🎯 Цілі навчання

Налаштуйте та запустіть свою першу симуляцію OPV в OghmaNano.
Побудуйте графік залежності струму від напруги (криву JV) та визначте ключові показники ефективності: струм короткого замикання (JSC), напругу розімкнутого кола (VOC), коефіцієнт заповнення (FF) та ККД (η).
Зрозумійте різницю між графіками вольт-амперної характеристики (ВАХ) у темряві та при освітленні, а також те, як умови освітлення впливають на характеристики пристрою.

📦 Необхідні умови/вимоги

OghmaNano встановлено та працює.
Базове розуміння принципів роботи сонячних батарей.

⏱ Орієнтовний час

Частина А: 10–15 хвилин.

Просте моделювання електричних кіл

1. Вступ

Хоча повномасштабне моделювання за допомогою методів дрейфу та дифузії є ефективним способом детального аналізу поведінки пристрою, зокрема для врахування таких ефектів, як швидкості рекомбінації, рухливість носіїв заряду та інші мікроскопічні процеси, воно також є за своєю суттю складним у використанні та інтерпретації. Воно вимагає великої кількості матеріальних параметрів, які часто недоступні, і в багатьох випадках такий детальний аналіз не є необхідним. Іноді потрібно просто визначити шлях шунтування, оцінити послідовний опір або отримати загальне уявлення про поведінку пристрою. У таких ситуаціях часто більш практичним є використання спрощених електричних моделей. Проста еквівалентна схема, що складається з резисторів, конденсаторів та ідеальних діодів, часто є достатньою. Для цього OghmaNano пропонує вбудований вирішувач схем, який за принципом дії схожий на LTspice, що дозволяє застосовувати довільні напруги до довільних електричних схем і отримувати реалістичні електричні характеристики. Цей вирішувач є прямою заміною для модуля моделювання дрейфу та дифузії: напруги задаються таким самим чином, і всі експериментальні режими – такі як часова область, частотна область та EQE – залишаються сумісними. Крім того, матрична модель передачі, яка використовується для обчислення оптичного поглинання, може бути пов’язана з діодами, що дозволяє послідовно моделювати фотострум. У програмне забезпечення включено кілька прикладів моделювання схем, які можна знайти в папці «Проста модель діода» нового вікна моделювання (див. Рисунок 1).

У цьому навчальному посібнику ми використаємо простий інструмент для розв’язання електричних схем, щоб створити модель сонячної батареї PM6:Y6 у спрощений спосіб і отримати базове розуміння її роботи.

💡 Чому варто використовувати редактор схем OghmaNano замість LTSpice?

🔗 Тісна інтеграція з оптичними моделями — елементи схеми можна поєднати з методом передаточної матриці та методом трасування променів, щоб поглинання світла та випромінювання були безпосередньо пов’язані з вашою електричною моделлю.
⚡ Повна сумісність з інструментами, що працюють на рівні пристрою — ви все ще можете виконувати частотний аналіз, імпедансну спектроскопію, вимірювання ККД та інші види моделювання для будь-якої схеми.
🔄 Безперебійна заміна для моделі дрейфу–дифузії: замініть складний чисельний метод на простішу еквівалентну схему, зберігаючи при цьому всі наявні в OghmaNano робочі процеси аналізу.
🧰 Створено спеціально для сонячних елементів та оптоелектронних пристроїв — на відміну від універсальних симуляторів схем, OghmaNano автоматично пов’язує поведінку схеми з поглинанням світла, генерацією фотоструму та фізикою рекомбінації.

2. Початок роботи

На вкладці «Нове моделювання» в стрічці інструментів файлу натисніть, щоб відкрити вікно «Нове моделювання» (див. рисунок 1a). Якщо потім двічі клацнути на «Прості моделі діодів», програма відобразить підменю з доступними прикладами схем (див. рисунок 1b). Для цього навчального посібника ми використовуватимемо приклад кривої OPV PM6:Y6. Ми починаємо з кривої JV, оскільки це найпростіше моделювання на основі схеми.

OghmaNano new simulation window with the Simple Diode Model folder highlighted. — Нове вікно моделювання в OghmaNano.

OghmaNano window after double-clicking the Simple Diode Models. — Вікно, що відкривається після подвійного клацання мишею на елементі «Просте моделювання електричної схеми».

Після того, як ви збережете нову симуляцію, відкриється вікно, яке нагадує стандартний інтерфейс симуляції OghmaNano. Це показано на малюнок 3. Воно виглядає як звичайне вікно симуляції, за винятком того, що редактор електричних параметрів відображається сірим кольором. Ви також помітите, що з’явилася друга вкладка під назвою «Схема». Натиснувши на цю вкладку, відкриється редактор схеми, показаний на малюнок 4. Тут пристрій представлено у вигляді простої еквівалентної схеми, що складається з діода, послідовного резистора, паралельного резистора та конденсатора. Це забезпечує найпростішу модель сонячної батареї. Конденсатор враховує геометричну ємність контактів, що буде важливо пізніше, коли ми розглядатимемо симуляції в часовій та частотній областях.

OghmaNano main simulation window after creating a new simple circuit simulation. — Стандартне вікно симуляції OghmaNano після створення нової простої схеми для моделювання.

Circuit tab in the simple circuit simulation showing a solar cell represented by a diode, two resistors, and a capacitor. — На вкладці «Схема» в програмі для простого моделювання електричної схеми зображено сонячну батарею у вигляді діода, двох резисторів і конденсатора.

3. Редагування схеми.

У лівій частині рисунок 4 ви можете побачити набір стандартних електричних компонентів, доступних у редакторі схем. До них належать резистор, конденсатор, діод, провідник, заземлення та батарея. Також тут є два інструменти: інструмент-покажчик для вибору та редагування компонентів і інструмент-пензель, який використовується для їх видалення. Детальніший опис кожного інструменту наведено в таблиці нижче.

Components and tools available in the circuit editor.
Компонент/Інструмент	Рівняння	Опис
Резистор	\(V = IR\)	Моделює омічний опір у колі.
Конденсатор	\(I = C \tfrac{dV}{dt}\)	Накопичує та віддає заряд, відображаючи геометричну або паразитну ємність.
Діод	\(i(t,V) = I_{0}\!\left(e^{\tfrac{qV}{nkT}} - 1\right) - I_{\text{light}}\)	Відображає ідеальний діод; \(I_{\text{light}}\) отримано з результатів оптичного моделювання.
Нелінійний елемент	\(i(t,V) = \left(\tfrac{I_{0} \cdot V}{V_{0} + d}\right)^m\)	Нелінійний елемент, визначений користувачем, для вдосконаленого моделювання електричних схем.
Дріт	—	Ідеальний провідник, який не має небажаних параметрів.
Земля	—	Заземлення встановлено на 0 В.
Акумуляторна батарея / Батарея	—	Подає напругу на схему, використовуючи значення, отримане з контактного редактора, де вказано параметр «зміна».
Вказівник	—	Використовується для вибору та редагування елементів схеми.
Щітка	—	Використовується для видалення елементів схеми.

Натиснувши на будь-який елемент схеми за допомогою будь-якого інструменту, окрім пензля, ви можете змінити значення компонентів, як показано на рисунку. [рис.: редагування компонента схеми]і збільшив масштаб. [рис.: збільшення зображення компонента під час редагування схеми].

OghmaNano circuit editor showing a diode-based solar cell equivalent circuit with the component properties window open. — Редактор електричної схеми з еквівалентною схемою сонячної батареї, що базується на діодах, і відкритою панеллю властивостей компонентів.

Zoomed-in view of the component properties window showing editable fields: Component type, Name, Ideality factor, I0, Layer, and Photon efficiency. — Збільшене зображення вікна властивостей компонента, на якому виділено поля, що підлягають редагуванню, такі як «Компонент», «Назва», «Ідеальний коефіцієнт», «I₀», «Шар» і «Фотоефективність».

Коли ви натискаєте на будь-який елемент у редакторі схеми, з’являється поле редагування, яке дозволяє змінювати його параметри. Більшість цих налаштувань є простими та легко зрозумілими. Найбільш детальні налаштування відображаються для моделі діода, яка має кілька додаткових параметрів. Це поле редагування показано на рисунок 5, а варіанти пояснено в таблиці нижче.

Parameters available when editing a circuit element.
Параметр	Опис
Компонент	Визначає, який тип компонента представляє собою елемент схеми.
Ім’я	Зручна для користувача назва компонента; ви можете обрати будь-яку назву.
Ідеальний коефіцієнт	Ідеальний коефіцієнт діода n.
І0	Струм насичення в рівнянні для діода.
Шар	Шар, який представляє собою діод; фотострум обчислюється на основі генерації в цьому шарі.

4. Запуск редактора схем.

Перейдіть до головного вікна симуляції та знайдіть Відтворити натисніть на кнопку (▶) або просто натисніть її. F9 — для запуску моделювання. Після запуску OghmaNano спочатку оцінює обрану оптичну модель (наприклад, метод передавальної матриці або трасування променів), а потім передає її результати в модуль розв’язання електричної схеми для генерування фотоструму пристрою. Далі виконується сканування характеристики струм-напруга (IV) точно так само, як і в повномасштабних моделюваннях, що враховують дрейф і дифузію.

Окрім стандартних вихідних файлів, схема також генерує список з’єднань. Це показано на рисунок 11.2. Подвійне клацання по файлу netlist відкриває вікно, в якому відображається напруга на кожному елементі схеми та струм, що проходить через нього. Ви можете використовувати повзунок, щоб переглядати кожен етап моделювання (час або напругу). Зверніть увагу, що список з’єднань створюється лише в тому випадку, якщо в редакторі моделювання увімкнено опцію «Зберігати все на диск».

OghmaNano output tab showing the results of a circuit simulation, presented in the same format as drift–diffusion simulations. — Результати моделювання електричної схеми відображаються на вкладці «Результати». Результати представлені в тому ж форматі, що й для стандартних симуляцій, які враховують дрейф і дифузію носіїв заряду.

Net list window showing voltage across and current through each circuit element, with a slider to step through the simulation. — У режимі перегляду «Список мережі» відображається напруга на кожному елементі схеми та струм, що протікає через нього. За допомогою повзунка можна переглядати різні моменти часу або значення напруги під час моделювання.

5. Більш складні типи моделювання

OghmaNano simulation editor showing the mode set to Impedance Spectroscopy (IS). — Зміна режиму моделювання на режим імпедансної спектроскопії.

Impedance spectroscopy output plot showing the real and imaginary parts of the circuit response. — Зміна режиму моделювання на режим імпедансної спектроскопії.

До цього моменту ми виконали стандартне моделювання спільного вентиля, але оскільки вирішувач ланцюгів повністю інтегрований з усіма іншими інструментами в OghmaNano, ви також можете виконувати широкий спектр розширених аналізів. Вибираючи різні режими в стрічці «Типи моделювання» в головному меню, ви можете виконувати моделювання Suns–VOC, Suns–JSC, C–LIV, імпедансну спектроскопію, вимірювання ємності та напруги, а також EQE. Приклад наведено в рисунок 9, де показано графіки реальної та уявної складових імпедансної характеристики (real_imag.csv) для моделі ланцюга. Усі ці інструменти працюють точно так само, як і в повномасштабних моделюваннях дрейфу-дифузії, але тут вони мають додаткову перевагу: вони безпосередньо пов’язані з оптичною моделлю одночасно.

🧪 Спробуйте самі — завдання з аналізу електричних схем

Санс – В_ОК: Ідеальний коефіцієнт показує, наскільки точно діод відповідає ідеальній моделі Шо́клі: \(n \approx 1\) вказує на можливість міжзонної рекомбінації, тоді як \(n \approx 2\) вказує на рекомбінацію, що відбувається за участю пасток. Щоб обчислити це, спочатку змініть режим моделювання на: Санс – В_ОК і запустіть моделювання, натиснувши на Відтворити кнопка (▶) або натискання F9Результати будуть збережені у suns_voc.csvНа основі цього файлу обчисліть коефіцієнт ідеальності. н використовуючи нахил:
\( n = \frac{q}{kT}\,\frac{dV_{\!OC}}{d\ln(\text{suns})} \;=\; \frac{\text{slope}}{V_T} \)
де \(V_T = kT/q \approx 25.85\,\text{mV}\) при 300 K. Тепер дослідимо вплив параметрів, змінивши значення елементів схеми та повторно запустивши симуляцію:
- Ідеальний коефіцієнт (n): спробуйте 1.0 → 1.5 → 2.0.
- Послідовний опір (Rs): спробуйте 0 → 0.5 → 2 Ω (або відповідні значення для одиниці площі).
- Опір шунтуючого кола (Rsh): спробуйте 10 kΩ → 1 kΩ → 200 Ω.
Чого мені слід очікувати?
- Зі збільшенням n крутизна \(V_{\!OC}\) зростає порівняно з \(\ln(\text{suns})\) (більший нахил ⇒ більша кількість витягнутих n).
- Зменшення опору Rsh (збільшення струму витоку) призводить до зменшення \(V_{\!OC}\), особливо за умов низької інтенсивності сонячного випромінювання; на графіку це може проявлятися у вигляді вирівнювання кривої на ділянці з низькою інтенсивністю освітлення.
- Вищі значення Rs практично не впливають безпосередньо на показник Suns–\(V_{\!OC}\) (оскільки це характеристика відкритого контуру), але значно погіршують коефіцієнт заповнення кривої струм-напруга (JV) у звичайному режимі JV.
- Щоб визначити значення n, побудуйте графік залежності \(V_{\!OC}\) від \(\ln(\text{suns})\) і оберіть лінію, яка найкраще відповідає отриманим даним, а потім використайте \(n = \text{slope}/V_T\).
IMPS (спектроскопія фотоструму з модуляцією інтенсивності): перемкніть режим на IMPS, виконайте сканування частот і проаналізуйте вихідні дані (дійсний/уявний компонент функції передачі фотоструму). Визначте граничну частоту (фаза ≈ −45° або |Дійсна частина| = |Уявна частина|) і зафіксуйте, як вона змінюється залежно від Rs, Rsh або C.
EQE: Перейдіть у режим EQE, виконайте спектральне сканування, побудуйте графік спектра EQE (наприклад, eqe.csv) і прокоментуйте, як фотострум змінюється залежно від довжини хвилі.
CELIV: Перемкніться в режим C-LIV і запустіть короткочасний процес. Ви побачите пік струму, спричинений конденсатором; збільште масштаб початкової частини графіка, щоб чітко спостерігати за перехідною характеристикою.

✅ Ці аналізи виконуються на основі однієї й тієї ж електричної схеми, при цьому зберігається зв’язок з оптичною системою, що забезпечує фізичну узгодженість фотоструму.

6. Використання інструментів для підбору/сканування разом із моделями електричних схем.

Моделі електричних схем представлені у форматі JSON-дерева, подібно до параметрів матеріалу, що використовуються в моделі дифузії, і тому ви також можете використовувати інструменти для підбору та сканування, щоб або підібрати дані до результатів експерименту, або проаналізувати різні значення параметрів схеми.