大面积有机太阳能电池仿真（PM6:Y6）：从 3D 电极网络到受光器件
1. 引言
在本教程中，我们继续 大面积器件仿真 系列，聚焦于已超越小型实验室电池并进入应用尺度几何结构的器件。 它位于手册中两个既有工作流之间： 设计大面积电极（不含有源器件），以及 复杂 3D 钙钛矿组件。 本示例连接这两者，将二极管与光吸收引入先前设计的 电极结构，但尚未达到完全 互连组件 的程度。
在这里我们模拟一个基于 PM6:Y6 架构、采用印刷六边形金属电极的大面积 有机太阳能电池。 目标是理解在小面积表现良好的器件在放大后会如何表现， 在这种情况下，横向电流流动、电压降与接触电阻开始占主导。 尽管本教程使用 OPV 材料，工作流是通用的： 通过替换光学 n/k 数据并调整元件数值，同一模型也可以代表 你的 研究器件。
要将该工作流应用到你自己的器件，你只需提供两类输入： 层电阻率（通常来自文献或简单测试结构）， 以及少量二极管参数，例如理想因子、光生电流与饱和电流。 一旦这些设定完成，该模型就允许你对实验室尺度器件进行 虚拟放大，并识别 当其进入大面积、真实世界几何结构时将限制效率的损耗机制。
这里我们不使用完整的 3D drift-diffusion 求解器，尽管 OghmaNano 的确提供了该求解器。 对于大面积器件，完全分辨的 3D drift-diffusion 很快会在计算上变得不切实际， 并且当主要限制来自横向输运与接触电阻 而不是载流子穿过每一层的运动时，往往并非必要。 相反，OghmaNano 构建一个 具备几何感知的 3D 电路模型， 其中横向输运与电极由电阻元件表示，而光伏行为通过嵌入的二极管来捕获。
虽然电学问题用电路形式求解，但光学被严格处理。 光生载流子产生率通过在三维几何结构上进行一维切片评估的 transfer-matrix 光学求解器 计算得到， 从而保留薄膜干涉与吸收效应，同时电路求解器处理大面积电流收集。
2. 创建仿真
在主窗口中点击 新建仿真。你将看到仿真类别列表（见 ??）。然后双击 大面积 PM6:Y6 太阳能电池 （见 ??）。
创建仿真后，主窗口会打开并以三维方式显示器件几何结构 （见 ??）。 顶电极是一个标记为 Ag 的六边形（蜂窝状）金属网格。 该银层作为高导电的集流栅。 由于它以网格形式实现，表面大部分区域保持开口，使光能够穿过电极。银网格下方是 PEDOT:PSS，其作为横向电流扩展层。与大面积电极教程相同，电荷首先在聚合物层中横向收集， 随后转移到低电阻的银栅中以实现高效提取。
光活性层为 PM6:Y6。 在电学上，该层由启用光学生成的二极管元件表示， 同时额外的电阻组件确保求解器考虑其有限电导率。堆叠底部是一层连续的 Ag 电极，覆盖整个器件面积并完成电连接。
主窗口中可见的绿色条可能看起来像是悬浮的， 但它只是提取边界条件的可视化指示器。 它标记了求解器在电路网络中应用用于提取电流的电学接触的位置区域。
3. 检查外延层堆叠与电极
该仿真（以及更早的大面积电极示例）通过分层的 外延（epitaxial） 结构来定义。 器件通过层编辑器构建为薄膜层堆叠，这确保每一层都干净地位于下一层之上， 没有间隙，并对厚度进行一致处理。 这种方法非常适用于平面大面积器件，其中垂直堆叠是固定的，而横向行为通过电路模型引入。 它不同于后续的组件风格仿真（见 互连组件教程）， 在后者中，指状电极、汇流条以及更复杂的布局通过完整 3D 几何结构被显式定义。
要检查结构，请打开 层编辑器 查看层堆叠 （见 ??）， 然后在器件结构编辑器中打开 电极 面板 （见 ??）。 在几何上，该配置简单但重要：底电极覆盖整个器件面积， 而顶电极要小得多，并定义电流被提取的区域， 这与 3D 视图中显示的绿色提取标记一致。 理解该电极几何结构至关重要，因为它设定了支配大面积器件行为的横向电流路径。
4. 检查网格
切换到 电路图 选项卡并点击左下角的 刷新 图标 （回收样式按钮）。该操作会直接从已定义的几何结构与层堆叠构建器件的电路表示。得到的电路网格如 ?? 所示。 网格中的每条连线对应一个电路元件，例如电阻或二极管，颜色指示其来源的层或材料区域。
通过旋转视图，你可以清楚识别顶电极与底电极区域。 在 ?? 和 ?? 中， 蓝色点 表示从电路网格中提取电流的节点。 这些节点定义了电极边界条件，并代表电路求解器 从器件收集电流的位置。
5. 电学参数与光学生成
从器件结构面板打开 电学参数。该编辑器控制大面积电路模型所使用的电阻与二极管属性。 示例设置如 ?? 与 ?? 所示。对于 PM6:Y6 层，你将看到二极管元件特有的参数，包括 理想因子 n 与 反向偏置（饱和）电流 I0。如果你将这些数值替换为你自己的实验曲线得到的数值，你将看到你的器件如何进行尺度放大。你还可以启用 光学生成载流子。当启用光学生成时，transfer-matrix 光学求解器提供的光生项会以 光生电流 Iph 的形式进入电学模型的受光二极管方程：
I(V) = I0 [ exp( qV / (n k T) ) − 1 ] − Iph
在本教程中，该开关实际上控制 Iph 项。禁用光学生成时，电路表现为暗态二极管网络。 启用后，照明通过二极管元件向电路注入电流，且 Iph 由 transfer-matrix 光学计算得到的吸收光子通量决定。
💡 实现细节： 有源层可能会在厚度方向离散为多个电阻元件，以捕捉体输运与串联电阻。 但是，电路模型始终包含 单个二极管层，通常放置在有源区域底部。 这反映了二极管代表器件整体 JV 响应与光生过程， 而电阻元件用于刻画材料内部的电压降与电流扩展。
6. 运行仿真
要启动仿真，请点击 运行仿真（主工具栏中的蓝色三角形），或按 F9。 求解器将立即开始执行，输出终端会实时更新 （见 ??）。
输出中较早出现的彩色线条对应光学计算。 在该阶段，transfer-matrix 求解器正在跨器件逐片评估光生载流子产生率， 以构建空间分辨的产生率分布。 完成后，求解器将转到电学问题并开始求解电路网络。
仿真运行时值得关注终端输出。 这些信息并不是诊断噪声：它为判断仿真是否具有物理行为提供了有用线索。 在所示快照中，我们可以看到大约 −9.48 × 102 A m−2 从一个电极流出， 而 −9.48 × 101 A m−2 从另一个电极流出。 同时，报告的求解器残差 F = 1.7 × 10−14 表明电流连续性以极高精度得到满足， 第一个 JV 点在大约 17 ms 内求解完成。
两个电极之间的电流密度差异完全符合预期。 底电极覆盖整个器件面积，而顶电极只占据很小的区域。 因此，相同的总电流需要通过顶电极的更小面积被提取， 从而导致顶电极处显著更高的电流密度。 以这种方式阅读终端输出，可以对仿真几何与边界条件是否物理一致进行快速而有效的合理性检查。 如果残差误差增加到数量级为 1，或者运行时间变得异常长， 通常表明存在诸如网格破损或电极断开的问题。仿真完成后，打开 输出 选项卡 （见 ??）。 可用输出在 上一教程 中有更详细的描述，并在 下一教程 中进一步展开。这里我们仅关注按电极分辨的 JV 曲线。
每个电学电极都有各自的 JV 文件，jv_contact0.csv 与 jv_contact1.csv， 它们记录从该特定电极流出的电流。 尽管电流密度不同，但在考虑电极面积后，总提取电流是相同的。 打开 jv_contact0.csv 会生成如下所示的 JV 曲线。
7. 编辑材料参数
材料性质可以通过对象编辑器直接修改。 在 3D 视图中右键点击任意层并选择 编辑对象， 对象编辑器将打开 （见 ?? 和 ??）。
在这里，你可以更改分配给对象的 光学材料， 修改其几何形状（例如在使用蜂窝网格等图案化电极时）， 或调整颜色等可视化属性。 在这种外延风格仿真中，对象的绝对位置主要由层堆叠定义， 因此诸如平移与旋转等参数通常影响很小。 最重要的是光学材料的指定以及对象几何结构。
💡 试一试： 右键点击 PM6:Y6 层并将其光学材料替换为钙钛矿。 然后重新运行仿真并观察 JV 曲线如何变化。 如果你愿意，也可以使用钙钛矿文献报道的数值更新二极管参数——例如理想因子、 饱和电流与光生电流。