両面照射型ペロブスカイト太陽電池のシミュレーションチュートリアル：OghmaNanoにおける両面照明および光学解析

🎯 学習目標

両面照射型ペロブスカイト太陽電池とは何か、またなぜ重要なのかを理解する。
OghmaNanoにおいて両面照射型ペロブスカイト太陽電池のシミュレーションを設定し、実行する。
J-V特性を解釈し、なぜ短絡電流密度がほぼ倍増するのかを理解してください。
両側からの照明、すなわち上下両方向からの光源設定を確認してください。
光子束密度の分布、吸収マップ、反射率および透過率スペクトルを解析する。
両面照射と片面照射における光学的出力を比較する。

📦 前提条件

OghmaNanoがインストールされ、正常に動作している。
ペロブスカイトチュートリアルパートAの完了が推奨されます。
太陽電池の基本概念（短絡電流、開路電圧、変換効率）についての基本的な知識が必要です。

📺 YouTubeでの実例

両面照射型ペロブスカイト太陽電池のシミュレーション｜表面および裏面からの光照射に関するTMMチュートリアル

Conceptual illustration of a bifacial perovskite solar cell showing light entering from both the top and bottom surfaces of the device stack — 両面照射型ペロブスカイト太陽電池は、デバイスの両面から光を吸収します。太陽光は上部の透明電極を通して内部に入り込み、一方で地面や他のモジュールの背面からの反射光や拡散光は下部の透明電極を通して内部に入ります。このような構造により、従来の片面照射型デザインに比べて実質的な光電流が増大するのです。

1. 両面照射型ペロブスカイト太陽電池とは何ですか？

両面照射型太陽電池とは、その表面および裏面の両方に入射する光を同時に吸収するように設計された太陽光発電デバイスである（??）。従来の単面照射型太陽電池では、光は表面のみに照射される。裏面側の電極は通常不透明であるため、裏面に到達した光は無駄になってしまう。一方、両面照射型構造では、表面および裏面の両方の電極が透明または半透明に作製されており、例えば酸化インジウムスズ（ITO）やフッ化スズ酸化物（FTO）が用いられる。これにより、周囲からの反射光や散乱光、拡散放射光も裏面で効率的に吸収可能となる。

ペロブスカイト太陽電池（PSC）においては、両面動作が特に有用である理由は以下の通りである：

ペロブスカイト吸収層（例えばMAPbI₃）は極めて高い吸収係数を持つため、下方から到来する光子であっても効率的に捕捉することが可能である。
電子輸送層としてのTiO₂および正孔輸送層としてのSpiro-OMeTADからなる両方の電荷輸送層は、十分に薄く透明であるため、裏面からの照射光を大きく遮ることはない。
実際の屋外環境下、特に白色または反射率の高い表面を有する場所に設置された両面型モジュールにおいては、裏面側からの照射光により単面型モジュールと比較して発電出力が5～30％増加する場合がある。

両面性係数ηbifとは、背面側の効率を表面側の効率で除した値として定義される。

\[ \eta_{\text{bif}} = \frac{\eta_{\text{rear}}}{\eta_{\text{front}}} \]

理想的な両面照射型デバイスでは両面性係数ηbifの値は1となり、どちらの面から光が照射されても同等の性能を示すことになる。実際には、電荷輸送層の非対称性や各接触層の透明性の度合いに応じて、ペロブスカイト製両面照射型太陽電池におけるこの値は0.7から0.95の範囲となるのが一般的である。

OghmaNanoにおいては、両面照射動作をモデル化するために、上部からの照射用（y0）および下部からの照射用（y1）の2つの独立した光源オブジェクトを追加し、それらを光学伝達行列ソルバーに接続します。本チュートリアルでは、テンプレートシミュレーションの読み込みから、得られた光場やJ-V特性の解析まで、一連の作業手順を詳細に説明します。

2. 両面照射型ペロブスカイト太陽電池のシミュレーションを新規作成する

WindowsからOghmaNanoを起動し、「新規シミュレーション」を選択します。これにより??に示されるデバイスライブラリが表示されます。続いて「ペロブスカイトセル」をダブルクリックしてペロブスカイトのサンプルフォルダを開きます。すると??に示される利用可能なペロブスカイトテンプレートの一覧が現れます。ここで「両面照射型ペロブスカイト太陽電池（MAPI）」をダブルクリックして両面照射型のサンプルを読み込みます。画面の指示に従い、ローカルドライブ上の保存先フォルダを選択して「保存」をクリックしてください。

💡 ヒント：C:\ のようなローカルドライブに保存してください。ネットワーク共有先やUSBドライブ、クラウド同期フォルダ（例：OneDriveやDropbox）に保存されたシミュレーションデータは、頻繁な読み書き処理が発生するため処理が遅くなる場合があります。

OghmaNano new simulation window showing device type categories including Perovskite cells, OFETs, GaAs demos, FDTD examples, and tandem solar cells — 新規シミュレーションウィンドウには利用可能なデバイスカテゴリがすべて一覧表示されます。ハイライト表示されている「ペロブスカイトセル」をダブルクリックすると、ペロブスカイト関連のサンプルフォルダーに移動できます。

OghmaNano perovskite cell template list showing Perovskite Bifacial Solar Cell (MAPI), Perovskite solar cell (MAPI), CELIV example, frozen ions, and tandem Si-perovskite options — ペロブスカイトフォルダ内から「Perovskite Bifacial Solar Cell (MAPI)」を選択し、任意のローカルディレクトリに保存してください。

OghmaNano main simulation window showing the 3D device structure of a bifacial perovskite solar cell with green arrows indicating light entering from both the top and bottom surfaces. Layer labels show TiO2, MAPI, Spiro, ITO, and Glass. — OghmaNanoのメインインターフェースには両面照射型ペロブスカイト太陽電池が表示されている。デバイスの上部および下部にある緑色の矢印は、上面（y0）および底面（y1）の両方から同時に光照射が行われていることを示している。右側には空気／フッ化スズ酸化物／二酸化チタン／MAPI／Spiro／酸化インジウムスズ／ガラス／空気という全層構造が記載されている。個々の層を確認・変更するには、左側ツールバーの「レイヤー編集器」ボタンをクリックする。

OghmaNano Layer editor showing the bifacial perovskite stack: air (50 nm), FTO (50 nm), TiO2 (200 nm), MAPI (400 nm), Spiro (200 nm), ITO (100 nm), Glass (200 nm), air (50 nm) with optical material assignments and layer types — 両面照射型ペロブスカイト太陽電池用のレイヤー編集画面です。ここで注目すべき点は、背面電極として不透明な金電極の代わりに酸化インジウムスズが用いられており、さらにその下には表面保護層としてガラス層が配置されていることです。これら両方とも透明材料であるため、背面からの光がペロブスカイト吸収層に到達可能となっています。

シミュレーションが読み込まれると、OghmaNanoのメインウィンドウにて??に示すように、3D可視化パネルに両面構造のデバイスが表示される。緑色の矢印がデバイスの上面および下面から光が入射していることを示しており、これが両面動作の特徴である。3Dビューに表示される層構造は空気／FTO／TiO₂／MAPI／Spiro／ITO／ガラス／空気となっており、FTOおよびITOの両コンタクト層は透明であるため両面からの照射が可能となる。

左側のツールバーにある「レイヤー編集器」をクリックすることで、レイヤー構造を詳細に確認できます。??に示すレイヤー編集器のウィンドウには、各レイヤーの厚み、光学材料の割り当て、レイヤーの種類（コンタクト層、活性層、その他）、およびそのレイヤーに対して光学問題が解決済みかどうかが一覧表示されます。この両面照射用構造体では、後方の透明コンタクト層としてITOが用いられ、その下にはガラス製の表面保護層が配置されており、これら両者により後方からの光がMAPI吸収層へと到達できる仕組みとなっています。

3. シミュレーションを実行し、J-V特性曲線を確認する

青色のボタンをクリックしてください シミュレーションを実行する ツールバーにあるボタンをクリックするか（またはキーを押す） F9)をクリックして定常状態におけるJ-V計算を開始します。シミュレーションが完了したら、 出力結果 タブ。シミュレーションで生成された全ファイルが記載されている出力タブを参照。 ??このタブには、シミュレーション実行後に生成されたすべての結果ファイルが一覧表示される。ダブルクリックすることでファイルを開くことができる。 jv.csv J-V特性表示画面を開くには、以下の手順に従ってください。 ??.

OghmaNano Output tab showing simulation result files including jv.csv, charge.csv, optical_output, optical_snapshots, sim_info.dat, and snapshots for the bifacial perovskite solar cell — 出力タブには、シミュレーションで生成されたすべてのファイルが一覧表示されます。`jv.csv`をダブルクリックするとJ-V特性曲線が描画されます。

JV curve of a bifacial perovskite solar cell plotted in OghmaNano. The current density axis shows values approaching -500 A/m² at short circuit, approximately double the value expected for a monofacial device, due to dual-sided illumination. — 両面照射型ペロブスカイトデバイスのJ-V特性曲線である。上部および下部の光源から同時に光子が取り込まれるため、短絡電流密度J SCは約−500 A m⁻²に達しており、これは片面照射型ペロブスカイトセルで予測される値のほぼ2倍に相当する。

両面照射条件下でのJ-V特性において最も顕著な特徴は短絡電流密度JSCである。通常の片面照射条件下にあるMAPbI₃ペロブスカイトデバイスにおいては、1 Sunの光照射下でJSCは約200～250 A m⁻²となる。しかし今回、両面からそれぞれ1 Sun相当の光を照射した場合、JSCはほぼ倍増し、500 A m⁻²近い値に達する。これは両面からの光子吸収によりMAPI吸収層内で自由キャリアが生成されることによる両面照射効果を如実に示している。一方で開路電圧VOCの増加幅は比較的小さい。これはVOCが光電流に対して対数関係で依存するためである。

4. 光源の設定内容を確認する

両面照射の設定方法を把握するため、メインウィンドウ上部にある光学リボン（??を参照）へ移動し、『光源』をクリックしてください。これにより光源エディタが開き、現在のシミュレーションに関連付けられているすべての光源オブジェクトが一覧表示されます。

OghmaNano Optical ribbon showing buttons for Light Sources, Lasers, Transfer Matrix, Optical Outcoupling, Ray tracing editor, Optical Detectors, FDTD Simulation, Mode Calculator, Optical thickness, Optical mesh, and Boundary Conditions — 光学設定タブです。左端にある「光源」ボタン（灯台のアイコン）をクリックすると光源エディタが開き、両面照射の設定内容を確認できます。

光源エディタの左側パネルには「Top」および「Btm」（底部）という2つのエントリが表示されます。光源もOghmaNano内の他のオブジェクトと同様に、物理的なx、y、z座標およびサイズを持ち、これらはオブジェクトタブ（??）で確認可能です。通常の面照射（上面、底面、左面、右面、前面、背面）の場合、こうした空間的属性は無関係であり、光はシミュレーション領域の外部から入射すると仮定されます。ただし、デバイス内部の特定位置に光源を配置する場合にのみ、これらの属性が重要となります。

「Configure」タブをクリックして「Illuminate from direction」を設定します。この両面照射の例では、「Top」は「Top (y0)」(??)に、「Btm」は「Bottom (y1)」(??)に設定されています。

OghmaNano light source editor Object tab showing the general object properties of the Top light source, including object type, offset, xyz size, steps, rotate, and colour fields — オブジェクトタブには、選択した光源オブジェクトの種類、位置オフセット、サイズ、表示色といった一般的なプロパティが表示される。灯台のアイコンは、このオブジェクトがデバイスモデル内の光源であることを示している。

OghmaNano light source editor Configure tab for the Top light source, showing Illuminate from set to Top (y0), with beam shape Square and 10×10 beams — 上部光源用の設定タブである。ここで「Illuminate from」の項目を「Top (y0)」に設定することで、光がFTO接触層を通じてデバイス内へ下方に向けて照射される。これにより、前面表面に直接当たる太陽光の状況をシミュレーションする。

OghmaNano light source editor Configure tab for the Btm (bottom) light source, showing Illuminate from set to Bottom (y1), with beam shape Square and 10×10 beams — 「Btm（底部）光源」の設定タブにおいて、「Illuminate from」の値は「Bottom (y1)」に設定されており、光がガラス層および酸化インジウムスズ製の背面コンタクトを通じて上方へ向けて照射される。これにより、両面型太陽電池システムにおいて背面に到達する反射光や散乱光の状況が模擬される。

これら2つの光源オブジェクトを組み合わせることで、実際の両面照射条件下での動作状況を再現できる。すなわち、直接太陽光は上部（y0）からFTO接触層を通じてセル内に入射し、一方で拡散光や反射光は下部（y1）からガラス製表面保護層およびITO接触層を通じて入射する。両光源ともデフォルト設定では同一のAM1.5Gスペクトルを使用しており、これは背面側の放射照度が正面側と等しい場合に相当し、両面照射による利得を解析する際の有用な上限値となる。実際には背面側の放射照度は通常正面側の10～30％程度であり、各光源の「光源」タブにて光強度を調整することでこの値を変更可能である。

5. 光学解析－光子分布および吸収された光子密度

シミュレーション実行後、[光学]タブに戻り[転送行列]をクリックしてください。これにより光学シミュレーションエディタが開き、デバイス内部の光場に関する詳細な可視化情報が得られます。以下の図には3つの主要な出力結果が示されています：全光子分布（??）、吸収された光子密度（??）、および1次元化された生成率プロファイル（??）です。

OghmaNano optical simulation editor Photon distribution tab showing a 2D colour map of photon density as a function of wavelength (300–900 nm) and device y-position (0–1.2 µm). Bright regions are concentrated at the left edge of the device, consistent with illumination entering from the top FTO contact. — 光子分布：デバイス構造内における波長および位置の関数としての光子密度（単位：m⁻³）。y座標が小さい領域（左側）に見られる明るい部分は、FTO層を通して入射した上面光源によるものであり、y座標が大きい領域には下面光源による対応する分布が確認できる。

OghmaNano optical simulation editor Photon distribution absorbed tab showing a 2D colour map of absorbed photon density as a function of wavelength and y-position. The absorption is strongly concentrated in the MAPI layer (between approximately 0.3 and 0.7 µm) across wavelengths up to 800 nm. — 吸収された光子密度：デバイス内の単位体積あたりに吸収される光子の密度（単位：m⁻³ s⁻¹）。光子の吸収は主にMAPIペロブスカイト層内（y ≈ 0.3～0.7 µm）に局在しており、上部および下部の光源からの寄与がそれぞれ吸収体の両端に明確な吸収パターンとして現れている。

生成率（一次元プロファイル）：スペクトル的に積分された生成率をデバイス内の位置の関数として示したものである。TiO₂/MAPI界面付近（上面からの照射による生成）およびMAPI/Spiro界面付近（下面からの照射による生成）にそれぞれ明確なピークが現れており、両方の光源が光電流生成に寄与していることが確認できる。簡略化のため、導電帯および価電子帯のエネルギー準位はデバイス全体で一律に−3.8 eVおよび−5.4 eVに設定されている。なお、FTO、ITO、ガラス、空気層に示されているエネルギー準位は表示用のみであり、これらの層は電気的シミュレーションの対象外である。

??に示される生成率の分布を見ると、MAPI吸収層の両端にピークが現れている。一つは光が上面から入射するTiO₂/MAPI界面（y約0.3µm）に、もう一つは光が下面から入射するMAPI/Spiro界面（y約0.7µm）に存在する。片面照射型デバイスでは最初のピークのみが現れ、吸収層内ではビール・ランベルトの法則に従って生成率が指数関数的に減少する。背面側からの照射を加えることで第二のピークが生じ、全体の積分生成率、ひいては短絡電流密度JSCも約2倍に増加する。

6. 反射率および透過率スペクトル

引き続き光学シミュレーションエディタにて、反射光タブ（??）をクリックした後、透過光タブ（??）をクリックします。上面（reflect0.csv）および下面（reflect1.csv）から得られる反射スペクトルは明らかに異なっており、入射光がそれぞれの面から遭遇する界面の順序が異なるため、薄膜干渉による振動パターンの位相や振幅も変化している。一方で透過スペクトルは同一であり、transmit0.csvとtransmit1.csvは完全に重なっている。これは光学の相反定理に基づく直接的な結果であり、受動的かつ線形な光学構造体における透過率は光の進行方向にかかわらず一定であることを示している。反射率にはこのような制約は存在せず、各面から見た界面の順序に依存するため、結果として2つの反射スペクトルは異なるものの透過スペクトルは同一となるのである。

OghmaNano Reflected light tab showing two reflectance spectra (reflect0.csv in blue and reflect1.csv in red) plotted against wavelength from 300 to 900 nm. Both curves show oscillatory thin-film interference features. The spectra differ in magnitude and phase due to the asymmetric layer stacks seen from each surface. — 上面からの反射光スペクトル（reflect0.csv、青色）および下面からの反射光スペクトル（reflect1.csv、赤色）。両スペクトルには、積層構造内の複数の界面によって生じる周期的な薄膜干渉縞が現れている。入射光がそれぞれの面から見た際の層の順序が異なるため、スペクトルの形状も互いに異なっている。

OghmaNano Transmitted light tab showing two transmittance spectra (transmit0.csv in blue and transmit1.csv in red) plotted against wavelength. The two curves are almost indistinguishable from each other above approximately 550 nm, consistent with the optical reciprocity theorem. — デバイスを通過した透過光のスペクトルを、上面からの場合（transmit0.csv、青色）および底面からの場合（transmit1.csv、赤色）で示している。ペロブスカイトの吸収端（約550 nm）よりも長波長側においては、両スペクトルはほぼ同一である。これは光学的相反性の定理に基づくものであり、受動的な線形光学構造体における透過率は、光がどちらの方向から入射するかに関わらず同一となる。

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透過率は光学的相互性の原理に従う。すなわち、利得や非線形効果が存在しない受動的な線形光学系においては、ポートAからポートBへの透過率とポートBからポートAへの透過率は等しくなる。したがって、積層構造全体を通過する光の総量は、照射方向にかかわらず同一となる。一方、反射率は入射光が通過する界面の順序に依存する。上面と底面ではこの順序が異なるため、reflect0.csvとreflect1.csvは内容が異なる場合が多い。

7. 下部光源を無効化することによる片面照射の比較

一方の光源のみが作動している際の光分布の変化を確認するため、Opticalタブに戻り「Light Sources」をクリックして光源エディタを再開する。左側のパネルで「Btm」光源を選択する。エディタ上部のツールバーにあるボタンには現在「Enabled」と表示されており緑色のチェックアイコンが付いている。このボタンをクリックして底部光源を「Disabled」状態に切り替える。その後、光学シミュレーションエディタ内の「Run optical simulation」ボタンを押すことで、上部光源のみが作動した状態での光学出力が更新される。

片面（上部のみ）からの照射条件下における更新後の光子分布、吸収された光子密度、および一次元生成率のプロファイルを、以下の??、??、??に示す。

OghmaNano photon distribution 2D map under monofacial (top-only) illumination. The bright absorption region is now concentrated only at the left side of the device (low y-position), corresponding to light entering through the top FTO contact only. No absorption feature is visible at the right (high y-position) side. — 光子束密度分布 – 上面のみからの照射の場合。下面側の光源を無効化すると、光子束密度はデバイスの上面側（y座標が小さい位置）に集中する。背面側からの寄与は一切見られない。

OghmaNano absorbed photon density map under top-only illumination. Absorption is asymmetrically concentrated at the TiO2/MAPI interface (left side), with absorption decaying toward the MAPI/Spiro interface. The pattern is typical of a monofacial perovskite device. — 吸収された光子束密度 – 上面のみからの照射の場合。この場合、吸収は非対称的となり、TiO₂/MAPI界面付近で最大値を示した後、吸収層内を通じて減少していく。両面照射の場合と比較すると、両側からの吸収作用によりMAPI層全体でより均一な分布が形成される。

生成率分布 – 上面からの照射のみの場合。TiO₂/MAPI接合付近に単一のピークのみが現れる。下面からの光源による第二のピークは消失しており、両面照射特有の二つのピーク構造が完全に両面照射構成に起因するものであることが確認できる。

両面照射と片面照射における光学シミュレーション結果の対比から、両面照射による電流増加の物理的メカニズムが明確に示される。上部光源のみが作動している場合、生成率は光が照射される界面付近で急激にピークを示し、吸収層内部では指数関数的に減少する。一方、両方の光源が作動している場合、裏面側にも対称的な第二のピークが現れ、全体の生成率の積分値、ひいては短絡電流密度J SCもほぼ倍増する。

まとめおよび学習内容

このチュートリアルでは、空気／FTO／TiO₂／MAPbI₃／Spiro／ITO／ガラス／空気という積層構造を持つデバイスを用いて、OghmaNanoにおける両面照射型ペロブスカイト太陽電池のシミュレーション方法を紹介した。不透明な裏面電極を透明なITO層に置き換えることで両面からの光入射が可能となり、短絡電流密度（J SC）はほぼ倍増する一方、開放電圧（V OC）は短絡電流に対して対数関係にあるためわずかな増加に留まることが確認された。生成率の分布はMAPbI₃吸収層の両端でピークを示しており、これが両面照射の直接的な光学的特徴である。反射率および透過率スペクトルの解析により、各面から見た界面構成が異なるため反射スペクトルは両方向で異なるものの、光学的相反性の法則に基づき透過スペクトルは両方向で同一であることも確認された。最後に、底面からの光源を無効化した場合には生成率分布が単一のピークに収束し、吸収も非対称的となることから、通常の片面照射型太陽電池の挙動が再現されることが示された。

👉 次の手順：

下部の光源の強度を、その光源設定タブにて0.1サンおよび0.3サンといった値に変更してみてください。これらは両面照射型太陽光発電システムにおける裏面の実際の放射照度レベルに相当します。そうすることで短絡電流密度（J SC）、開路電圧（V OC）、および電力変換効率（PCE）がどのように変化するかを観察してください。
ペロブスカイトチュートリアルパートBに戻り、光学スタック構造および吸収層の厚さが単面型デバイスの光学特性に与える影響を確認してください。
ペロブスカイト太陽電池シミュレーション概要をご覧いただき、OghmaNanoで実装されている物理モデルについてより広範にご理解ください。