IMVS 仿真教程

1. 引言

IMVS（强度调制光电压谱）研究器件的开路电压如何响应入射光的小幅正弦调制。在这种情况下，照明可写为 \( I_{\mathrm{light}}(t) = I_{0} + \Delta I \, e^{i\omega t} \)，器件则以随时间变化的电压响应 \( V(t) = V_{\mathrm{oc},0} + \Delta V \, e^{i(\omega t + \phi)} \)。

比值 \[ H(\omega) = \frac{\Delta V(\omega)}{\Delta I(\omega)} \] 定义了复数形式的 IMVS 传递函数，用于刻画器件将调制的光学输入转换为光电压响应的效率。在低频下，电压会紧随光强调制；而在更高频率下，由于有限的载流子寿命与复合通道，响应会发生滚降。虚部达到峰值的频率与有效载流子寿命直接相关， \(\tau \approx 1/(2\pi f_{\mathrm{peak}})\)。

使用 OghmaNano，你可以直接在器件模型上仿真 IMVS，并生成与实验测量可比的 Bode 与 Nyquist 图。这使你能够识别受复合限制的过程，评估接触与传输层的影响，并将观测到的寿命与微观物理联系起来。与 IS 和 IMPS 类似，这些仿真允许你在投入实验之前先在虚拟环境中检验假设。

2. 开始使用

首先打开 新建仿真 窗口（见 ??），并选择 有机太阳能电池 分类。该分类包含一组演示 OPV 器件，可作为 IMVS 研究的现成起点。在可用模板列表中（见 ??），选择一个 PM6:Y6 示例器件（例如 PM6:Y6_E6_0hrs）。该模板已预配置合理的默认设置，使你无需从零开始构建完整器件结构即可立即运行 IMVS。

OghmaNano“新建仿真”窗口显示分类；突出显示“有机太阳能电池”。 — *新建仿真* 窗口 —— 打开 **有机太阳能电池** 分类。

模板列表显示 PM6:Y6 演示器件；其中一项提供预配置的 IMVS 设置。 — 模板列表：选择一个 **PM6:Y6** 器件以运行 IMVS 仿真。

3. 检查 IMVS 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 IMVS 选项卡（强度调制光电压谱）。

检查 频率网格 以查看将要仿真的频率点（??）。在此示例中，网格以离散点形式列出（若你希望匹配特定实验频率会很有用），你也可以通过设置起止频率与最大点数来定义连续范围。要改变点间距，请调整 Multiply 因子：大于 1 的值（例如 1.05）给出几何间隔，而小于 1 的值会压缩间距。

IMVS 选项卡中的 FX 域编辑器，显示列出频率点的频率网格表。 — **频率网格** 选项卡：为 IMVS 仿真定义频率点或范围。

IMVS 的配置选项卡：仿真类型、网格点、“激励方式：光”、“测量：电压”以及光强调制深度。 — 配置选项卡：设置 *激励方式* = 光，测量 = 电压，选择调制深度及其他选项。

电路选项卡显示等效电路设置为开路以用于 IMVS 仿真。 — 电路选项卡：定义工作条件。对于 IMVS，电路设置为开路，因为该技术在无外部负载情况下测量光电压动力学。

这些设置共同定义了一次 IMVS（强度调制光电压谱） 运行。在 频域编辑器 中你会看到仿真类型标注为 IMVS，尽管你可以按自己的意愿命名项目本身。使该设置成为 IMVS 的，是一组特定条件的组合：激励采用光，响应以电压测量，光强调制深度 设置为 0.1 V，并且在电路选项卡中负载固定为开路。这些设置共同复现实验中进行 IMVS 的方式——对光施加小幅正弦调制，并在开路条件下跟踪由此产生的光电压。

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）都会显示为 仿真类型 功能区中的可选按钮。在运行 IMVS 仿真之前，请检查 IMVS 按钮已被选中（处于按下状态）；否则软件可能会尝试运行不同模式（见 ??）。

OghmaNano 的仿真类型功能区显示 IMPS、IMVS、IS 等按钮；IMVS 被高亮以指示应当选择。 — 仿真类型功能区：开始仿真前请确保已选择 **IMVS**。

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（??）。作为快捷方式，当主窗口处于活动状态时也可以按 F9。

IMVS 运行完成后，切换到输出选项卡查看生成的结果（??）。关键文件包括 fx_real.csv、fx_imag.csv、fx_phi.csv 以及 real_imag.csv，可用于绘制电压响应的 Bode 与 Nyquist 图。其他 CSV 文件（例如 fx_abs.csv、fx_C.csv、fx_R.csv）提供进一步的分析选项。

OghmaNano 主窗口显示器件结构，并高亮“运行仿真”按钮。 — 主窗口：点击 **运行仿真** 开始 IMVS 计算。

OghmaNano 的输出选项卡显示 IMVS 结果文件，如 fx_real.csv、fx_imag.csv、fx_phi.csv 和 real_imag.csv。 — 输出选项卡：IMVS 结果文件（例如 `fx_real.csv`、`fx_imag.csv`、 `fx_phi.csv`、`real_imag.csv`）保存在此处用于分析。

5. 读取 Bode 与 Nyquist 图

IMVS Bode 图：实部（同相）光电压响应随频率变化；低频平台与高频滚降。 — Bode（实部）：同相光电压，\(\mathrm{Re}[V]\) 与频率的关系（`fx_real.csv`）。

IMVS Bode 图：虚部（反相）光电压在约 0.1–0.3 MHz 附近出现清晰峰值。 — Bode（虚部）：反相光电压，\(\mathrm{Im}[V]\) 与频率的关系（`fx_imag.csv`）。

IMVS Bode 图：光电压响应相位在 MHz 范围内升至约 ~80°。 — Bode（相位）：\(V\) 的相位与频率的关系（`fx_phi.csv`）。

IMVS Nyquist 图（−Im(V) 对 Re(V)），显示单一半圆，顶点在约 120–200 kHz 附近。 — Nyquist：−Im(V) 对 Re(V)，带频率标记（`real_imag.csv`）。

IMVS 运行完成后，在输出选项卡中双击输出文件即可打开图形。查看任何图形时，按 L 可切换对数 y 轴，按 Shift+L 可切换对数 x 轴——便于跨越多个数量级的频率范围。每个文件对应开路条件下电压响应的一种视图：

fx_real.csv — Bode（实部） （??）：背景：实部是同相光电压，即随光上升/下降且无延迟的分量。对该器件的解读：曲线在低频处显示稳定平台，约为 \(\sim 2.5\ \text{mV}\)，这意味着准静态的 \(V_\mathrm{oc}\) 与光强调制高度一致。当频率高于约 \(10^5\)–\(3\times10^5\ \text{Hz}\) 时，响应向零滚降，表明器件无法在快速调制下维持光电压——这与有限的复合寿命与 RC 带宽一致。
fx_imag.csv — Bode（虚部） （??）：背景：虚部是反相光电压，并在系统最强储存/释放电荷的频段达到峰值。解读：在 \(1.2\!\times\!10^5\)–\(2.0\!\times\!10^5\ \text{Hz}\) 附近出现清晰最大值。峰值频率可用于估算有效载流子寿命： \(\tau \approx 1/(2\pi f_\text{peak})\)，得到 \(\tau \approx 0.8\text{–}1.3\ \mu\text{s}\)。中等的峰值高度表明存在单一主导复合通道，而非多个重叠过程。
fx_phi.csv — Bode（相位） （??）：背景：相位表示电压相对于光强调制的滞后程度（0° = 纯电阻/瞬时；更大角度 = 更电容性/更慢）。解读：相位从低频接近 0° 上升到 0.1–3 MHz 范围内的 ~\(80^\circ\)，与虚部较大的频段一致。这确认了在 IMVS 峰值附近存在强电容性、寿命受限的响应。
real_imag.csv — Nyquist （??）：背景：将 −Im(V) 对 Re(V) 作图，把相同动力学映射到复平面；半圆通常指示类 RC 过程。解读：该图显示单一且形状良好的半圆，其顶点标注在 \(120\text{–}200\ \text{kHz}\) 附近。右侧截距（低频极限）对应准静态光电压摆幅，左侧截距（高频极限）趋近于零，因为器件无法快速建立电压。单一弧形与 Bode 图推断的 \(\sim 1\ \mu\text{s}\) 寿命相互印证。

总体而言，这些 IMVS 结果表明器件在低频下能很好地跟随光强调制，随后过渡到寿命受限区域，其特征时间尺度约为 \(1\ \mu\text{s}\)，对应 \(10^5\)–\(2\times10^5\ \text{Hz}\) 附近。实部/虚部 Bode 图、相位上升以及 Nyquist 半圆之间的一致性表明，单一主导复合过程设定了开路光电压的动态极限。

下面给出了 IMVS 输出文件及其含义的速查表。

文件名	内容
`fx_real.csv`	同相（实部）光电压与频率的关系，即 \(\mathrm{Re}[V(f)]\)。
`fx_imag.csv`	反相（虚部）光电压，\(\mathrm{Im}[V(f)]\)；峰值指示主导寿命。
`fx_phi.csv`	IMVS 响应的相位 \(\phi(f)\)，显示 \(V\) 相对于光强调制的滞后。
`real_imag.csv`	Nyquist 视图的光电压：−Im(V) 对 Re(V)，沿弧线标注频率点。
`fx_abs.csv`	IMVS 响应的幅值 \(\|V(f)\|\)（绝对光电压）。
`fx_C.csv`	由调制分析得到的小信号（微分）电容谱。
`fx_R.csv`	有效微分电阻随频率变化，可用于 RC 时间常数估算。

📝 检查你的理解（IMVS）

Bode（实部）图中的低频平台揭示了器件在稳态照明下如何维持其开路电压？
如何将 Bode（虚部）谱中的峰值与特征载流子寿命或复合速率联系起来？
为何 Bode（相位）曲线在高频处向正角度移动，这对延迟的电压响应意味着什么？
Nyquist 图中的半圆代表什么，其直径与位置如何与复合动力学联系起来？
提高或降低光强会如何影响 IMVS 响应，驱动这些变化的物理过程是什么？

💡 任务：探索 IMVS 在不同物理与工作条件下的响应：

寄生电阻： 在电学功能区中打开 寄生元件 编辑器。将 并联电阻 提高到非常大的值（例如 \(10^{12}\ \Omega\)），然后降低到 100 Ω 或 10 Ω，并重新运行 IMVS 仿真。
载流子迁移率： 在器件结构的 电学参数 编辑器中，修改电子与空穴迁移率。尝试将它们提高两个数量级，并记录对 IMVS 谱的影响。
照明强度： 在光学选项卡中，将光照水平从 1 sun 切换到暗态。对比两种条件下的 IMVS 结果。

✅ 预期结果

并联电阻： 高并联电阻会抑制漏电，从而得到清晰的 Nyquist 半圆。当并联电阻较低（100 Ω 或 10 Ω）时，漏电通道会使弧形变平并降低整体光电压幅度。
载流子迁移率： 更高的迁移率会加快载流子抽取，使 IMVS 峰值移动到更高频率。例如，若虚部峰值从 \(1\times10^5\ \text{Hz}\) 移动到 \(3\times10^5\ \text{Hz}\)，推断寿命将从 \(\tau \approx 1.6\ \mu\text{s}\) 缩短到 \(\tau \approx 0.5\ \mu\text{s}\)。较低迁移率则相反：峰值向低频移动，意味着响应更慢。
照明： 在暗态下，没有可测的 IMVS 响应（无光电压）。在 1 sun 下，会出现明显的弧形：峰值频率给出复合寿命，对 OPV 而言通常在 \(0.5\)–\(2\ \mu\text{s}\) 范围内。改变照明强度也可能改变弧形大小，反映不同的复合动力学。

6. 总结与后续步骤

在本教程中，你在 OghmaNano 中设置并运行了 IMVS（强度调制光电压谱）——以光作为激励、测量电压、采用较小的调制深度，并在开路条件下运行。你学习了如何读取光电压响应的 Bode 与 Nyquist 图：低频平台表明 \(V_\mathrm{oc}\) 跟随照明；中频峰值（以及 Nyquist 半圆的顶点）识别主导的动力学时间尺度，满足 \(\tau \approx 1/(2\pi f_\text{peak})\)；高频滚降反映器件的 RC/输运带宽。相同流程适用于 OPV、钙钛矿、叠层、光探测器与 LED，只要关注开路光电压动力学。如需更深入分析，可导出 CSV 文件（fx_real.csv、fx_imag.csv、fx_phi.csv、real_imag.csv）以提取寿命、拟合等效电路或动力学模型、与实验对标，并与 IMPS/IS 交叉验证以区分复合与收集及接触效应。