Головна Приклади Знімки екрана Інструкція користувача Логотип Bluesky. YouTube ☰
OghmaNano Мультифізична платформа для моделювання оптоелектронних пристроїв і фотонних систем. ЗАВАНТАЖИТИ Короткий посібник зі швидкого старту

Навчальний посібник з перовськитних сонячних елементів (ПСЕ), частина А: Швидкий старт – створіть модель свого першого перовськитного пристрою.

Crystal structure of a perovskite lattice showing the ABX₃ arrangement of atoms
Кристалічна структура ґратки перовськіту (ABX₃). Великі сфери позначають катіони, розташовані в позиціях A, середні сфери – катіони в позиціях B, а малі сфери – аніони в позиціях X. Ця проста кубічна структура є основою для унікальних оптоелектронних властивостей перовськитних сонячних елементів.

Перовськитні сонячні елементи є однією з найбільш швидкозростаючих тем досліджень у галузі фотоелектрики, і з моменту їхньої появи близько 2012 року було опубліковано понад 30 000 наукових праць. Їх стрімкий розвиток зумовлений рекордними показниками ефективності перетворення енергії, що перевищують 25%, завдяки чому вони конкурують із кристалічним кремнієм як провідні сонячні технології. Водночас, перовськити мають унікальні проблеми: такі явища, як іонна міграція, гістерезис і динамічні структурні зміни, ускладнюють їхнє повне вивчення порівняно зі звичайними напівпровідниками.

У цьому навчальному посібнику використовується стандартна та широко вивчена структура – FTO / TiO₂ / MAPbI₃ (??) / Spiro-OMeTAD / Au – для ознайомлення з основними принципами моделювання перовськитних сонячних елементів у OghmaNano. Лише за кілька кроків ви запустите програмне забезпечення, створите структуру пристрою, виконаєте сканування за параметрами струму та напруги та проаналізуєте ключові результати, такі як Jsc, Voc, коефіцієнт заповнення та ефективність. Коли ви освоїте цю базову структуру пристрою, у бібліотеці прикладів буде представлено більш складні перовськитні системи та комбінації для подальшого вивчення.

Крок 1: Запустіть OghmaNano.

Запустіть OghmaNano з меню «Пуск» у Windows. Відкриється головне вікно OghmaNano, як показано на ??.

OghmaNano start window with options to create a new simulation, open a project, or access recent files
Вікно запуску OghmaNano. Створіть нову симуляцію, відкрийте наявний проєкт або перегляньте нещодавно використані файли.

Крок 2: Створіть нову модель.

Натисніть «Нова симуляція». Відкриється бібліотека доступних типів пристроїв, як показано на ??. Двічі клацніть на «Перовськитні елементи» (виділено червоним кольором), щоб відкрити папку з прикладами перовськитних елементів. Ви побачите список попередньо встановлених симуляцій, таких як пристрій MAPbI₃ і перовськитна сонячна батарея, як показано на ??. Для цього навчального посібника виберіть шаблон «Перовськитна сонячна батарея». Коли з’явиться відповідне повідомлення, збережіть симуляцію в папку, до якої у вас є права на запис.

💡 Порада: для досягнення найкращих результатів зберігайте дані на локальному диску, наприклад, на диску C:\. Моделювання, збережене в мережевих папках, на USB-накопичувачах або в хмарних сховищах (наприклад, OneDrive), може працювати повільно через велику кількість операцій читання/запису.

OghmaNano new simulation window with device categories including perovskite cells, OLEDs, OFETs, GaAs demos, ray tracing, and FDTD examples
Нове вікно моделювання містить бібліотеку типів пристроїв і зразки проєктів. Подвійне клацання по категорії відкриває попередньо налаштовані моделювання — наприклад, папку «Перовськитні елементи», виділену тут.
OghmaNano perovskite solar cell examples list showing preconfigured MAPbI₃ device and Perovskite solar cell templates
У межах категорії перовськитних елементів ви можете обрати одну з кількох попередньо розроблених конструкцій пристроїв, зокрема MAPbI₃ та типову перовськитну сонячну батарею. Ці шаблони містять готові до використання моделі, які можна адаптувати для дослідження того, як параметри матеріалів і структура шарів впливають на продуктивність.

Крок 3: Запустіть симуляцію.

Після вибору шаблону відкривається основне вікно моделювання (див. ??). Щоб розпочати, натисніть кнопку «Запустити моделювання» (синій значок відтворення) або натисніть клавішу F9. Залежно від вашого комп’ютера, обчислення може тривати кілька секунд. Ви також можете використовувати кнопки xy/yz/xz (у лівому нижньому куті), щоб змінити орієнтацію пристрою у тривимірному режимі.

Main OghmaNano interface showing the Run Simulation button and a 3D cross-section of a perovskite solar cell stack with layers labelled FTO, TiO₂, Perovskite, Spiro, and Au.
Основне ОгмаНано інтерфейс моделювання. Панель інструментів забезпечує швидкий доступ до поширених дій, таких як створення/відкриття моделей, експорт результатів і запуск обчислювального модуля. Трьохвимірне зображення пристрою відображає набір шарів, тут. FTO / TiO₂ / Перовськит / Спіро / AuНатисніть на виділену область. Запустити моделювання. кнопка (або натиснути) F9) для початку обчислень.
OghmaNano Output tab showing the working directory with simulation result files such as jv.csv, optical_output, snapshots, and time-dependent current/voltage data.
Вкладка «Результати» в OghmaNano. Тут ви можете переглянути робочу директорію для поточного моделювання. Типові результати включають jv.csv (дані кривої залежності струму від напруги), optical_output (результати оптичного поля), snapshots (поля, що змінюються в часі), і файли CSV, що містять дані, пов’язані з часом (time_j.csv, time_v.csv тощо). Двічі клацніть будь-який файл, щоб відкрити його у відповідному переглядачі або редакторі.

Крок 4: Перегляньте результати.

Current density–voltage (JV) curve of a perovskite solar cell. The plot shows Jsc, Voc, and Pmax marked with arrows.
Приклад поточної характеристики (кривої залежності щільності струму від напруги) перовскітної сонячної батареї. Jsc (щільність струму короткого замикання) – це значення струму при нульовій напрузі. Voc (напруга розімкнутого кола) – це напруга, при якій щільність струму падає до нуля. Pmax позначає робочу точку, в якій добуток щільності струму та напруги досягає максимального значення, що відповідає максимальній вихідній потужності пристрою.

Відкрийте. Результат / Вивід табуляція (??) щоб переглянути файли, збережені на диску. Подвійне клацання. jv.csv щоб побудувати графік залежності струму від напруги (див. ??). Ви можете натиснути г у вікні графіка можна ввімкнути або вимкнути відображення сітки. Під час аналізу кривої залежності струму від напруги зверніть увагу на такі характеристики (вони позначені на графіку):

У сукупності ці параметри визначають основні показники ефективності сонячних елементів.

Чудово! Ви щойно провели своє перше моделювання перовскітного матеріалу та побудували його вольт-амперну характеристику 🎉

💡 Показати відповідь

Ця крива залежності струму від напруги (J-V) чітко демонструє явище гістерезису — вона фактично містить дві криві J-V, що перекриваються, залежно від того, в якому напрямку проводиться сканування: у прямому чи зворотному. У перовськитних сонячних елементах це відбувається через те, що рухливі іони (наприклад, вакансії йодиду) зміщуються під дією прикладеного електричного поля. Ці іони перерозподіляються під час зміни напруги, що змінює локальні електричні поля та шляхи вилучення заряду. В результаті пристрій демонструє залежну від часу реакцію, яка проявляється у вигляді гістерезису на кривій J-V.

💡 Показати відповідь

У перовськитних сонячних елементах явище гістерезису може значно ускладнити визначення стандартних параметрів, таких як точка максимальної потужності, напруга розімкнутого кола, струм короткого замикання та навіть коефіцієнт заповнення. Графік залежності струму від напруги може мати різний вигляд залежно від напрямку сканування, швидкості сканування та історії роботи пристрою, що ускладнює порівняння результатів і робить відтворюваність ключовою проблемою в дослідженнях перовськитів.

Крок 5: Зміна режиму моделювання на стаціонарний.

OghmaNano Simulation type ribbon highlighting how to switch from Perovskite (time-domain) to JV curve (steady-state) mode.
Перехід до стаціонарного режиму: на вкладці «Тип моделювання» виберіть «Крива залежності струму від напруги», щоб запустити стаціонарне моделювання залежності струму від напруги без гістерезису.

У наведеному вище моделюванні ми запустили його в режимі гістерезису, який є часовою моделлю. Цей режим враховує, як прикладений потенціал перерозподіляє рухливі іони в перовськітах з плином часу. Ми змінювали напругу від низької до високої, а потім знову назад, і, як ви бачили на графіку залежності струму від напруги, пряме та зворотне сканування не збігалися через цей іонний рух (гістерезис). Як зазначено вище в розділі з питаннями, такий гістерезис ускладнює визначення стабільних значень для PCE, JSC, VOC і Pmax, оскільки вони можуть залежати від попереднього стану пристрою. У решті цього посібника ми вимкнемо гістерезис і запустимо моделювання в стаціонарному режимі. Для цього перейдіть на вкладку «Тип моделювання» в головному вікні OghmaNano та натисніть «Графік залежності струму від напруги» (див. ??).

✅ Чого очікувати

У стаціонарному режимі графік залежності струму від напруги має відображатися як єдина, плавна крива (без перекриття прямої та зворотної гілок). Зверніть увагу на значення Jsc, Voc, FF і PCE та порівняйте їх зі значеннями, отриманими під час попереднього вимірювання петлі гістерезису, щоб побачити, як іонні ефекти вплинули на ці показники.

Крок 6: Результати вашого моделювання.

Table 1: Files produced by the JV simulation
Назва файлу Опис
jv.csvЗалежність щільності струму від напруги (крива залежності струму від напруги)
файл charge.csvЗалежність щільності заряду від напруги.
device.datТривимірна модель пристрою
fit_data*.inpЕкспериментальні дані для наведеного прикладу пристрою (за наявності).
k.csvЗалежність параметра рекомбінації від напруги
reflect.csv / transmit.csvОптичне відбиття / пропускання
знімки/Електричні характеристики в різні моменти часу (залежно від зміщення/часу); див. ??.
оптичні знімки/Знімки оптичного поля/інтенсивності; див. ??.
sim_info.datПідсумок (VOC, акціонерне товариство, FF, η); див. ??.
кеш/Проміжний кешований об’єкт даних; див. ??.

Кожна симуляція генерує набір даних, які відображають різні аспекти поведінки пристрою – від необроблених кривих залежності струму від напруги та щільності заряду до оптичних спектрів, констант рекомбінації та знімків електричних або оптичних полів. Зазвичай ці файли мають формат звичайних CSV-файлів, які можна відкривати безпосередньо у вбудованих переглядачах OghmaNano або обробляти їх окремо (наприклад, для створення графіків даних у програмах Excel або Python). Найважливіші дані для базового дослідження перовськитів наведено в таблиці 1 нижче.

👉 Наступні кроки: