شبیهسازی دستگاه سطح بزرگ – بخش A: تنظیم و درک یک مدل تماس سهبعدی
دستگاههای اپتوالکترونیکی سطح بزرگ – مانند سلولهای خورشیدی انعطافپذیر، ماژولهای پروسکایتی، پنلهای OLED، و الکترونیک چاپی – اغلب نه بهوسیله نیمهرسانای فعال، بلکه بهوسیله تماسهای الکتریکی محدود میشوند. با افزایش مساحت دستگاه، جریان باید پیش از رسیدن به یک تماس خارجی با رسانایی بالا، بهصورت جانبی از طریق رساناهای شفاف حرکت کند. تلفات مقاومتی حاصل میتواند بازده، فاکتور پرشدگی، یا یکنواختی روشنایی را بهشدت کاهش دهد.
یک راهحل رایج این است که یک پلیمر رسانا یا رسانای شفاف (برای جمعآوری محلی جریان) با یک شبکه فلزی (برای انتقال جریان در برد بلند) ترکیب شود. این شبکه میتواند ششضلعی، مربعی، مبتنی بر انگشتی، یا کاملاً سفارشی باشد. طراحی چنین تماسهایی بهصورت تجربی پرهزینه است: لیتوگرافی، چاپ، و بهینهسازی فرایند همگی هزینه قابلتوجهی دارند. شبیهسازی عددی راهی فراهم میکند تا مقاومت، افت ولتاژ، و تراکم جریان پیش از ساخت برآورد شوند.
در این آموزش ما منحصراً بر خود تماس تمرکز میکنیم. ساختاری که در اینجا نشان داده شده یک سلول خورشیدی یا LED کامل نیست؛ بلکه یک مدل تماس بازاستفادهپذیر است که میتواند روی هر دستگاهی قرار گیرد. آموزشهای بعدی نشان میدهند که چگونه این تماسها را با پشتههای اپتوالکترونیکی کامل یکپارچه کنید. در اینجا، هدف ما درک این است که جریان چگونه از میان تماس عبور میکند و تلفات در کجا بهوجود میآیند.
گام 1: ایجاد یک شبیهسازی جدید تماس سطح بزرگ
از پنجره اصلی OghmaNano، روی شبیهسازی جدید کلیک کنید. در کتابخانه شبیهسازی، روی مدلهای دستگاه سهبعدی سطح بزرگ دوبار کلیک کنید، همانطور که در ?? نشان داده شده است. این کار فهرستی از ساختارهای سطح بزرگ از پیش تعریفشده را باز میکند (??). روی تماس ششضلعی سطح بزرگ دوبار کلیک کنید.
گام 2: بررسی ساختار تماس
پنجره اصلی شبیهسازی اکنون باز میشود (??). این ساختار نمایانگر یک تماس الکتریکی مستقل است. این ساختار هنوز به یک دستگاه فوتوولتائیک یا نورگسیل متصل نشده است؛ در عوض، مدل میکند که جریان چگونه درون خود لایههای تماس جریان مییابد.
میتوانید با کشیدن پسزمینه میدانستارهای نما را بچرخانید. ویژگیهای کلیدی عبارتاند از:
- شبکه فلزی (قرمز) – یک شبکه با رسانایی بالا (در اینجا ششضلعی) که جریان را در فواصل بلند منتقل میکند.
- پلیمر رسانا (سبز) – یک لایه با رسانایی کمتر (در اینجا PEDOT:PSS) که جریان را بهصورت محلی جمعآوری کرده و آن را به شبکه تغذیه میکند.
- میله استخراج (زرد) – الکترود خارجی که در نهایت جریان از دستگاه از آن خارج میشود.
اگرچه این مثال از یک شبکه ششضلعی و PEDOT:PSS استفاده میکند، هیچکدام بنیادی نیستند. میتوانید شبکه را با هندسههای دلخواه و پلیمر را با هر لایه رسانای دیگری جایگزین کنید. هدف این آموزش درک پیامدهای الکتریکی چنین انتخابهای طراحی است.
گام 3: تعریف لایهها و تماسها
ویرایشگر لایه را باز کنید تا لایههای تعریفشده را ببینید (??). سه لایه وجود دارد:
- هوا – یک لایه جاینگهدار که تماس بالایی را میزبانی میکند.
- نقره – لایه شبکه فلزی.
- PEDOT:PSS – لایه پلیمر رسانا در زیر شبکه.
توجه کنید که لایه هوا بهعنوان Contact علامتگذاری شده است، در حالی که لایههای نقره و پلیمر بهعنوان Active علامتگذاری شدهاند. در این زمینه، «فعال» فقط به این معناست که OghmaNano معادلات الکتریکی را در آنجا حل میکند. در این مثال از فیزیک نیمهرسانای drift–diffusion استفاده نمیشود.
ویرایشگر Contacts را باز کنید (??). دو تماس تعریف شدهاند: یک تماس بالا که روی 0 V نگه داشته میشود، و یک تماس پایین که ولتاژ آن در شبیهسازیهای بعدی جاروب خواهد شد. پهنای تماسها ناحیه فیزیکیای را تعریف میکند که در آن جریان تزریق یا استخراج میشود.
گام 4: ساخت نمایش مداری سهبعدی
چون این یک ساختار فلزی و پلیمری سطح بزرگ است، حل کامل معادلات نیمهرسانای drift–diffusion غیرضروری و ناکارا خواهد بود. در عوض، OghmaNano این مدل را بهعنوان یک شبکه مقاومتی سهبعدی که با قوانین جریان و ولتاژ کیرشهف کنترل میشود در نظر میگیرد. هر المان حجمی کوچک به یک مقاومت تبدیل میشود، و کل ساختار بهصورت یک مدار بزرگ حل میشود.
به تب نمودار مدار بروید و روی آیکون بازیافت در گوشه پایین-چپ کلیک کنید. این کار نمایش مداری سهبعدی نشاندادهشده در زیر را تولید میکند.
در این نما، هر پیوند متناظر با یک مقاومت است، و هر گره سبز یک گره مداری را نمایش میدهد. گرههای آبی نقاطی را نشان میدهند که در آنها جریان از ساختار استخراج میشود. میله استخراج زرد که پیشتر دیده شد مشخص میکند کدام نواحی بهعنوان خروجیهای الکتریکی عمل میکنند. با برگرداندن ساختار آشکار میشود که سطح پایینی نیز شامل گرههای استخراج است، که متناظر با تماس پایین هستند.
در این نقطه، هندسه شبیهسازی و نمایش مداری بهطور کامل تعریف شدهاند. در بخش بعدی آموزش، ولتاژها را اعمال خواهیم کرد، حلگر را اجرا خواهیم کرد، و تلفات مقاومتی و افت ولتاژ در سراسر تماس را کمیسازی خواهیم کرد.
👉 گام بعدی: برای اجرای شبیهسازی و تحلیل جریان و افت ولتاژ به بخش B ادامه دهید.