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OghmaNano 模拟有机/钙钛矿太阳能电池、OFET 和 OLED 下载

拟合实验数据

1. 概述

正如你可以将二极管方程拟合到暗态 JV 曲线以提取理想因子一样，OghmaNano 允许你将完整器件模型直接拟合到实验数据。通过将仿真校准到你的测量结果，你可以在自洽框架内恢复具有物理意义的参数——迁移率、陷阱态密度、接触电阻、复合系数。与简单的解析公式相比，基于物理的拟合能够保留光学–电学耦合，并对控制性能的机制提供更丰富、更可靠的洞察。本教程介绍 OghmaNano 中的拟合工作流，并展示如何选择变量、选择最小化器，以及运行高效、可复现的拟合。

2. 你的第一次拟合

OghmaNano 包含若干演示仿真，用于说明如何将模型拟合到实验数据。其中一个以简单的漂移–扩散模型为例。要访问它，请点击文件功能区中的 新建仿真 图标以打开 新建仿真 窗口（图 ??）。 在此处，双击 脚本与拟合 类别以打开图 ?? 所示的文件夹。 选择 拟合与参数提取 示例以加载演示项目。 打开后，它会启动一个简单的太阳能电池仿真（图 ??）。 尽管该演示聚焦于太阳能电池，但拟合引擎可以应用于任何仿真与实验数据集。

OghmaNano 中的“新建仿真”窗口，显示不同器件类别。“脚本与拟合”类别已高亮显示。
新建仿真 窗口。选择 脚本与拟合 类别以访问拟合示例。
已打开“脚本与拟合”文件夹，并高亮显示“拟合与参数提取示例”。
在 脚本与拟合 文件夹中。双击 拟合与参数提取示例 以加载演示项目。

保存新仿真后，将出现主仿真窗口（??）。 在此处，导航到 自动化 功能区（红色高亮）并选择 拟合到实验 图标，以进入拟合窗口 ??。

OghmaNano 自动化功能区中高亮显示“拟合到实验”图标，主窗口中显示一个 3D 太阳能电池器件结构。
OghmaNano 的 自动化 功能区，显示 拟合到实验 图标。 选择该选项将打开主拟合窗口。
OghmaNano 拟合窗口，工作区中已加载一条实验 JV 曲线。
拟合窗口首次打开时的界面，显示已导入的光照 JV 实验数据集，已准备好进行拟合。

拟合窗口控制优化的执行方式：它指定使用哪些实验数据集，以及调整哪些仿真变量。 你可以拟合单个数据集（如这里所示），也可以同时拟合多个数据集，以获得更受约束的参数提取。 在图 ?? 中， 蓝线表示将用于拟合的实验 JV 曲线。

💡 实践练习：使用拟合窗口

  1. 任务 1 – 一次迭代： 点击 一次迭代 按钮以更新拟合视图 （??a）。 在 差值 = 实验 − 仿真 选项卡中，你将看到仿真 JV（蓝色）与 实验 JV（红色）叠加显示，以及绿色的 差值 曲线，其逐点定义为 \( \Delta(V) = J_{\mathrm{exp}}(V) - J_{\mathrm{sim}}(V) \)。 一个良好的起点是绿色曲线在整个电压范围内接近零。
  2. 任务 2 – 运行拟合： 按下 运行拟合 以启动自动最小化器（再次按下将停止运行）。 在最初的几步中误差可能会短暂上升，但随后应下降，因为仿真曲线与 实验曲线逐渐收敛。切换到 拟合进度 选项卡以绘制误差随迭代变化的曲线 （??b）；该图也会 保存到仿真目录中的 fitlog.csv 以便外部绘图。 在典型配置下该阶段耗时约 ~30 s。
OghmaNano 拟合窗口，在运行一次拟合迭代后显示仿真（蓝色）、实验（红色）以及差值（绿色）JV 曲线。
a) 一次拟合迭代后：仿真（蓝色）、实验（红色）与差值（绿色）JV 曲线。
OghmaNano 拟合进度窗口，显示误差函数随迭代次数下降，表明收敛。
b) 拟合进度：误差函数随迭代次数降低，显示收敛。

3. 添加与删除数据

主拟合窗口提供了一组工具栏命令，用于控制实验数据的添加、管理与拟合方式。 这些按钮允许你导入或移除数据集、配置哪些参数将被变化，以及启动或停止 拟合过程。最重要的选项包括：

4. 最小化器功能区

最小化器 功能区用于控制拟合过程中所使用的优化算法。 在该选项卡中，你可以选择要应用的最小化器（例如默认的 Nelder–Mead 下坡单纯形） 并配置其设置。该功能区还包含用于管理拟合变量、复制参数以及 应用数学规则以约束拟合的工具。通过调整这些选项，你可以控制算法如何探索参数空间， 在速度与精度之间取得平衡，并确保在拟合过程中施加具有物理意义的约束。

OghmaNano 拟合窗口，显示最小化器选项卡，其中包含拟合变量、重复变量、拟合规则以及最小化器选择（Nelder–Mead 已高亮）。
拟合窗口的 最小化器 选项卡，你可以在此选择优化算法 （例如 Nelder–Mead）并配置规则、变量复制以及最小化器设置。

5. 设置拟合变量

OghmaNano 拟合变量窗口，显示已启用与已禁用参数列表，如电荷密度、迁移率、陷阱密度与电阻，并带有最小值、最大值、误差函数与对数尺度控制项。
拟合变量 窗口。该界面允许你选择拟合时变化哪些参数， 并指定其允许范围、误差惩罚与缩放。在此启用或禁用变量将直接 控制最小化器如何探索参数空间。

要打开 拟合变量 窗口，请在拟合窗口中进入 最小化器 功能区 （图 ??）并点击 拟合变量。该面板（图 ??） 允许你选择拟合过程中哪些参数会被变化并设置其边界。为获得速度与鲁棒性， 先从一小组对称参数开始；只有在获得合理的初始拟合后，才添加更多变量（或引入不对称性）。

拟合变量 表包含七列：启用、变量、 最小值、最大值、误差函数、对数尺度 和 变量（JSON）。

6. 复制变量

OghmaNano 复制变量窗口，显示一个表格，将源变量（例如电子迁移率或陷阱密度）映射到目标变量，以在拟合过程中强制对称性。
复制变量 窗口。该工具在每次迭代时将 源 变量的值复制到 目标 变量，确保参数在拟合过程中保持对称 （例如，使电子与空穴迁移率匹配）。

从 最小化器 功能区打开 复制变量 窗口 （??）。 该工具会在每次迭代中将一个 源 参数镜像到一个 目标 参数。 在对称器件示例中，我们只拟合电子侧参数，并使用 复制变量 将其值复制到 相应的空穴参数，使它们在整个拟合过程中保持相等 （见 ??）。

列 函数 y = f(x) 定义了源值 x 在写入目标值 y 之前 如何进行变换。默认的 x 表示直接复制；也可以使用例如 2*x（将数值加倍）或 x + 0.05（施加偏移）等形式。

7. 拟合规则

拟合规则 窗口（??），可从 最小化器 功能区进入，允许你对拟合过程施加数学 约束。只要某个条件被违反，规则就会向误差函数添加惩罚项。 例如，你可以强制一个参数必须始终大于另一个参数，或者当某个 变量漂移到可接受范围之外时施加惩罚。这有助于使拟合保持物理意义，并防止 最小化器探索不现实的参数组合。


OghmaNano 拟合规则窗口，显示一个表格，可在变量之间定义诸如 x > y 的约束，并可启用或禁用每条规则。
拟合规则 窗口。在这里，用户可以定义诸如 x > y 的约束，以强制 参数之间的关系。如果某条规则被破坏，将向拟合中添加额外误差，引导 最小化器回到参数空间的有效区域。

💡 拟合的关键提示与技巧：

  1. 一般而言，拟合是一个棘手的过程，需要大量耐心和手动微调。不要指望 点击一个按钮就能直接工作 —— 你需要仔细操作才能得到良好的拟合。
  2. 如果拟合无法工作，可能是你对器件所做的物理假设存在问题。 该模型只能拟合物理上合理的数据，因此如果有某些量相差一个数量级， 请重新考虑你让模型完成的任务。例如，如果你始终无法让太阳能电池中的 \(J_{sc}\) 匹配，会不会是你的材料吸收的光子数量不足， 从而无法达到你期望的 \(J_{sc}\) 值？
  3. 不同的数据集提供不同类型的信息。例如，太阳能电池的暗态 JV 曲线提供 有关并联电阻、串联电阻以及一些迁移率/复合细节的洞察。而光照 JV 曲线 几乎不提供关于并联电阻的信息，因此不要指望它能给出对 \(R_{shunt}\) 的准确估计。在解释拟合参数之前， 始终要思考你的数据包含哪些信息。
  4. 拟合过程的工作方式是：1）运行一次仿真；2）计算数值结果与 实验结果之间的差异；3）调整参数；4）重新运行仿真并检查误差是否减少；5）如果 误差减少，则接受参数变化并重复该过程。这可能需要数百或数千次迭代。 因此，单次仿真必须运行得很快。例如，如果你的网格有 1000 个点，拟合时可尝试 将其减少到 10；如果你有 1000 个时间步，将其减少到 100。任何对基础仿真的加速 都会加速拟合过程。
  5. 将文件写入磁盘是任何计算过程的 最慢部分。即使是现代 SSD 的速度也大约比 主存慢 30×（例如 456 MB/s vs 12,800 MB/s，对应 PC3-12800）。使用 USB 盘、 网络存储或 OneDrive/Dropbox 等云服务会使情况更糟。为提高速度，请始终将仿真保存到本地 SSD（而不是 网络盘或机械硬盘）。
  6. 尽量减少仿真生成的文件数量。关闭不必要的输出，如快照、光学 输出或动态文件夹。配置良好的仿真通常只会生成大约 50 个文件。如果你看到上百个， 请调查原因。
  7. 虽然可以在 GUI 中进行拟合，但通常较慢。一个良好的做法是：在 GUI 中设置拟合，但从命令行运行 它们（下文给出了说明）。
  8. 由于拟合会向磁盘写入大量文件，杀毒软件可能会通过扫描每个文件来拖慢速度。如果这成为问题， 可以考虑将你的仿真文件夹从实时扫描中排除。

👉 下一步： 现在继续到 第 B 部分，了解更高级的拟合方法。