简单电路仿真

1. 引言

尽管完整的 drift–diffusion 仿真是以细节方式分析器件行为的强大手段——能够捕捉复合速率、载流子迁移率以及其他微观过程等效应——但其运行与解读本身也不可避免地较为复杂。它需要大量材料参数，而这些参数往往不可获得，并且在许多情况下并不需要如此细粒度的细节。有时你只是想诊断并联漏电通道、评估串联电阻，或快速理解整体器件行为。在这种情况下，使用简化的电学模型通常更为实用。由电阻、电容与理想二极管构成的简单等效电路往往已经足够。为此，OghmaNano 提供了内置电路求解器，其思想与 LTspice 类似，允许你对任意电路网络施加任意电压，并获得逼真的电学响应。该求解器是 drift–diffusion 引擎的直接可替换项：施加电压的定义方式相同，所有实验模式——例如时域、频域与 EQE——仍保持兼容。此外，用于计算光学吸收的传输矩阵模型可与二极管耦合，从而一致地仿真光生电流。软件中包含多个电路仿真示例，可在新建仿真窗口的 Simple Diode Model 文件夹中找到（见 Figure 1）。

在本教程中，我们将使用简单电路求解器以直观方式对 PM6:Y6 太阳能电池建模，并对其行为获得基本理解。

2. 开始使用

在文件功能区的 New simulation 选项卡中，点击以打开 New simulation 窗口（见 Figure 1a）。然后双击 Simple Diode Models，软件将显示可用电路示例的子菜单（见 Figure 1b）。本教程中我们将使用 OPV PM6:Y6 JV curve 示例。我们从 JV 曲线开始，因为它是最容易运行的基于电路的仿真。

OghmaNano 新建仿真窗口，其中 Simple Diode Model 文件夹被高亮显示。 — *OghmaNano* 中的新建仿真窗口。

双击 Simple Diode Models 后的 OghmaNano 窗口。 — 双击 *Simple Circuit Simulation* 后的窗口。

保存新仿真后，将打开一个类似于标准 OghmaNano 仿真界面的窗口。这如 Figure 3 所示。它看起来就像普通仿真窗口，只是 Electrical Parameter Editor 处于灰显状态。你还会注意到出现了第二个名为 Circuit Diagram 的选项卡。点击该选项卡会打开电路图编辑器，如 Figure 4 所示。在这里，器件由一个简单等效电路表示，该电路由一个二极管、一个串联电阻、一个并联电阻和一个电容组成。这提供了最基本的太阳能电池模型。电容用于表示来自接触的几何电容，这在我们稍后探索时域与频域仿真时将非常重要。

创建新的简单电路仿真后显示的 OghmaNano 主仿真窗口。 — 创建新的简单电路仿真后显示的标准 *OghmaNano* 仿真窗口。

简单电路仿真中的 Circuit 选项卡，显示太阳能电池由一个二极管、两个电阻和一个电容表示。 — 简单电路仿真中的 *Circuit* 选项卡，将太阳能电池表示为一个二极管、两个电阻和一个电容。

3. 编辑电路

在 Figure 4 的左侧，你可以看到电路编辑器中可用的一组标准电学元件。这些包括电阻、电容、二极管、导线、接地与电池。还有两个工具：用于选择与编辑元件的指针，以及用于删除元件的画笔工具。下表对每个按钮进行了更详细的说明。

电路编辑器中可用的元件与工具。
元件/工具	方程	说明
电阻	\(V = IR\)	对电路中的欧姆电阻建模。
电容	\(I = C \tfrac{dV}{dt}\)	存储与释放电荷，表示几何电容或寄生电容。
二极管	\(i(t,V) = I_{0}\!\left(e^{\tfrac{qV}{nkT}} - 1\right) - I_{\text{light}}\)	表示理想二极管；\(I_{\text{light}}\) 来自光学仿真。
非线性元件	\(i(t,V) = \left(\tfrac{I_{0} \cdot V}{V_{0} + d}\right)^m\)	用于高级电路建模的用户定义非线性元件。
导线	—	无寄生参数的理想导线。
接地	—	设置为 0 V 的地参考。
电池	—	对电路施加电压，电压来自接触编辑器中标记为 change 的接触。
指针	—	用于选择与编辑电路元件。
画笔	—	用于删除电路元件。

通过使用除画笔以外的任意工具点击任意电路元件，你可以更改元件的数值，如 [fig:circuit_edit_component] 所示，并在 [fig:circuit_edit_component_zoom] 中进行了放大显示。

OghmaNano 电路编辑器显示基于二极管的太阳能电池等效电路，并打开了元件属性窗口。 — 电路编辑器中显示基于二极管的太阳能电池等效电路，并打开了元件属性窗口。

元件属性窗口的放大视图，显示可编辑字段：Component type、Name、Ideality factor、I0、Layer 和 Photon efficiency。 — 元件属性窗口的放大视图，突出显示可编辑字段，例如 *Component*、*Name*、*Ideality factor*、I₀、*Layer* 以及 *Photon efficiency*。

当你在电路编辑器中点击任意元件时，会出现一个编辑框，允许你更改其参数。其中大多数设置都直接且易于理解。最详细的配置出现在 二极管模型 中，它包含若干附加参数。该编辑框如 Figure 5 所示，其选项在下表中进行说明。

编辑电路元件时可用的参数。
参数	说明
Component	选择该电路元件代表的元件类型。
Name	元件的人类可读标签；你可以选择任意名称。
Ideality factor	二极管理想因子 n。
I₀	二极管方程中的饱和电流。
Layer	二极管所代表的层；光电流由该层中的产生率计算得到。

4. 运行电路编辑器

回到主仿真窗口，找到 Play 按钮（▶）并点击它——或直接按下 F9 ——以运行仿真。开始后，OghmaNano 首先评估所选光学模型（例如传输矩阵或光线追踪），然后将其输出耦合到电路求解器中以生成器件的光生电流。随后将以与完整 drift–diffusion 仿真完全相同的方式执行 JV 扫描。

除了标准输出文件外，电路求解器还会生成一个 Net list。这如 Figure 11.2 所示。双击 netlist 文件会打开一个窗口，显示电路中每个元件两端的电压与流经其的电流。你可以使用滑块逐点浏览每个仿真点（时间或电压）。请注意，只有在仿真编辑器中启用了 Write everything to disk 时，才会创建 net list。

OghmaNano 输出选项卡显示电路仿真的结果，其格式与 drift–diffusion 仿真相同。 — *Output* 选项卡中显示的电路仿真输出。结果以与标准 drift–diffusion 仿真相同的格式呈现。

Net list 窗口显示每个电路元件两端电压与流经电流，并带有用于逐点浏览仿真的滑块。 — *Net list* 视图，显示每个电路元件两端电压与流经其的电流。滑块允许按时间或电压点逐步浏览仿真。

5. 更高级的仿真类型

OghmaNano 仿真编辑器显示模式设置为阻抗谱（IS）。 — 将仿真模式更改为 **Impedance Spectroscopy**。

阻抗谱输出图，显示电路响应的实部与虚部。 — 将仿真模式更改为 **Impedance Spectroscopy**。

到目前为止我们进行了标准 JV 仿真，但由于电路求解器与 OghmaNano 中所有其他工具完全集成，你也可以运行广泛的高级分析。通过在主菜单的 Simulation types 功能区中选择不同模式，你可以执行 Suns–V_OC、Suns–J_SC、C–LIV 仿真、 Impedance Spectroscopy、Capacitance–Voltage 以及 EQE 测量。如 Figure 9 所示，电路模型的阻抗响应（real_imag.csv）的实部与虚部被绘出。所有这些工具的操作方式与完整 drift–diffusion 仿真中完全一致，但在这里它们额外具有同时与光学模型直接耦合的优势。

🧪 自己动手试试 — 电路分析任务

Suns–V_OC： 理想因子显示二极管与理想 Shockley 模型的符合程度： \(n \approx 1\) 表明带-带复合，而 \(n \approx 2\) 表明陷阱辅助复合。要计算它，先将仿真模式改为 Suns–V_OC，并点击 Play 按钮（▶）或按 F9 运行仿真。结果将写入 suns_voc.csv。根据该文件，使用斜率计算理想因子 n：
\( n = \frac{q}{kT}\,\frac{dV_{\!OC}}{d\ln(\text{suns})} \;=\; \frac{\text{slope}}{V_T} \)
其中 \(V_T = kT/q \approx 25.85\,\text{mV}\)（300 K）。

现在通过编辑电路元件数值并重新运行来探索参数敏感性：
- 理想因子（n）：尝试 1.0 → 1.5 → 2.0
- 串联电阻（R_s）：尝试 0 → 0.5 → 2 Ω（或按面积等效值）
- 并联电阻（R_sh）：尝试 10 kΩ → 1 kΩ → 200 Ω
我应该期待什么？
- 增大 n 会使 \(V_{\!OC}\) 相对于 \(\ln(\text{suns})\) 更陡（更大斜率 ⇒ 更大的提取 n）。
- 降低 R_sh（更强漏电）会降低 \(V_{\!OC}\)，尤其是在低 suns；曲线在低照度端可能变平。
- 增大 R_s 对 Suns–\(V_{\!OC}\) 的直接影响很小（因为它是开路指标），但会在常规 JV 模式下显著降低填充因子。
- 要提取 n，绘制 \(V_{\!OC}\) 对 \(\ln(\text{suns})\) 并对最佳直线区间求斜率，然后使用 \(n = \text{slope}/V_T\)。
IMPS（强度调制光电流谱）：将模式切换到 IMPS，运行频率扫描，并检查输出（实/虚光电流传递函数）。识别拐角频率（相位 ≈ −45° 或 |Real| = |Imag|），并记录其随 R_s、R_sh 或 C 的变化而如何移动。
EQE：切换到 EQE 模式，运行光谱扫描，绘制 EQE 光谱（例如 eqe.csv），并评论光电流如何随波长变化。
CELIV：切换到 C-LIV 模式并运行瞬态。你将看到由电容引起的电流尖峰；放大迹线的早期部分以清晰观察瞬态响应。

✅ 这些分析在 同一电路模型 上运行，同时保持 与光学引擎耦合，使光生电流在物理上保持一致。

6. 在电路模型中使用拟合/扫描工具

电路模型与 drift diffusion 材料参数一样在 json 树中可访问，因此你也可以使用拟合与扫描工具将数据拟合到实验结果，或对电路数值进行扫描。