版本：O-2018.06

在本教程中，您将学习如何计算照明下通过器件的光电流。我们研究的对象是一个 7.6 nm 大小的硅 p-n 结，同时也展示了 QuantumATK O-2018.06 发行版中引入的 Photocurrent Analyzer。

如 [1] 和 ATK 手册中 Photocurrent 所述，光电流是通过将电子-声子的相互作用加到器件的哈密顿量中，采用一阶微扰理论计算得到。

首先，您将执行器件的自洽计算。然后，利用基态器件哈密顿量计算和分析光电流。

您应该使用脚本 ↓ silicon_pn_junction.py 运行基态计算—脚本中定义了掺杂的器件构型和合适的 NEGF 计算器。结果保存在 silicon pn_ju junction.hdf5 中。只需下载脚本，并利用 Job manager 运行它。计算完成后，您可以在 LabFloor 上看到 silicon pn_junction.hdf5 文件。计算采用 4 个 MPI 进程大约需要 20 分钟。

下面还提供了构建器件构型和设置 NEGF 计算的简要说明

7.6 nm 硅器件应包含 28 个 Si 层（76.0284 Å）和10.8612 Å 的左右电极。对于这种极短的 Si 器件，为了得到一个合理的电子结构，即在电极附近有相当平坦的带边以及从 VBM 和 CBM 到费米能级有很小的间隙，p 和 n 的掺杂水平应该都是 2*10²⁰ e/cm³。

如果您需要更多关于如何建立结的信息，请参阅教程 Silicon p-n junction。

提供的脚本 ↓ silicon_pn_junction.py 中 NEGF 计算的设置如下所示。

Basis set：PseudoDojo and Low Exchange-correlation：GGA-1/2 和 PBE k-point sampling：A 和 B 方向上的 density 为 4 Å Density mesh cutof：30 Ha Default output file：silicon_pn_junction.hdf5

使用 Job manager （点击 按钮开启计算）运行脚本。

您现在可以准备光电流的计算了。打开 Script Generator，添加 Analysis from File 模块。

• 选择文件 silicon_pn_junction.hdf5
• 确保勾选了 DeviceConfiguration 数据块。

接下来，为计算光电流，添加 Analysis Photocurrent 模块。设置声子能量范围为 0-5 eV 内 31 个点，k 点取样为 9 × 9。其他所有参数保持为默认值。您也可以在此处下载脚本 ↓ photocurrent.py。将脚本发送到 Job manager，保存为 photocurrent.py，点击 按钮，运行计算。

计算完成后，您就可以看到 LabFloor 上的文件 photocurrent.hdf5。请注意，通过减少声子能量的数量和增加 energy_resolution 以减少电子能量点，从而加快计算。

选择 LabFloor 上 photocurrent.hdf5 中的 Photocurrent_0 数据块。打开右侧面板上的 Photocurrent Analyzer。

单击 Plot，可以轻松绘制出电流和声子能量的关系图。如下图所示。

您还可以根据从 Solar spectra website 获得的 AM1.5 标准太阳光谱的照度计算总电流。点击 Calculate current 后，以内插值替换的光电流将由红线表示。这个插值函数乘以每个声子能量处参考光谱的通量，然后对结果进行数值积分以计算给定照明下器件的总电流。

图 1 在 AM1.5 标准太阳光谱的照射下，总电流计算为 7.777·10^-18 安培。

如果用于计算光电流的声子能量没有覆盖在 AM1.5 光谱中声子能量的范围，您将看到一条警告消息。在这种情况下，插值将包括数据范围之外的数据，因此计算出的总电流可能不准确。因此，我们建议仅从涵盖 AM1.5 标准太阳光谱全范围的光电流计算总电流，即 0.3 eV 至 4.43 eV。覆盖更大范围的光电流不是问题，因为超出参考光谱范围的数据根本不起作用。下图为关于此问题的示例。

• 英文原文：https://docs.quantumatk.com/tutorials/photocurrent/photocurrent.html#device-ground-state
• [1] Mattias Palsgaard, Troels Markussen, Tue Gunst, Mads Brandbyge, and Kurt Stokbro. Efficient first-principles calculation of phonon assisted photocurrent in large-scale solar cell devices. arXiv:1801.03683, 2018. URL: http://arxiv.org/abs/1801.03683.