钙钛矿太阳能电池教程——模拟 EQE
1. 简介
外量子效率（EQE） 描述太阳能电池在每个波长下将入射光子转换为被收集电荷载流子的效率。换言之，它表示给定能量的光子对光生电流作出贡献的概率。实验上，EQE 是太阳能电池最广泛使用的表征技术之一，可在整个太阳光谱范围内提供关于吸收、载流子收集以及损耗的详细信息。
对于 钙钛矿器件，EQE 尤其有用，因为尖锐的吸收边——以及任何额外的光学损耗——会直接反映材料质量、层厚是否合适以及光在器件堆叠中的干涉情况。在本教程中，你将使用 OghmaNano 模拟 EQE、绘制光谱、比较不同器件堆叠，并将模型与测得的 EQE 进行对照。
2. 为 EQE 设置仿真
首先启动 OghmaNano。在主窗口中点击 新建仿真。 可用器件类型库将如 ?? 所示出现。 双击 钙钛矿电池 类别以访问示例器件。在钙钛矿文件夹中，你将看到一组预构建的示例仿真，例如 MAPbI₃ 器件 以及包含离子效应的变体（冻结离子、CELIV 等）。 选择 钙钛矿太阳能电池 - 冻结离子（MAPI） 示例，如 ?? 所示
💡 提示： 请确保选择 钙钛矿太阳能电池 - 冻结离子（MAPI）——“冻结离子”这一点很重要，稍后会解释。
在运行仿真之前，进入 仿真类型 选项卡并切换 从默认的 钙钛矿滞后 模式到 EQE 模式。这样将把仿真设置为可进行 EQE 计算的状态。
3. 运行仿真
将仿真模式更改为 EQE 后，进入文件选项卡。点击 运行仿真 按钮（蓝色播放图标）或按 F9 运行计算。 运行结束后，进入 Output 选项卡，你将看到 EQE 仿真生成的文件。
E_eqe.csv 和 E_iqe.csv。
仿真完成后，进入 Output 选项卡。双击 eqe.csv
可绘制波长与 EQE 的关系（见
??）。
如果双击 E_eqe.csv，将看到光子能量与 EQE 的关系图（见
??）。
eqe.csv — 波长 与 EQE 的关系图。
该图展示了仿真生成的 EQE 光谱随波长的变化。
e_eqe.csv — 光子能量 与 EQE 的关系图。
这是以能量（eV）表示的 EQE 光谱，同样由本次运行生成。
原则上，这就是运行 EQE 仿真所需的全部步骤。相同技术适用于任何器件类别（例如硅或有机太阳能电池）：只需点击 EQE 按钮，运行仿真，就会生成 EQE 光谱。由于本教程使用的是包含 可移动离子 的钙钛矿太阳能电池，还需要考虑一些额外细节。如果你想理解这些细节，请继续阅读。
4. 更多细节
当你按下播放按钮并运行 EQE 求解器时，它分三步进行。 第 1 步： 将器件斜坡到进行 EQE 测量所需的反向偏置电压；（你可以通过 EQE 编辑器设置该电压：主窗口 → Editors → EQE → EQE Voltage）；第 2 步： 在感兴趣的波长范围内运行光学求解器，以计算器件内的光子分布（见 ??）。 第 3 步： 在目标偏置下使用这些光学结果执行 EQE 计算本身（见 ??）。运行求解器时你可以看到计算的不同阶段。
运行 EQE 仿真的电压可在 EQE 编辑器 中设置（见 ??）。 在此 EQE Voltage 参数定义计算所用的偏置，并且 该编辑器可从主窗口的 Editors 功能区访问。 在更负的电压下运行 EQE 的优势在于可最小化载流子 复合的影响。越接近零伏，尤其进入正向偏置时， 仿真将包含越来越多的复合。在该工作区间，结果将不再是 对本征 EQE 的干净测量。
5. 钙钛矿中的 EQE
🔧 高级细节： 下文解释 OghmaNano 如何使用 Lua 微代码在 EQE 计算期间控制可移动离子求解器。 运行 EQE 仿真不需要理解这些内容，但如果你想了解 “底层”发生了什么或自定义求解器行为，请继续阅读。
钙钛矿太阳能电池包含 可移动离子，因此任何测量都会改变离子分布，并使 EQE、JSC 或 VOC 等参数依赖于历史。实验上，常见做法是将器件斜坡到设定电压，允许离子稳定，然后进行测量。在本仿真中我们复现该流程：斜坡期间离子可自由移动，一旦达到目标偏置就冻结离子，并快速计算 EQE，使离子分布不再受到进一步扰动。这与领域中的良好实践一致，即在稳定之后并在定义的电压历史下测量 EQE，如社区指南（Khenkin 等，Nat. Energy 2020）和 IEC 60904 等国际光伏标准所建议。
在含 可移动离子 的钙钛矿中，EQE 和效率等参数可能依赖于 器件的电压历史。获得一致 EQE 有两种实用方法： (i) 临时完全禁用可移动离子求解器（见 Electrical 选项卡），或 (ii) 在偏置斜坡期间保持离子可移动以使其弛豫，然后仅在 计算 EQE 时将其 冻结。后者通过 drift-diffusion 微代码 编辑器控制 （见 ??）。
实际上，在 OghmaNano 中运行 EQE 时处理可移动离子有两种方法。 第一种是完全禁用可移动离子求解器。这可以在主窗口的 Electrical 功能区中通过取消按下 Perovskite ion solver 按钮来完成，该按钮位于 ?? 所示菜单下方。 这种做法的缺点是完全忽略离子运动。
第二种、更微妙的方法是让离子在缓慢的电压斜坡期间保持可移动， 使其稳定到准平衡分布，然后仅在 EQE 测量开始时“冻结”它们。这等效于实验上施加缓慢的负电压 斜坡让离子沉降，然后在离子来得及移动之前非常快速地测量 EQE。 在提供的仿真中，这是通过一个小型 Lua 脚本默认实现的。
要查看或编辑该行为，请进入 Electrical 功能区，打开 Drift diffusion 按钮右侧的菜单，并点击 Edit microcode（见 ??）。 这将打开脚本编辑器窗口 （??）， 其中显示控制求解器的 Lua 代码。关键代码行会在 运行 EQE 计算时关闭离子求解器，但在电压斜坡期间保持开启。这确保离子 在计算 EQE 前达到平衡，从而得到一致且物理上合理的结果。 同样的技巧也可应用于 JV 曲线或其他实验。
📝 任务 1 —— EQE 随偏置变化
目标： 观察偏置如何影响 EQE，以及为什么更负的电压会抑制复合伪影。
- 打开 EQE 编辑器：主窗口 → Editors → EQE。
- 将 EQE Voltage 设为
-1V 并运行 EQE 仿真。 - 扫描以下电压，每次重新运行 EQE 并保存光谱：
+1 V → +0.5 V → 0 V → −1 V → +3 V → +5 V。 （正向偏置，例如 +3 V 和 +5 V，将有意增加复合并降低 EQE。） - 叠加光谱并记录曲线分歧最大的区域（靠近吸收边、长波滚降等）。
预期观察/结果
- 在 −1 V 下，EQE 通常最高且最平滑（收集增强；复合最小）。
- 在 0 V（JSC） 下，EQE 通常相较 −1 V 略有降低，尤其在带边附近。
- 在 +0.5 V 和 +1 V 下，复合增加会进一步降低 EQE。
- 在更强正向偏置（+3 V、+5 V）下，EQE 可能急剧下降，并且可能不再代表本征 EQE（变为复合受限）。
- 对偏置最敏感的波长区域通常是长波尾部（此处吸收较弱且载流子收集最关键）。
🧪 任务 2 —— 在 JSC 下改变复合的 EQE
目标： 定量评估短路条件下复合如何影响 EQE 光谱。
- 在 EQE 编辑器中将 EQE Voltage 设为
0V（即 JSC）。 - 在器件的 Electrical parameters 中，找到陷阱辅助（SRH）复合设置（例如载流子寿命、俘获截面或缺陷密度）。
- 运行三次仿真：
- 基线：当前/默认复合参数。
- 更高复合：将 SRH 速率提高约 ×10（更短寿命或更大截面）。
- 更低复合：将 SRH 速率降低约 ÷10（更长寿命或更小截面）。
- 比较三条 EQE 光谱（关注长波起始以及光学干涉峰附近的任何特征）。
预期观察/结果
- 更高 SRH 复合 → EQE 降低，在吸收边附近以及产生较弱的区域最明显。
- 更低 SRH 复合 → EQE 更接近由吸收/光学决定的光学“上限”。
- 变化可能会模拟厚度/光学效应；请同时使用
eqe.csv（λ 域）与e_eqe.csv（E 域）进行诊断。
ℹ️ 说明： 为了获得干净的 EQE 提取，优先选择轻微反向偏置（例如 −1 V）以最小化复合。 正向偏置条件（+3 到 +5 V）用于示意，但通常 不 代表本征 EQE。
✅ 你学到了什么
- 如何在 OghmaNano 中设置并运行 EQE 仿真。
- 在哪里找到并绘制结果（
eqe.csv和e_eqe.csv）。 - 为什么钙钛矿由于可移动离子需要特殊处理。
- 如何选择 EQE 电压，以及为什么更负的电压能最小化复合。
- 处理可移动离子的两种方法：完全禁用，或仅在 EQE 步骤期间冻结。