利用pySIMsalabim Python包扩展漂移扩散模型（SIMsalabim）在钙钛矿及有机半导体器件研究中的应用

《Computer Physics Communications》：pySIMsalabim: a Python package to extend drift-diffusion modelling with SIMsalabim

本文介绍并演示了pySIMsalabim——一个旨在通过Python扩展漂移-扩散仿真器SIMsalabim功能的强大工具包。该工具包提供了多种工具，用于设置和运行仿真、分析和可视化结果，并实现了多种常见实验技术（如稳态/瞬态电流电压（JV）扫描、外量子效率（EQE）、阻抗谱（IS）和电容-电压（CV）分析）的数值模拟。它为将漂移-扩散建模与机器学习等框架结合提供了接口，有助于更深入地理解钙钛矿等半导体器件的物理机制、挑战和限制，并改进其性能。

　　

重点：

项目结构、实现与性能

pySIMsalabim的核心设计原则是严格区分核心漂移-扩散求解器与面向用户的功能。这种分离保持了求解器的独立性。pySIMsalabim作为包裹SIMsalabim的一层外壳，极大地扩展了其功能，并为用户提供了通过Python交互的接口。通过这种方式，编译后求解器的科学可靠性、物理准确性及速度得以保留，同时Python的灵活性、易用性和庞大的生态系统也得到了充分利用。

该软件包的结构旨在实现模块化和灵活性，其核心是三个主要类别：

1. 1.
   Simulation：作为SIMsalabim的封装器，管理与输入文件生成、程序执行和输出数据收集相关的所有方面。它允许用户动态修改仿真参数，并可选择并行运行多个仿真。这简化了自动化工作流程，例如参数扫描或优化算法。
2. 2.
   Experiments：包含一系列类，用于数值模拟各种实验技术。这是pySIMsalabim的关键新增功能。每个类都封装了模拟特定实验（如稳态电流-电压（JV）扫描）所需的所有步骤和物理过程。这些类建立在Simulation类之上，进一步简化了特定类型仿真的设置和运行。
3. 3.
   Post-Processing and Utilities：包含用于后处理和可视化结果的函数和工具。此外，还提供了用于分析、绘图以及将数据与机器学习框架集成的实用工具。

这种结构确保用户可以根据需要与不同层次的抽象进行交互：从使用Experiment类快速设置特定模拟，到使用Simulation类进行更精细的控制，再到直接使用后处理工具进行自定义分析。

在性能方面，pySIMsalabim通过将计算密集型的漂移-扩散求解任务委托给高性能、编译的SIMsalabim可执行文件（SimSS用于稳态求解，ZimT用于瞬态求解）来最大化效率。Python层主要负责输入/输出管理、参数化以及结果后处理。这种分工在保持物理模型求解速度的同时，也获得了高级脚本语言的易用性和灵活性。对于涉及大量仿真的任务，如参数扫描或全局拟合，该包支持并行执行，可以显著减少总体计算时间。

实验实施

为了演示和开发实验的物理实现，我们将使用一个典型的钙钛矿太阳能电池或一个典型的金属-绝缘体-半导体（MIS）二极管作为参考器件。这里，我们将首先描述并展示稳态和瞬态JV扫描，然后是EQE、IS和CV实验。需要指出的是，虽然参考器件是纯模拟器件，并不对应任何真实实验数据，但其中使用的参数集是根据典型文献值选择的，旨在产生物理上合理的、能反映常见器件行为的模拟结果。

稳态与瞬态JV扫描

电流-电压（JV）特性测量是表征半导体器件性能最基本、最常见的实验。在pySIMsalabim中，JVsteady和JVtransient类分别用于模拟稳态和瞬态JV扫描。稳态扫描通过在设定的电压范围内逐步改变偏压，并计算每个电压下的稳态电流密度来实现。瞬态扫描则模拟了电压阶跃变化后的时间响应，这对于研究载流子动力学、电容效应或离子迁移等现象至关重要。模拟的JV曲线可用于提取关键器件参数，如开路电压（V_OC）、短路电流密度（J_SC）、填充因子（FF）和能量转换效率（PCE）。

外量子效率

外量子效率（EQE）测量器件在不同波长单色光照射下产生的电荷载流子数与入射光子数的比值，反映了器件的光电转换效率随波长的变化。在pySIMsalabim中，EQE类通过结合SIMsalabim中的传递矩阵法（TMM）光学模型来计算EQE光谱，该模型能精确计算器件各层的光学吸收剖面。模拟允许研究活性层材料带隙、层厚度、光学干涉效应等对器件光谱响应的影吿。

阻抗谱

阻抗谱（IS）是一种通过施加小幅交流电压扰动并测量器件阻抗随频率响应来探测器件内部物理过程的技术。它对研究载流子传输、复合、离子迁移以及界面特性非常敏感。pySIMsalabim中的ImpedanceSpectroscopy类通过执行一系列小的交流电压扰动叠加在直流偏压上的瞬态仿真来计算复阻抗。得到的奈奎斯特图或波特图可以与等效电路模型拟合，以提取诸如串联电阻、复合电阻、化学电容等物理参数。

电容-电压分析

电容-电压（CV）测量通过在不同直流偏压下测量器件的小信号电容，来探测器件的掺杂分布、载流子浓度以及缺陷态信息。对于具有离子迁移的器件（如钙钛矿太阳能电池），CV分析尤为重要。pySIMsalabim中的CapacitanceVoltage类通过计算在直流偏压上叠加小交流扰动时，器件电荷对电压的微分（dQ/dV）来获得电容。模拟的CV曲线可用于分析耗尽区宽度、离子迁移导致的低频电容响应以及陷阱态的特征。

结论