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COMSOL Multiphysics ® 5.2a版本為半導體模組用戶提供了一個全新的App,可用於評估位於特定時間和地點的太陽能電池的設計參數。改進了理想肖特基結,熱電子發射和連續準費米能階邊界條件,在提升模型精度的同時節約計算時間和記憶體。下文將詳細介紹半導體模組的具體更新內容。

 

App:矽太陽能電池和幾何光學

矽太陽能電池和幾何光學”App 耦合了幾何光學模組半導體模組,可評估位於特定時間和地點的太陽能電池的性能。幾何光學模組計算得到特定時間地點下的平均太陽輻照數據,該特定時間和地點可由用戶指定。然後,半導體模組計算得到太陽能電池的歸一化輸出,用戶可以指定太陽能電池的具體設計參數。

假設太陽能電池的輸出和輻照之間存在簡單的線性關係,太陽能電池歸一化的輸出特性乘以幾何光學計算得到的平均太陽輻照數據,即可得到特定時間和地點下的太陽能電池的輸出特性。然後用戶就可以計算出太陽能電池的效率以及一天中的發電量。

底層模型包含一維矽PN 結,並且考慮載流子產生和Schockley-Reed-Hall 複合。採用澱積在發射區(n 摻區)上的薄歐姆接觸來模擬接地陽極,同樣,採用澱積在基區(p 摻區)上的理想歐姆接觸來模擬陰極,該歐姆接觸同外電路相連。

矽太陽能電池和幾何光學”App應用資料庫路徑:Semiconductor_Module/Applications/solar_cell_designer

備註:需要同時有半導體模組幾何光學模組的許可才能運行該App

“矽太陽能電池和射線光學”App 的用戶界面,顯示計算結果和太陽位置。

矽太陽能電池和幾何光學”App 的用戶界面,顯示計算結果和太陽位置。

 

理想肖特基型金屬接觸邊界條件的增強性能

COMSOL Multiphysics ® 5.2及之前的版本中,理想肖特基型金屬接觸邊界條件採用常數外插方案,這需要在邊界附近採用非常精細的網格生成才能獲得可接受的計算精度。5.2a版本採用高階外插方案,以便在沒有採用極為精細網格的條件下也能獲得更好的計算精度。例如,在一個均勻材料和電流密度的矩形區域左邊界採用理想肖特基邊界條件,下圖是兩種不同網格下的COMSOL Multiphysics® 5.2a的模擬結果,可見兩種不同網格都得到了非常精確的結果,兩者幾乎沒有差別。

理想肖特基左邊界沒用採用非常精細的網格。
理想肖特基左邊界沒用採用非常精細的網格。
理想肖特基左邊界採用了非常精細的網格。
理想肖特基左邊界採用了非常精細的網格。
即便沒有採用細化網格時,電流密度的仿真結果也是高度一致的(注:最小和最大值的小數點後5 位都是完全一樣的)。
即便沒有採用細化網格時,電流密度的仿真結果也是高度一致的(注:最小和最大值的小數點後5 位都是完全一樣的)。
非細化網格和細化網格得到的結果幾乎完全一樣。
非細化網格和細化網格得到的結果幾乎完全一樣。

異質接面的熱電子發射邊界條件的改進性能

COMSOL Multiphysics ®先前版本中,同理想肖特基邊界條件一樣,異質接面的熱電子發射邊界條件採用了常數外插方案,這需要在邊界處採用非常精細的網格生成才能獲得可接受的計算精度。5.2a版本採用高階外插方案,以便在沒有採用極為精細網格的條件下也能獲得更好的計算精度。

 

連續準費米能階異質接面邊界條件的增強功能

COMSOL Multiphysics ®現在支援在連續準費米能階異質接面邊界條件中採用費米-狄拉克分佈。

 

5.2及之前的版本中,連續準費米能階邊界條件只能採用麥克斯韋-玻爾茲曼分佈。

 

5.2a版本中,邊界條件中也支援費米-狄拉克分佈,因此異質接面處可得到更精確的模擬結果,如下圖所示。

連續準費米能級的異質結邊界處採用費米-狄拉克分佈,計算得到的能級如預想的一樣位於零能級。

連續準費米能階的異質接面邊界處採用費米-狄拉克分佈,計算得到的能級如預想的一樣位於零能級。

 
相鄰電荷守恆域中採用更為精確的靜電公式

COMSOL Multiphysics ® 5.2a版本對相鄰的電荷守恆域中採用改進的靜電公式,以便得到更為精確的模擬結果。

 

這對於模擬相鄰的不同絕緣(介電)材料非常有用,可以考慮相鄰計算域中不同介電常數的影響,如下圖所示。

在5.2a 版本中,靜電物理場接口(左圖)和“半導體模塊”(右圖)的計算結果一致。

5.2a版本中,靜電物理場介面(左圖)和半導體模組(右圖)的計算結果一致。

 

優化的研究設置可加速雙極型電晶體教學模型計算

雙極型電晶體教學案例中的求解設置得到優化,以便節約計算時間。三維模型的計算時間從數天減少到幾個小時,二維模型的計算時間則從一個多小時減少為僅需要幾分鐘。