入门

仿真一个简单太阳能电池的 JV 曲线

无论您想仿真哪种器件，如果您是 OghmaNano 新用户，我的建议是从 这个有机太阳能电池仿真开始。有机太阳能电池是迄今为止最简单的一类器件 可用于仿真，并能让您理解软件包的基础，而无需处理二维效应、钙钛矿 离子或发光。本章将引导您完成第一个有机太阳能电池，并解释运行 OghmaNano 仿真的关键细节。安装完成后，OghmaNano 会出现在开始菜单中，点击它 启动。运行后，会出现一个类似图 [fig:new_open] 的窗口。

制作您的第一个仿真

点击 \(new~simulation\) 按钮。这将打开新仿真 窗口（见图 [fig:new_new]）。在该窗口中双击 \(Organic~Solar~Cells\) 图标。这将打开不同类型的有机 太阳能电池子菜单（见图 [fig:new_opv]）。其中大多数器件仿真都已发表在论文中并且 针对真实有机太阳能电池进行了标定。最早的是 2012 年的（非倒置）P3HT:PCBM 器件，最新的 是 2022 年的 PM6:Y6 器件。在本示例中，请双击 P3HT:PCBM 仿真并将新的 仿真保存到磁盘。

保存仿真后，将打开 OghmaNano 主仿真窗口（见图 3.1）。您可以 通过用鼠标拖动太阳能电池图片来查看结构。尝试 点击红色方框下方的按钮，它们会将视角切换到 xy、yz 或 xz 平面。注意 3D 窗口左下角的 x,y,z 原点标记。带有四个方块的图标 将提供太阳能电池的正交视图。

点击名为 Run simulation 的按钮来运行仿真（提示：它看起来像一个蓝色播放按钮 并位于 file 中，在“Simulation type ribbon”右侧一个位置）。功能键 F9 也 可以运行仿真。在较慢的计算机上可能需要一些时间。仿真完成后，点击 \(Output\) 选项卡（见图 3.1），在那里您将看到仿真写入磁盘的文件列表。

将仿真保存到哪里最好？

OghmaNano 会向磁盘写入大量数据，因此我建议您将仿真保存到本地磁盘，例如 C:\drive，网络驱动器或 USB 盘对仿真运行来说会太慢。我也不建议将 仿真保存到 OneDrive 或 Dropbox，因为它们也太慢，并且保存到那里会产生大量 网络流量。如果您是经常进行实验数据拟合的高级用户，我也建议（ 风险自负(!)）禁用您安装的任何额外杀毒软件，因为杀毒软件经常 跟不上对磁盘的读写。您可以在 这里 阅读更多相关内容

您第一次仿真的输出

在点击 Run Simulation 按钮（或按下功能键 F9）运行 仿真之后，仿真结果将被写入磁盘。要查看这些结果，请点击主窗口中的 Output 选项卡。您将看到仿真的输出，这在 图 3.1 中可见

仿真生成的关键文件列在下表中：

尝试打开 \(jv.dat\)。这是施加在太阳能电池上的电压 与器件产生的电流之间的关系图。这些曲线有时也称为 特征二极管 曲线，通过观察这些曲线我们可以了解太阳能电池的性能。按下 'g' 键 调出网格。

现在尝试打开文件 \(sim\_info.dat\)，该文件显示 太阳能电池性能信息，例如开路电压（\(V_{oc}\) - 太阳能电池在受光照时可产生的最大电压）、效率（\(\eta\) - 电池效率），以及短路电流（\(J_{sc}\) - 电池在受光照时可产生的最大电流）。图 3.3 显示了 在 JV 曲线上可以找到这些值的位置。\(sim\_info.dat\) 文件包含许多其他 参数，它们在 4.1.4 节中有详细描述。

编辑器件层

OghmaNano 中的任何器件都由一系列层构成（这有时被称为外延——这是一个 源自无机半导体的术语）。层编辑器可在主仿真窗口中通过 device structure 选项卡访问。这在图 3.1 的上方可见，并且层编辑器 如图 [fig:layereditor] 所示。窗口内有一张表描述器件结构。 thickness 列描述每一层的厚度。P3HT:PCBM 层是将光子转换为电子和空穴的材料层， 通常称为有源层。

对于有机太阳能电池来说，有源层厚度 50nm 被认为非常薄，而 400nm 则被认为非常厚（厚到不利于器件高效工作）。将有源层在 50 nm 与 400 nm 之间变化，对于每个厚度记录器件效率（建议至少进行八个 有源层厚度的仿真）。

关于层编辑器的更多内容

层编辑器具有以下列：

• Layer name: 描述该层的英文名称。 您可以随意命名各层（例如 ITO、PEDOT、Fred 或 Bob）——它没有物理意义。
• Thickness: 该层厚度，以米为单位。
• Optical material: 指定用于描述材料光学性质的 n/k 数据。 在仿真中，n/k 数据来自光学数据库中存储的实验值 15.1 并且与有效带隙等电学性质无关。
• Layer type: 指定仿真如何处理该层。有三种类型：
  • active: 电学有源；漂移-扩散求解器在该层类型中求解电学方程。 见 9 节。 您可以有任意数量的 active 层，但它们必须是连续的。
  • contact: 将该层定义为需要施加电压的接触。 更多细节见 3.1.8 节。
  • other: 任何既不是 contact 也不是 active 的层。

哪些层应该设为 active？

初学者在开始仿真器件时常犯的一个错误是尝试将器件中的所有层都设为 active，因为他们的逻辑是：电流必须流过它们，所以它们必须是 active，对吗？ 然而，例如在太阳能电池中，只有 BHJ，或者在钙钛矿器件中只有钙钛矿层会同时具有两类载流子 （电子+空穴）以及诸如光生、复合与载流子俘获等复杂效应。因此在该层中 求解漂移-扩散方程是有意义的。其他不同时具有两类载流子的层可以被当作 简单的寄生电阻处理，见 3.1.6 节。我只建议在您研究诸如 s 形 JV 曲线等效应，或器件显然需要多个 active 层（例如 OLED）时，才将器件的其他层（如 HTL/ETL）设为 active。一般来说， 尽量减少 active 层的数量，并始终让仿真尽可能简单，以便解释您观察到的物理效应。

太阳能电池如何吸收光？

在本节中我们将学习太阳能电池如何与光相互作用。首先，让我们看看 太阳光谱。阳光包含许多波长，从紫外光到可见光再到 红外光。人眼只能看到太阳发射光的一小部分。OghmaNano 保存了一份 太阳光谱副本以进行仿真。让我们看看该光谱：进入 Database 选项卡，然后选择 Optical database。这将 打开一个如图 3.4 所示的窗口

双击名为 AM1.5G 的图标，这将打开太阳光谱。看看光谱峰值在哪里。 现在关闭该窗口，并打开名为 \(led\) 的光谱。该光谱的峰值在哪里。

太阳能电池内部的光

正如您在首次打开仿真时所看到的，太阳能电池通常由许多不同材料的层组成。 其中一些材料被设计用于吸收光，另一些被设计用于将载流子从器件中导出。仿真器有一个这些材料的数据库， 要查看该数据库，请点击 \(Database\) 选项卡，然后点击 Material database。这将打开 一个如图 3.5 所示的窗口，打开后 导航到目录 \(polymers\)，并双击材料 \(p3ht\)，在新窗口中点击 \(Absorption\) 选项卡（见图 3.6）。该图显示材料中光吸收随波长的变化。

寄生元件

许多器件都具有与之相关的寄生并联电阻与串联电阻。并联电阻（\(R_{s}\)）由器件的直通导电引起，在薄型新型器件中这 往往由材料体系中的杂质造成。寄生串联电阻（\(R_{s}\)）通常与接触电阻、HTL/ETL 电阻或任何其他不与有源层相关的 电阻有关。典型太阳能电池中的这些电阻可见于图 [fig:parasitic_circuit]，图中也显示了器件的理想二极管。 这些电阻可在图 [fig:parasitic] 所示的寄生元件窗口中设置

您可以在 OghmaNano 中更改串联与并联电阻的数值，方法是进入 Electrical 选项卡 然后点击 Parasitic components 按钮。由于太阳能电池具有平坦宽大的接触， 器件通常还具有电容，这对瞬态测量很重要，并可由如下方程计算：

\[C=\frac{\epsilon_r \epsilon_0 A}{d+\Delta}\]

其中 \(A\) 为器件面积，\(\epsilon\) 为介电常数，\(d\) 为器件 厚度。由于各种原因，器件的测得电容往往与上述方程的预期不一致。 因此在寄生窗口中加入了 “Other layers”（\(\Delta\)）项，用于解释测得电容与层厚度测量之间的差异。

暗态下的太阳能电池

到目前为止，我们运行的所有仿真都是在光照下完成的。这是合理的，因为我们通常只对光照下的 太阳能电池性能感兴趣。然而，通过研究暗态性能也可以获得许多有价值的信息。现在我们将关闭仿真中的光照。 在 Optical 选项卡中将 Light intensity (suns) 下拉菜单设为 0.0 Suns，这 在图 [fig:dark] 中可见。3D 图像中的光子应如图 [fig:dark] 所示消失。

现在将并联电阻设为 \(1M \Omega m^2\)，并运行仿真。绘制 JV 曲线。通常将暗态 JV 曲线绘制为 x 线性、y 对数坐标。要在绘图窗口中这样做， 按下 'l' 键即可。曲线形状应类似于图 [fig:jv_dark] 中的 JV 曲线。某些太阳能电池参数对暗态 JV 曲线的不同部分 影响不同：低电压区域受并联电阻影响很强，中间部分受复合影响很强，上部则受串联电阻影响很强。

接触编辑器

接触编辑器用于配置电学接触。哪些层作为接触在层编辑器中配置，见 3.1.3 节。接触编辑器包含以下字段：

• Name: 接触名称。 可以是任何英文单词，并且没有物理意义。
• Top/Bottom: 设置接触位于顶部还是底部。 在 2D 仿真中，left 和 right 也有效。
• Applied voltage: 定义接触上的施加电压。 您必须先选择电压类型：
  • Ground: 将接触设为 0 V（地）。 地始终取为 0 V。
  • Constant bias: 在接触上施加恒定偏置。 可设为 0 V（等同于地）。在 OFET 仿真中，这允许将一个接触偏置到固定电压。
  • Change: 告诉仿真施加变化电压。 例如，在 JV 扫描中，电压扫描施加在该接触上。 在 IS 仿真（TPV、TPC、ToF 等）中，电压在该接触处施加/测量。
• Charge density: 设置接触上的多数载流子密度。 费米能级偏移由该值计算。 模型不将费米偏移作为直接输入，只使用电荷密度。
• Majority carrier: 设置多数载流子类型——电子或空穴。
• Physical model: 定义接触类型：欧姆或肖特基。 推荐使用欧姆接触。

电学参数

电学参数编辑器使您能够更改与有源层相关的电学参数。 在这里您可以更改迁移率、陷阱常数等。如果您在层编辑器中将某一层设为 active， 它将出现在电学参数编辑器中。窗口顶部的工具栏允许您关闭或开启多种电学机制，包括：

• Drift diffusion: 在该层内启用漂移–扩散。 通常，如果某层被设置为 active，则应保持开启。 主要例外是 OFET 的绝缘层。
• Auger recombination: 切换 Auger 复合。 详见 第 9.6 节。
• Dynamic SRH traps: 开启/关闭动态 SRH 陷阱。 详见 第 9.4 节。 在建模有机物等无序半导体时推荐使用。
• Equilibrium SRH traps: 允许引入单个平衡陷阱能级。 见 第 9.4 节。
• Excitons (diffusion): 将激子扩散方程与电学方程一起求解。 见 第 13.2 节。
• Excitons (singlet/triplet): 启用单重态与三重态的建模。

我如何知道应使用哪些电学参数？

对于已经研究多年的传统半导体材料，例如 AlGaAs 或 InP，载流子迁移率、带隙、 电子亲和能（等……）的数值是众所周知的，可以直接在诸如 这里 的网站上查到，或在书籍中查到，例如 Piprek 的优秀 著作。这些材料非常纯（99.999999999%）（所谓的“11 个 9”纯度）。这意味着当 手上有这样一种半导体样品时，人们确切知道其材料成分及物理性质。 有机半导体（以及其他新型材料，例如钙钛矿等……）通常在最好情况下也只有 99.9%，也就是比传统 对应材料低了整整八个数量级的纯度。这意味着当手上有这样一种材料样品时，人们并不完全确定 自己拿到的究竟是什么材料，因此更难知道迁移率等参数的取值。

此外，传统半导体非常有序，这意味着其中原子以 规则晶格排列（想象饼干盒里弹珠的堆积方式），这同样有助于使其电子性质 可预测。另一方面，新型半导体通常比传统对应材料无序得多，并由杂乱无章的 聚合物/分子（或钙钛矿畴等……）组成，并且这些材料的具体结构 很大程度上取决于其沉积方式。这意味着由于 不同实验室的制备技术/条件差异，即便是同一供应商提供的名义上相同的材料， 其行为也可能因沉积的时间/操作者/地点不同而差异很大。

因此回到本节开头的问题：对于我的新型 器件，我应使用哪些参数？这里有一些建议：

• 从基础仿真开始： 使用 OghmaNano 中提供的示例仿真。 这些仿真要么已针对真实实验器件进行了标定，要么使用了合理的电学参数。
• 查阅文献： 查找已发表数值，以确定您所研究材料体系的合理参数范围。
• 与实验数据对比： 确保仿真的电流–电压曲线与实验结果处于同一量级范围。 如果差异很大，则相应调整电学参数。
• 拟合实验数据（高级）： 如 第 [sec:fitting] 节所述， 您可以将模型直接拟合到实验数据。 不过，这很有挑战性，通常不建议作为起点。