有機太陽電池 (OPV) チュートリアル パート B: OPV デバイスと光

このセクションでは、OPV デバイスが太陽光とどのように相互作用するかを見ていきます。まず OghmaNano で太陽スペクトルを自分で調べてみましょう:

1. OghmaNano の光学データベースを調べる

1. ?? に示すように Databases リボンへ移動します
2. 次に "Optical database" アイコンをクリックします。すると ?? に示すウィンドウが開きます。
3. AM1.5G をダブルクリックして標準太陽スペクトルを表示します。放射照度が最も高いおおよその位置に注目し、小さな「ディップ」を探してください。?? のようなものが見えるはずです

2. 太陽スペクトルを調べる

太陽の強度は一日の中で変化し、世界のどこにいるかにも依存します。したがって、太陽電池を公平に比較するために、AM1.5G として知られる標準スペクトルを用います。 このスペクトルのプロットを ?? および ??（疑似カラー）に示します。AM1.5G スペクトルは、太陽が真上にある場合と比べておよそ 1.5 倍の大気の厚みを通過した後の太陽光を表しており、午後の中緯度地域の典型的な条件に対応します。スペクトルに見える小さな「ディップ」は大気吸収によるものです — たとえば UV ではオゾン、赤外では水蒸気や CO₂ などです。シミュレーションで AM1.5G スペクトルを用いることで、文献で報告されている値と直接かつ一貫して結果を比較できるようになります。

3. 材料が光を吸収する仕組み

太陽電池は複数の層から構成されています。ある層は光を吸収するように設計されており、別の層は電荷キャリアを伝導するように設計されています。ある材料の光吸収を調べるには、Materials database を開きます。これは ?? の "Materials Database" アイコンをクリックすることでアクセスできます。次に polymers に移動して P3HT を開き、Absorption タブを選択します（??）。ここには、ポリマーが波長の関数としてどの程度強く吸収するかが示されます。すべての材料は異なる波長で異なるように光を吸収することに注意することが重要です。

太陽スペクトルは連続的な波長スペクトルです。異なる波長の光はデバイスと異なる方法で相互作用し、これらを以下に示します:

• UV (≈200–400 nm): UV-C/UV-B の大部分は大気/ガラスで吸収されるため、デバイスには到達しません。
• 可視 (≈400–700 nm): OPV の主な動作帯域です。ガラス/ITO におけるわずかな損失の後、 この光はその吸収スペクトルに従って活性層で吸収されます。
• 近赤外 (≈700–2500 nm): 太陽のエネルギーの多くを含みますが、薄い有機層では吸収が弱く、その多くは反射されます
• 中/遠赤外 (>≈2500 nm):これは熱エネルギーであり、一般に OPV デバイスには有用ではありません。

3. 光吸収をシミュレーションする

AM1.5G の太陽スペクトルと、材料が波長の関数としてどのように光を吸収するかを見たので、これらの考え方を組み合わせて、デバイススタック内部での光子吸収をシミュレーションできます。

Optical リボン（図 ??）を開き、Transfer Matrix Simulation を選択します。開いたウィンドウで Run optical simulation（再生ボタン）をクリックします。OghmaNano は transfer-matrix 法を用いて波長分解吸収を計算します。

結果は複数のタブに表示されます。Photon distribution ビューはスタック全体の光学場を示し、Photon distribution (absorbed) は、デバイス内の 位置 と 波長 の両方の関数として、光子がどこで吸収されるかを可視化します（図 ??）。

マップの解釈: デバイスの左側では透明な ITO に本質的に吸収はなく、その後に活性層および隣接層内での吸収が続きます。吸収されずに伝播した光は、最終的には背面金属接触で反射されるか失われます。弱い吸収の特徴を強調するために、カラースケールは対数スケールで表示できます。

最後に、吸収された光子密度を波長にわたって積分し、位置に対する一次元の生成プロファイルを得ます（図 ??）。このプロットは、デバイスが実際にどこで電子–正孔対を生成しているかを示し、光学設計が太陽光をどれほど効果的に活性層へ導いているかを評価するのに役立ちます。