(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211159829.7 (22)申请日 2022.09.22 (71)申请人 华中科技大 学 地址 430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路 1037号 (72)发明人 谷洪刚　陈林雅　刘世元　 (74)专利代理 机构 华中科技大 学专利中心 42201 专利代理师 孔娜 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) (54)发明名称 一种跨尺度光电器件快速光学仿真方法和 系统 (57)摘要 本发明属于光电器件技术领域， 并具体公开 了一种跨尺度光电器件快速光学仿真方法和系 统， 其包括： S1、 根据光电器件各膜层区域的尺寸 划分功能层和非功能层； S2、 对功能层， 判断其复 杂特征类型， 采用相应的物理光学仿真方法处理 复杂特征， 得到界面处的光学特性； S3、 根据光电 器件的功能判断该光电器件是有源器件还是无 源器件， 进而确定光源特性； S4、 根据光源特性以 及界面处的光学特性， 并对非功能层采用几何光 学仿真方法， 计算整个光电器件的光学特性参 数， 完成对光电器件的快速光学仿真。 本发明针 对实际三维跨尺度光电器件中可能存在的复杂 特征建立了快速光学模拟方法， 能够反映器件光 学性能的变化 规律及趋势。 权利要求书1页 说明书8页 附图6页 CN 115470644 A 2022.12.13 CN 115470644 A 1.一种跨尺度光电器件快速光学仿真方法， 其特 征在于， 包括如下步骤： S1、 根据光电器件各膜层区域的尺寸划分功能层和非功能层； S2、 对功能层， 判断其复杂特征类型， 采用相应的物理光学仿真方法处理复杂特征， 得 到界面处的光学 特性； S3、 根据光电器件的功能判断该光电器件是有源器件还是无源器件， 进而确定光源特 性； S4、 根据光源特性以及界面处的光学特性， 并对非功能层采用几何光学仿真方法， 计算 整个光电器件的光学 特性参数， 完成对光电器件的快速光学仿真。 2.如权利要求1所述的跨尺度光电器件快速光学仿真方法， 其特征在于， 步骤S1中， 功 能层和非功能层的划分方法具体为： 当膜层竖直方向的厚度为纳米级时， 判断为功能层； 当 膜层竖直方向的厚度为 微米级时， 判断为非功能层。 3.如权利要求1所述的跨尺度光电器件快速光学仿真方法， 其特征在于， 步骤S3中， 对 于有源器件， 根据CPS理论计算其光源特性； 对于无源器件， 根据实际工作条件确定外部光 源特性。 4.如权利要求1所述的跨尺度光电器件快速光学仿真方法， 其特征在于， 步骤S4中， 采 用三维偏振光线追迹理论计算坡印廷矢量， 从而得到整个光电器件的远场辐 射光谱， 进而 得到整个 器件的光学 特性参数。 5.如权利要求1所述的跨尺度光电器件快速光学仿真方法， 其特征在于， 所述光源特性 具体指光谱， 所述界面处的光学特性具体为界面处的反射率和透射率； 所述光学特性参数 包括无源器件的短路电流密度、 开路电压， 有源器件的电流效率、 色坐标。 6.如权利要求1 ‑5任一项所述的跨尺度光电器件快速光学仿真方法， 其特征在于， 步骤 S2中， 采用相应的物理光学仿真方法处理复杂特征， 具体为： 对于含有各向异性膜层的界 面， 采用4 ×4矩阵法计算界面的反射率和透射率； 对于相干层中含微纳结构阵列的膜层， 通 过严格耦合波分析方法计算膜层中电磁场的传输； 对于含部分相 干膜层， 采用等相位法构 建光学模型， 在部分相 干层中插入厚度为 随机值的附加层后， 将所有膜层等效为相 干膜层 进行处理， 然后将计算得到的折 射率、 反射率进行平均。 7.一种跨尺度光电器件快速光学仿真系统， 其特征在于， 包括计算机可读存储介质和 处理器， 其中： 所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令； 所述处理器用于读取所述计算机可读 存储介质中存储的可执行指令， 执行权利要求1 ‑6任一项所述的跨尺度光电器件快速光学 仿真方法。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115470644 A 2一种跨尺度光电器件快速光学 仿真方法和系统 技术领域 [0001]本发明属于光电器件技术领域， 更具体地， 涉及一种跨尺度光电器件快速光学仿 真方法和系统。 背景技术 [0002]半导体光电器件是一种利用半导体的光电效应实现光能和电能相互转化的新型 器件， 包括发光二极管(Light  Emitting  Diode,LED)和激光二极管(Laser  diode， LD)， 光 电探测器(Photoelectric  Detector)、 太阳能电池(Photovoltaic， PV)三大类。 其中， 发光 二极管和激光二极管通过电子和空穴复合释放能量， 能将电能转换为光能， 属于有源器件； 而光电探测器和太阳能电池则是利用光生伏特效应实现光能和电能的相互转换， 属于无源 器件。 根据NRE统计的不同技术路线太阳能电池实验室最高转换效率走势显示目前硅基太 阳能电池的效率已突破40％(Iea.World  Energy Outlook 2020)， 有机发光二级管的内量 子效率也已达到100％(Physical  Review B, 2015,92(24),245306)。 大部分光电器件已经 成功走出实验室， 广泛应用于日常生活、 军事领域、 工业 生产等方 方面面。 [0003]自有机发光二极管(Organic  Light Emitting  Diodes,OLED)、 有机太阳能电池 (Organic Photovoltaic， OPV)等光电器件被发现以来， 研究者们通过不断调整其器件结构 以及材料特性， 器件的性能和寿命不断得到提升。 材料 的革新往往会带来器件质量质的飞 跃， 但是新材料的研发周期长， 成本高。 对于已经商业化的光电器件， 研究者们一般通过调 整器件结构充分利用材料 的潜能， 进一步提升器件性能。 部分企业和研究人员采用经验法 和试错法进行器件结构优化设计， 为了避免实验过程中的偶然性和误差， 对于一种 特定的 器件结构需要进行多次实验。 此外， 器件材料和膜层结构还具有多样性， 因此该方法的成本 高、 耗时长。 还有部分研究人员采用光学模拟仿真的方法来避免经验法和试错法带来的繁 琐的实验步骤和昂贵的成本 。 [0004]光学模拟仿真根据仿真算法的类型分为解析/半解析模型和基于结构离散的数值 仿真模型。 解析/半解析模型包括4 ×4传输矩阵法(Opt.Exp ress， 2020， 28,2381‑2397)、 各 向异性OLED器件 光学模型(Optics  Express,2019, 27,A1014 –A1029)等方法。 解析/半解析 模型的效率高， 但只能分析一 维器件结构， 即忽略器件实际空间中的三 维特征， 将其简化成 在水平方向上无限的一维结构。 该方法难以分析器件中三维结构对器件性能的影响。 基于 结构离散的数值仿真模型包括时域有限差分法(Finite  Differenc e Time Domain， FDTD)、 有限元法(Finite  Element Method,FEM)等。 该方法可以根据器件实际情况建立三维结构， 但其计算精度极大依赖于器件结构几何离散粗细程度， 并且只适用于特征尺寸和仿 真波长 相当的器件结构， 在处理跨尺度器件结构时需要占用大量的计算机资源， 对硬件性能要求 高、 耗时长。 此外， 2018年吴忠帜等人提出了针对跨尺度有机发光二极管的混合级算法 (Advance  Science,2018,5,1800467)， 该方法结合了物理光学和几何光学的特性， 但是不 能处理跨尺度器件中的复杂特征， 如表面粗糙度 膜层、 光学各向异性膜层、 微纳结构阵列 膜 层、 部分相干/非相干膜层、 含随机纳米颗粒金属层等。 因此， 亟需提出一种系统的光学仿 真说　明　书 1/8 页 3 CN 115470644 A 3