попередньої історії. На практиці зазвичай використовують такий підхід: пристрій поступово нагнітають до заданої напруги, дають іонам стабілізуватися, а потім проводять вимірювання. У цій симуляції ми відтворюємо цю процедуру: іони можуть вільно рухатися під час нагнітання напруги, а потім їх рух припиняється, коли досягається цільова напруга, і ККЕ обчислюється швидко, щоб подальшого порушення розподілу іонів не відбулося. Це відповідає передовій практиці в цій галузі, де ККЕ вимірюється після стабілізації та за визначеної історії напруги, як рекомендовано в рекомендаціях спільноти ( Khenkin et al., Nat. Energy 2020) та міжнародних стандартах для фотоелектричних систем, таких як IEC 60904.

У перовськітах із рухливими іонами такі параметри, як коефіцієнт квантової ефективності (EQE) та загальна ефективність, можуть залежати від історії зміни напруги на пристрої. Існує два практичні способи отримання стабільного значення EQE: (i) тимчасово повністю вимкнути модуль розв’язання задач, пов’язаних із рухливими іонами (див. вкладку «Електрика»), або (ii) підтримувати рухливість іонів під час зміни напруги, щоб вони могли «розслабитися», а потім фіксувати їх лише під час обчислення EQE. Останній спосіб контролюється за допомогою редактора мікрокоду, що реалізує модель дрейфу та дифузії (див. ??).

Electrical tab with Drift diffusion menu open; select Edit microcode to modify solver behavior
У розділі «Електричні» → «Дифузія за законом дрейфу» натисніть «Редагувати мікрокод». Відкриється скрипт Lua, який визначає, як розв’язувач обробляє рухомі іони. (Тут також можна вимкнути перемикач «Розв’язувач для іонів перовськіту», якщо ви бажаєте повністю вимкнути іони.)
Lua microcode editor showing logic to keep ions on during the ramp and off during the main EQE loop
Мікрокод Lua, який керує вирішенням задачі. Він підтримує роботу модуля, що моделює рух іонів, під час зміни напруги, щоб іони могли досягти рівноважного стану, і вимикає його під час основного циклу EQE, щоб «зафіксувати» розподіл іонів. Використовуйте кнопку «Увімкнути», щоб перемикати цю функцію.

На практиці, в OghmaNano існує два способи вирішення проблеми з рухомими іонами під час проведення розрахунків EQE. Перший – повністю вимкнути модуль, що обчислює рух іонів. Це можна зробити на панелі інструментів, присвяченій електричним параметрам, у головному вікні, знявши позначку з кнопки «Обчислення руху іонів перовськиту», яка розташована безпосередньо під меню, що відображається у вікні ??. Недоліком цього підходу є те, що він повністю ігнорує рух іонів.

Другий, більш витончений метод полягає в тому, щоб дозволити іонам залишатися рухливими під час повільного нарощування напруги, щоб вони стабілізувалися та утворили розподіл, близький до рівноважного, а потім «зафіксувати» їх лише тоді, коли починається власне вимірювання EQE. Це еквівалентно експериментальному застосуванню повільного від’ємного нарощування напруги, щоб іони осіли, а потім дуже швидкому вимірюванню EQE до того, як іони встигнуть переміститися. У наданій симуляції це здійснюється за замовчуванням за допомогою невеликого скрипта Lua.

Щоб переглянути або відредагувати цю поведінку, перейдіть на вкладку «Електрика», відкрийте меню праворуч від кнопки «Дифузія зносу» та натисніть «Редагувати мікрокод» (див. ??). Відкриється вікно редактора сценаріїв (??), де відображатиметься код Lua, що керує розв’язувачем. Ключові рядки вимикають розв’язувач іонів під час обчислення EQE, але вмикають його під час зміни напруги. Це забезпечує досягнення іонами рівноваги до обчислення EQE, що дає узгоджені та фізично реалістичні результати. Той самий прийом можна також застосувати до кривих JV або інших експериментів.

📝 Завдання 1 — залежність квантової ефективності від зміщення.

Мета: з’ясувати, як упередження впливає на ефективність квантової електрохімічної комірки (EQE) і чому більш негативні значення напруги пригнічують артефакти рекомбінації.

  1. Відкрийте редактор EQE: Головне вікно → Редактори → EQE.
  2. Встановіть значення напруги EQE на рівні -1 В і запустіть симуляцію EQE.
  3. Здійсніть послідовне сканування наступних значень напруги, кожного разу повторюючи вимірювання EQE та зберігаючи отримані спектри: +1 V → +0.5 V → 0 V → −1 V → +3 V → +5 V. (Пряме зміщення, наприклад, +3 В і +5 В, навмисно збільшить рекомбінацію та зменшить значення EQE).
  4. Накладіть спектри один на одного та зверніть увагу на те, де криві найбільше розходяться (біля межі поглинання, у зоні зменшення інтенсивності на великих довжинах хвиль тощо).
Очікувані спостереження / результати
  • При напрузі −1 В, зовнішня квантова ефективність (EQE) зазвичай є найвищою та найстабільнішою (сприяє збору носіїв заряду; мінімальна рекомбінація).
  • При 0 В (для компанії JSC) показник EQE зазвичай дещо знижується порівняно зі значенням −1 В, особливо поблизу краю зони.
  • При напрузі +0,5 В і +1 В збільшення рекомбінації ще більше знижує значення EQE.
  • За більшої напруги прямого зміщення (+3 В, +5 В) зовнішня квантова ефективність (ЗКЕ) може різко знижуватися і вже не відображатиме внутрішню ЗКЕ (вона стає обмеженою рекомбінацією).
  • Діапазон довжин хвиль, до якого пристрій найбільш чутливий до зміщення, зазвичай є областю з великою довжиною хвилі (де поглинання слабше, і найважливішим є збір носіїв заряду).

🧪 Завдання 2 — вимірювання ККЕ (коефіцієнта квантової ефективності) на зразках, виготовлених у вигляді гетероструктур, з різним рівнем рекомбінації.

Мета: кількісно оцінити, як рекомбінація впливає на спектр ефективності квантової генерації при короткому замиканні.

  1. У редакторі EQE встановіть значення напруги EQE на рівні 0 В (тобто, значення JSC).
  2. У розділі «Електричні параметри» пристрою знайдіть налаштування рекомбінації, що відбувається за участю пасток (SRH) (наприклад, час життя носіїв заряду, ефективна площа захоплення або щільність дефектів).
  3. Запустіть три моделювання:
    • Початкові значення: поточні/стандартні значення рекомбінації.
    • Підвищена рекомбінація: збільшення швидкості процесів SRH приблизно в 10 разів (скорочення часу життя носіїв або збільшення ефективної площі поперечного перерізу).
    • Зменшення рекомбінації: зниження швидкості процесів SRH приблизно в 10 разів (збільшення часу життя носіїв або зменшення ефективної площі поперечного перерізу).
  4. Порівняйте три спектри EQE (зосередьтеся на початку довгохвильової ділянки та на будь-яких особливостях поблизу піків оптичної інтерференції).
Очікувані спостереження / результати
  • Підвищена рекомбінація SRH → зниження ККЕ, що особливо помітно поблизу межі поглинання та в областях зі слабкою генерацією.
  • Зменшення рекомбінації носіїв заряду в шарі SRH → ККЕ (коефіцієнт квантової ефективності) наближається до оптичного «ліміту», який визначається поглинанням/оптикою.
  • Зміни можуть імітувати ефекти, пов’язані з товщиною або оптичними властивостями; для діагностики використовуйте обидва параметри: eqe.csv (λ-домен) і e_eqe.csv (E-домен).

ℹ️ Примітка: для отримання чітких даних про ефективність квантової генерації (EQE) рекомендується використовувати невелике зворотне зміщення (наприклад, −1 В), щоб мінімізувати рекомбінацію. Пряме зміщення (+3 до +5 В) наведено лише для ілюстрації, але зазвичай не відображає внутрішню ефективність квантової генерації (EQE).

✅ Що ви дізналися.

👉 Наступні кроки: