大面积钙钛矿组件教程 B部分：运行仿真并检查输出

大面积组件仿真比单器件漂移–扩散运行更复杂，因此值得观察求解器在做什么。 在这个示例中，OghmaNano 分两个主要阶段运行仿真： (i) 光学求解器（3D 光学计算），然后 (ii) 电学电路求解器（电路网格上的基尔霍夫电流/电压方程）。 终端输出是你及早发现问题的最快方式（例如，断开的电路或缺失的接触）。

步骤 1：运行仿真

点击 ?? 中所示的 Run simulation 按钮（蓝色三角形）。 该仿真需要一些时间才能运行完成（它会先执行 3D 光学阶段，然后再执行大规模电路求解）。 在运行期间，请留意 Terminal 选项卡，因为它会提供关于收敛性和电流的实时信息。

步骤 2：理解终端输出在告诉你什么

对于这些复杂仿真，终端输出并不是“噪声”——它是一种诊断信息。在 ?? 中，你可以看到求解器最初运行的是光学阶段。 这可能需要一些时间，因为它是在 3D 中求解。光学产生准备完成后，求解器会开始电学阶段，并为每个偏压点打印一行信息。

一条关键输出行看起来像这样（格式会根据设置略有不同）：

• 接触电压：例如，ground = 0.00 V 表示地接触保持在 0 V；change = 0.10 V 表示另一个接触位于 0.10 V。
• 接触电流：例如，一个接触上为 1.58e+03 A/m^2，另一个接触上为 -1.19e+03 A/m^2，表示电流流入一个接触并从另一个接触流出。 在 0 V 时，这本质上就是该组件的短路电流密度（J_SC），因为器件在受光照并在零外加电压下输出电流。
• 收敛度量：打印出的 f() 值是电学求解的求解器误差/残差（整个电路网格上的基尔霍夫定律方程）。 你可以将其粗略理解为整个网络中“电路方程满足得有多好”。
• 每步时间：该行末尾的最后一个数字（毫秒）是求解该偏压点所花费的时间。

在扫描开始附近（特别是在接近 0 V 时），你通常会看到较大的误差，而随着求解器远离该点，误差可能会下降。 经验上，当求解器达到 10^-4 或更小的误差时，我会更信任结果， 理想情况下，对于“干净”的收敛应达到 10^-9。 （在这里展示的示例日志中，你可以看到随着扫描推进，误差呈下降趋势。）

在 ?? 中，你可以看到一个非常有用的现象： 在扫描的大约中段，地接触上的电流改变了符号，而 change 接触上的电流则朝相反方向改变符号。 这种符号翻转正是当扫描经过 V_OC 时所期望看到的：低于 V_OC 时，受光照器件输出功率； 高于 V_OC 时，它处于正向偏置状态，并像二极管一样消耗功率。 换句话说，你通常可以直接在接触电流列中“看到”JV 曲线正在形成。

步骤 3：检查输出文件

当仿真完成后，Output 选项卡将包含一组类似 ?? 所示的文件。 本教程这一部分的关键结果是接触 JV 曲线： jv_contact0.csv 和 jv_contact1.csv。 这些文件包含每个接触上的电流密度随外加电压变化的关系。

双击 jv_contact0.csv 和 jv_contact1.csv 以绘制它们。示例图显示于 ?? 和 ??。 放大视图（有助于读取 V_OC 以及拐点附近的曲率）显示于 ??。

步骤 4：检查求解器网格和电路表示

大面积仿真可能因为几何原因而失败（接触放置错误、区域缺失、意外间隙），因此了解应该查看哪里很有用。 特别是：

• device.csv - 这是求解器实际“看到”的网格视图。GUI 中渲染精美的 3D 视图并不是求解器内部使用的内容。 求解器是在一个更基础的三角形表示上运行的，如果几何结构有问题，通常会在这里表现出来。
• electrical_links.csv - 列出电路连线（连接节点的元件：电阻路径 / 二极管连接等）。
• electrical_nodes.csv - 列出求解中使用的基尔霍夫节点（电流求和为零的点）。

这些文件的示例视图显示于 ??、 ?? 和 ??。 从概念上讲，这与求解一个标准电路是一样的：节点 + 连线 + 基尔霍夫定律——只是规模大得多。

步骤 5：定位光学设置（Transfer Matrix）

该组件仿真包含光学产生，你可以在 Optical 功能区中找到光学工具 （??）。 点击 Transfer Matrix 以打开 Transfer Matrix 窗口。

重要：在本教程中不要从这里运行 Transfer Matrix 工具。 Transfer Matrix 窗口本质上是穿过堆栈的一个1D视图，而该仿真是3D的。 它对于配置以及检查材料/堆栈设置是否合理很有用，但不能替代你刚刚运行的完整 3D 光学阶段。 现在，请打开它并点击 Configure——在 C部分 中，当我们开始进行受控更改时，会使用这个入口点。

步骤 5：定位光学设置（Transfer Matrix）

该组件仿真包含光学产生，你可以在 Optical 功能区中找到光学工具 （??）。 点击 Transfer Matrix 以打开 Transfer Matrix 窗口。

重要：在本教程中不要从这里运行 Transfer Matrix 工具。 Transfer Matrix 窗口本质上是穿过堆栈的一个1D视图，而该仿真是3D的。 它对于配置以及检查材料/堆栈设置是否合理很有用，但不能替代你刚刚运行的完整 3D 光学阶段。

相反，请点击 Configure（齿轮）选项，以打开 ?? 所示的光学配置面板。

Photon efficiency 与太阳能电池二极管方程

Photon efficiency（在这一简化语境中有时也称为内部量子效率因子）是一个标量乘子， 它告诉模型：被吸收的光子中有多少比例真正产生了可提取的载流子（电子和空穴）。 如果 photon efficiency 为 0，则没有光电流。如果它为 1，那么（在这一简化图景中） 每个被吸收的光子都对光电流有贡献。在大多数真实器件中，约 0.6 的数值是一个合理的量级。

用二极管语言来说，你可以将其看作对受光照二极管方程中光电流项的缩放：

这里，\(J_0\) 是二极管饱和电流密度，\(n\) 是理想因子，而 \(J_{\mathrm{ph}}\) 是由光学模型预测的光电流密度 （即由吸收光子/产生计算得到）。参数 \(\eta_{\mathrm{ph}}\) 是来自 ?? 的Photon efficiency， 它只是简单地对光电流项的贡献进行缩放。 设置 \(\eta_{\mathrm{ph}}=0.6\) 在这个有效模型中意味着“60% 的吸收光子转化为可提取载流子”。

在实际中：如果你的仿真 \(J_\mathrm{SC}\) 与实验严重不匹配，并且你确信电路模型的电学部分是合理的， 那么 \(\eta_{\mathrm{ph}}\) 是你可以用来使绝对电流水平与实验对齐的最快调节旋钮之一。它极不可能大于 1； 如果你发现需要 \(\eta_{\mathrm{ph}} > 1\)，这通常说明其他地方有问题（例如，光学常数 / 吸收系数不一致）。