钙钛矿太阳能电池（PSC）教程 第 A 部分：快速入门——仿真你的第一个钙钛矿器件
钙钛矿太阳能电池是光伏领域增长最快的研究主题之一，自其在约 2012 年取得突破以来已有超过 30,000 篇论文发表。其迅速发展由超过 25% 的创纪录能量转换效率所推动，使其与晶体硅并列为领先的太阳能技术。同时，钙钛矿也具有独特的挑战：诸如离子迁移、滞后以及动态结构变化等问题，使其比常规半导体更难被完全理解。
本教程使用一种标准且被广泛研究的结构——FTO / TiO₂ / MAPbI₃（??）/ Spiro-OMeTAD / Au——来介绍在 OghmaNano 中进行钙钛矿太阳能电池仿真的基础内容。只需几个步骤，你将启动软件、构建器件堆叠、运行一次JV 扫描，并分析诸如Jsc、Voc、填充因子与效率等关键结果。当你熟悉该基础器件后，示例库还包含更高级的钙钛矿体系与混合体系，便于进一步探索。
步骤 1：启动 OghmaNano
从 Windows 开始菜单启动 OghmaNano。OghmaNano 主窗口将如 ?? 所示出现。
步骤 2：创建一个新仿真
点击 New simulation。这将打开可用器件类型的库， 如 ?? 所示。 双击 Perovskite cells（红色高亮）以打开钙钛矿示例文件夹。 你将看到一列预设仿真，例如 MAPbI₃ device 和 Perovskite solar cell，如 ?? 所示。 对于本教程，请选择 Perovskite solar cell 模板。 当系统提示时，将仿真保存到你拥有写入权限的文件夹中。
💡 提示：为获得最佳性能，请保存到本地磁盘，例如
C:\。存放在网络、USB 或云端文件夹
（例如 OneDrive）中的仿真可能会因大量读写而运行
较慢。
步骤 3：运行仿真
选择模板后，将打开主仿真窗口（见 ??）。 开始计算时，点击 Run simulation（蓝色播放图标）或按 F9。 视你的计算机性能而定，计算可能需要几秒钟完成。 你也可以使用 xy / yz / xz 按钮（左下角）在 3D 视图中改变 器件的朝向。
jv.csv（JV 曲线数据）、optical_output（光学场结果）、
snapshots（随时间变化的场），以及时间分辨 CSV 文件（time_j.csv、time_v.csv 等）。
双击任意文件即可在相应的查看器或编辑器中打开。
步骤 4：查看结果
打开 Output 标签页（??）以浏览写入磁盘的文件。双击 jv.csv 绘制 JV 曲线（见
??）。
你可以在绘图窗口按 g 切换网格显示。检查 JV 曲线时，请关注以下特征（图中已标出）：
- JSC – 短路电流密度，在曲线与电流轴交点（V = 0）处读取。它表示电池在无外加偏置时能输出的电流大小。
- VOC – 开路电压，在曲线与电压轴交点（J = 0）处读取。它是在光照条件下器件可输出的最大电压。
- Pmax – 器件输出最大功率的工作点（电压 × 电流）。
这些参数共同构成了太阳能电池的一些标准性能指标。
做得好！你刚刚完成了第一个钙钛矿仿真并绘制了其 JV 曲线 🎉
💡 显示答案
这条 JV 曲线表现出明显的滞后（hysteresis）——根据扫描方向是正向还是反向，曲线实际上包含 两条重叠的 JV 轨迹。 在钙钛矿太阳能电池中，这源于可迁移离子（例如碘空位） 在外加电场下发生漂移。这些离子在电压扫描过程中重新分布，从而改变 局部电场以及电荷抽取路径。其结果是器件呈现时间相关的响应， 并在 JV 曲线中表现为滞后现象。
💡 显示答案
在钙钛矿太阳能电池中，滞后会使诸如最大功率点、开路电压、 短路电流甚至填充因子等标准参数很难被明确界定。 JV 曲线可能会因扫描方向、扫描速度 以及器件历史状态而不同，这会使结果之间的比较更加复杂，并使 可重复性成为钙钛矿研究中的关键挑战。
步骤 5：将仿真模式切换为稳态
在上述仿真中，我们以 Hysteresis 模式运行仿真，这是一个时域仿真。该模式考虑外加电势如何随时间重新分布钙钛矿中的可迁移离子。我们将电压从低扫到高， 然后再扫回去，并且——正如你在 JV 图中看到的那样——由于这种离子 运动（滞后），正向与反向扫描并不重合。如上方问题框所述，这种滞后使得 难以定义 PCE、JSC、VOC 与 Pmax 的稳定取值，因为它们可能依赖于器件的先前状态。 在本教程的其余部分，我们将禁用滞后并以稳态模式运行。为此，请进入 OghmaNano 主窗口的 Simulation type 选项卡并点击 JV curve（见 ??）。
✅ 预期结果
在稳态模式下，JV 图现在应表现为单次、平滑的扫描（无正向/反向重叠）。 记录 Jsc、Voc、FF 与 PCE 的取值，并与 先前的滞后运行进行比较，以观察离子效应如何影响这些指标。
步骤 6：仿真输出
| 文件名 | 说明 |
|---|---|
| jv.csv | 电流密度随电压变化（JV 曲线） |
| charge.csv | 电荷密度随电压变化 |
| device.dat | 三维器件模型 |
| fit_data*.inp | 示例器件的实验数据（如提供） |
| k.csv | 复合参数随电压变化 |
| reflect.csv / transmit.csv | 光学反射率 / 透射率 |
| snapshots/ | 电学快照（偏置/时间相关）；见 ?? |
| optical_snapshots/ | 光学场/强度快照；见 ?? |
| sim_info.dat | 汇总（VOC、JSC、FF、η）；见 ?? |
| cache/ | 中间缓存数据；见 ?? |
每次仿真都会生成一组输出，用于捕捉器件行为的不同方面——从原始 JV 曲线与电荷密度，到光学谱、复合常数，以及电学或光学场的快照。上述文件通常是纯 CSV 文件，可直接在 OghmaNano 的内置查看器中打开，或在外部进行处理（例如在 Excel 或 Python 中绘图）。对于基础钙钛矿研究，最重要的输出在下方表 1 中进行了汇总。
👉 下一步：现在继续阅读 第 B 部分 以获得更详细的钙钛矿教程，包括输出、器件层与高级分析。