IMPS 仿真教程
1. 引言
IMPS（强度调制光电流谱）用于探测器件的光电流如何响应入射光的小幅正弦调制。实际中，照明可表示为 \( I_{\mathrm{light}}(t) = I_{0} + \Delta I \, e^{i\omega t} \)，相应的光电流响应可写为 \( J(t) = J_{0} + \Delta J \, e^{i(\omega t + \phi)} \)。
比值 \[ H(\omega) = \frac{\Delta J(\omega)}{\Delta I(\omega)} \] 定义了复数形式的 IMPS 传递函数，其幅值与相位提供了对底层物理过程的洞见。 在高频下，载流子收集受限会抑制响应；而在低频下，光电流更能紧随光强调制。 Nyquist 或 Bode 图中的弧形与峰值等特征可追溯到电荷输运时间、复合寿命以及界面动力学。
使用 OghmaNano，你可以直接在器件模型上仿真 IMPS，并生成与实验数据相呼应的 Nyquist 与 Bode 图。 这使你能够区分输运、复合与接触电阻的作用，并在实验之前或同时检验假设。
2. 开始使用
首先，打开 新建仿真 窗口
（见 ??），并双击
有机太阳能电池 分类。该文件夹包含一系列适用于 IMPS 仿真的 OPV 演示器件。
在随后出现的列表中（见 ??），
选择一个 PM6:Y6 演示器件（例如 PM6:Y6_E6_0hrs）。
这将提供一个具有合理默认设置的预配置项目，使你无需从零开始构建器件即可直接运行 IMPS。
3. 检查 IMPS 设置
在主窗口的 编辑器 功能区中，打开 FX 域编辑器，然后点击 IMPS 选项卡（强度调制光电流谱）。
检查 频率网格 以查看将要仿真的频率点
（??）。
此处网格以离散点形式给出（便于与实验频率匹配），你也可以使用起止频率与最大点数定义连续范围。
要增加点间距，可将 Multiply 因子从 1.0 调整为大于 1 的值（例如 1.05）以实现几何间隔；
小于 1 的值会压缩间距。
接着，打开 配置 选项卡
（??）。
对于 IMPS，将 激励方式 设为 光，测量 设为 电流。
将外加偏置 Vexternal 保持在 0 V 以进行短路 IMPS，并选择较小的
光强调制深度（例如相对单位 0.1），以保持在线性响应区间。
这些参数定义了 OghmaNano 中的标准 IMPS 实验。
4. 设置仿真模式
所有在 FX 域编辑器 中定义的频域仿真（例如 IMPS、IMVS 和 IS）都会作为按钮显示在 仿真类型 功能区中。在运行 IMPS 仿真之前，请确认 IMPS 模式按钮已被选中（处于按下状态）；否则可能会运行其他模式（见 ??）。
4. 运行仿真并查看输出
在 主仿真窗口 中，打开 文件 功能区并点击 运行仿真（??）。 当主窗口处于活动状态时，也可以按 F9 作为快捷键。
IMPS 运行完成后，前往 输出 选项卡查看生成的结果文件
（??）。
常见文件包括 fx_real.csv、fx_imag.csv、fx_phi.csv 以及
real_imag.csv，用于绘制 Bode 与 Nyquist 响应。
fx_real.csv、fx_imag.csv、
fx_phi.csv、real_imag.csv），用于 Bode 与 Nyquist 绘图。
5. 读取 Bode 与 Nyquist 图
fx_real.csv）。
fx_imag.csv）。
fx_phi.csv）。
real_imag.csv）。
IMPS 仿真完成后，你可以通过在 输出 选项卡中 双击 结果文件来查看图形。在开始之前，请记住：查看图形时按 L 可切换对数 y 轴， 按 Shift+L 可切换对数 x 轴。 这些快捷键有助于在跨越多个数量级的范围内突出特征， 对于同时存在快慢过程的 IMPS 数据尤为有用。
-
fx_real.csv– Bode（实部）图 （??）： 显示光电流的 同相 分量。在该器件中，实部随频率逐渐下降， 表明在低频下载流子能够高效收集，但当调制频率超过约 \(10^5\)–\(10^6\) Hz 时便难以跟随。 这一滚降标志着输运/复合限制的出现。 -
fx_imag.csv– Bode（虚部）图 （??）： 显示 反相 分量。约在 \(1.5 \times 10^6\)–\(2.0 \times 10^6\) Hz 处出现的负向谷值 指示了主导的复合或输运时间尺度。 该谷值对应的时间常数为 \(\tau \approx 1 / (2 \pi f) \sim 0.1\ \mu\text{s}\)， 表明载流子在亚微秒时间尺度上作出响应。 -
fx_phi.csv– Bode（相位）图 （??）： 显示光电流相对于调制光输入的滞后程度。 在低频下相位接近 0°，表明响应几乎是瞬时的； 在 MHz 范围内相位显著变为负值（最低约 −80°）， 说明复合占主导，器件响应越来越滞后。 -
real_imag.csv– Nyquist 图 （??）： 在复平面中呈现相同的信息。 以 200 kHz–1 MHz 为中心的单一弧形表明 一个类似 RC 的过程主导了器件响应。 弧形相对较小，说明复合显著但并非灾难性， 且频率标注与 Bode 图中观察到的时间尺度一致。
综合来看，IMPS 图表明该器件对慢速光强调制具有良好响应， 在低频下载流子被有效收集。 1–2 MHz 附近的清晰特征标识了主导的复合/输运过程， 其特征时间常数约为 \(\tau \sim 0.1\ \mu\text{s}\)。 在更高频率下，光电流迅速滚降， 因为器件无法更快地作出响应。 总体而言，谱图揭示了一个清晰的动态瓶颈： 器件表现得如同一个简单的 RC 系统， 其中输运与复合共同设定了将调制光转换为光电流的有效速度上限。
下面给出了关键 IMPS 输出文件及其内容的概览。
| 文件 | 内容 |
|---|---|
fx_abs.csv |
光电流响应幅值随频率的变化。 |
fx_C.csv |
跨调制频率计算得到的电容谱。 |
fx_imag.csv |
光电流虚部（反相分量）随频率的变化。 |
fx_phi.csv |
光强调制与光电流之间的相位角。 |
fx_R.csv |
在各调制频率下提取的有效电阻。 |
fx_real.csv |
光电流实部（同相分量）随频率的变化。 |
real_imag.csv |
Nyquist 表示，显示光电流实部与虚部之间的关系。 |
📝 检查你的理解（IMPS）
- Bode（实部）图中的低频平台说明了载流子收集效率的什么信息？
- 如何将 Bode（虚部）图中的最小值与载流子寿命或输运时间联系起来？
- 为何 Bode（相位）曲线在高频处向负方向移动，这对复合意味着什么？
- Nyquist 弧形提供了关于收集与复合平衡的哪些信息？
- 在更强照明下，你预计 IMPS 响应会如何变化？为什么？
💡 任务：尝试调整不同的器件参数，观察 IMPS 响应的变化：
- 并联电阻： 在 电学 功能区的 寄生元件 下， 将并联电阻提高到非常大的值（例如 \(10^{12}\ \Omega\)）， 然后再降低到 100 Ω 或 10 Ω。 比较各情况下的 Nyquist 与 Bode 图。
- 载流子迁移率： 在 电学参数 编辑器中， 将 电子 与 空穴 迁移率提高两个数量级。 重新运行 IMPS 仿真，检查峰值的频率位置如何移动。
- 照明强度： 在 光学 选项卡中，在 暗态 与 1 sun 之间切换。 观察 IMPS 特征如何随光生载流子产生而变化。
✅ 预期结果
- 并联电阻： 更高的并联电阻会给出更干净的 Nyquist 弧形和更强的 IMPS 信号。 较低的值（100–10 Ω）会使谱线变平、信号幅度降低，并掩盖复合特征。
- 载流子迁移率： 输运更快时，IMPS 峰值会移动到更高频率。 例如，虚部 Bode 图中的谷值从 \(10^5\ \text{Hz}\) 移动到 \(3\times10^5\ \text{Hz}\)， 表明有效载流子寿命从 \(\tau \approx 1.6\ \mu\text{s}\) 缩短到 \(\tau \approx 0.5\ \mu\text{s}\)。 迁移率降低则会使特征向低频移动并使弧形变宽。
- 照明： 在暗态下，IMPS 响应消失（无光电流）。 在 1 sun 下，会出现清晰的 Bode 与 Nyquist 特征。 更强的照明通常会增加信号幅度，并在复合路径随产生率变化时移动特征位置。
6. 总结与后续步骤
在本教程中，你学习了如何在 OghmaNano 中设置并运行 IMPS（强度调制光电流谱） 仿真，以及如何解读生成的 Bode 与 Nyquist 图。 你看到低频行为如何反映高效的载流子收集， 中频特征如何凸显复合或输运瓶颈， 以及高频滚降如何表明器件的动态极限。 同样的流程不仅适用于有机太阳能电池， 也适用于钙钛矿、叠层器件以及其他对光电流动力学敏感的光电器件。 如需更深入的分析，可导出 CSV 数据以提取载流子寿命、拟合动力学模型， 或与实验测量进行对标。
👉 下一步：继续阅读 C 部分：强度调制光电压谱（IMVS） ，以探索器件如何存储与释放电荷，以及如何从调制光下的电压响应中提取复合动力学。