ペロブスカイト太陽電池チュートリアル – EQEシミュレーション
1. はじめに
外部量子効率（EQE: External Quantum Efficiency）は、太陽電池が各波長の入射光子をどれだけ効率よく収集電荷キャリアへ変換するかを表します。言い換えると、特定のエネルギーを持つ光子が光電流に寄与する確率です。実験的には、これは太陽電池の最も広く使用されている特性評価手法の一つであり、吸収、電荷収集、および太陽スペクトル全体にわたる損失に関する詳細な情報を提供します。
ペロブスカイトデバイスでは、鋭い吸収端や追加の光学損失が、材料品質、層厚が適切かどうか、そしてスタック内で光がどのように干渉するかを直接反映するため、EQEは特に有用です。このチュートリアルでは、OghmaNanoでEQEをシミュレーションし、スペクトルをプロットし、デバイススタックを比較し、測定されたEQEとモデルを比較します。
2. EQE用シミュレーションの設定
まずOghmaNanoを起動します。メインウィンドウから New simulation をクリックします。 利用可能なデバイスタイプのライブラリが表示されます（ ?? 参照）。 Perovskite cells カテゴリをダブルクリックして、サンプルデバイスにアクセスします。ペロブスカイトフォルダには、 MAPbI₃ devices やイオン効果を含むバリエーション（frozen ions、CELIVなど）といった、あらかじめ構築されたサンプルシミュレーションのセットが表示されます。 Perovskite solar cell - frozen ions (MAPI) の例を選択します（ ?? 参照）。
💡 ヒント: 必ず Perovskite solar cell - frozen ions (MAPI) を選択してください。frozen ions の部分は重要であり、後で説明します。
シミュレーションを実行する前に、Simulation type タブへ移動し、 デフォルトの Perovskite hysteresis モードから EQE モードへ切り替えます。これにより、シミュレーションがEQE計算を実行するよう設定されます。
3. シミュレーションの実行
シミュレーションモードを EQE に変更したら、fileタブへ移動します。 Run simulation ボタン（青い再生アイコン）を押すか、F9 を押して計算を実行します。 実行が終了したら、Output タブへ移動すると、EQEシミュレーションによって生成されたファイルが表示されます。
E_eqe.csv や E_iqe.csv などが含まれます。
シミュレーションが終了したら、Output タブへ移動します。
eqe.csv をダブルクリックすると、波長とEQEのプロットが表示されます（
?? 参照）。
E_eqe.csv をダブルクリックすると、光子エネルギーとEQEのプロットが表示されます（
?? 参照）。
eqe.csv — 波長 対 EQE のプロット。
この図は、シミュレーションによって生成された波長依存のEQEスペクトルを示します。
e_eqe.csv — 光子エネルギー 対 EQE のプロット。
同じ実行から生成された、エネルギー（eV）に対するEQEスペクトルです。
原理的には、これだけで EQE シミュレーションを実行できます。同じ手法は任意のデバイスクラス（例：シリコンや有機太陽電池）に適用できます。 EQE ボタンをクリックしてシミュレーションを実行すれば、EQEスペクトルが生成されます。 このチュートリアルでは 移動イオン を含むペロブスカイト太陽電池を使用しているため、いくつか追加の点を考慮する必要があります。詳細を理解したい場合は続きをお読みください。
4. さらに詳しい説明
再生ボタンを押してEQEソルバーを実行すると、処理は3つのステップで進行します。 ステップ 1: EQEを測定するための目的の逆バイアス電圧までデバイスをランプします（この電圧はEQEエディタで設定できます：Main window → Editors → EQE → EQE Voltage）。 ステップ 2: 興味のある波長範囲にわたって光学ソルバーを実行し、デバイス内部の光子分布を計算します（ ?? 参照）。 ステップ 3: その光学結果を使用して、目的のバイアスでEQE計算を実行します（ ?? 参照）。ソルバー実行時には、これらの異なる計算フェーズを確認できます。
EQEシミュレーションを実行する電圧は EQE Editor で設定できます（ ?? 参照）。 ここで EQE Voltage パラメータが計算に使用されるバイアスを定義し、 エディタはメインウィンドウの Editors リボンからアクセスできます。 より負の電圧でEQEを実行する利点は、キャリア再結合の影響を最小化できることです。 電圧が0に近づき、特に順方向バイアスに入ると、シミュレーションには再結合がより多く含まれるようになります。 その領域では、結果はもはや本来のEQEの純粋な測定ではなくなります。
5. ペロブスカイトにおけるEQE
🔧 高度な詳細: 以下のセクションでは、OghmaNano が Luaマイクロコードを用いて、EQE計算中に移動イオンソルバーをどのように制御するかを説明します。 EQEシミュレーションを実行するためにこれを理解する必要はありませんが、 「内部で何が起こっているか」を知りたい場合やソルバー挙動をカスタマイズしたい場合は続きをお読みください。
ペロブスカイト太陽電池には 移動イオン が含まれるため、任意の測定はイオン分布を変化させ、EQE、JSC、VOC などのパラメータを履歴依存にします。実験では一般的に、デバイスを特定の電圧までランプし、イオンが安定するまで待ってから測定を行います。このシミュレーションではその手順を再現します：ランプ中はイオンが自由に移動し、目標バイアスに達すると凍結され、その後EQEが迅速に計算されてイオン分布がさらに乱されないようにします。これは、安定化後かつ定義された電圧履歴下でEQEを測定するという分野の良い実践を反映しており、コミュニティガイドライン（Khenkin et al., Nat. Energy 2020）やIEC 60904などの国際PV標準でも推奨されています。
移動イオン を含むペロブスカイトでは、EQEや効率などのパラメータが デバイスの電圧履歴に依存する可能性があります。一貫したEQEを得るための実用的な方法は2つあります。 (i) 移動イオンソルバーを完全に無効化する（Electricalタブ参照）、または (ii) バイアスランプ中はイオンを移動可能に保ち、EQE計算時のみ 凍結 する。 後者はドリフト–ディフュージョン microcode エディタによって制御されます （?? 参照）。
実際には、OghmaNano でEQEを実行する際の移動イオンの扱いには2つの方法があります。 1つ目は移動イオンソルバーを完全に無効化する方法です。これはメインウィンドウの Electrical リボンから Perovskite ion solver ボタンを解除することで行えます。 このボタンは ?? に示されたメニューのすぐ下にあります。 この方法の欠点は、イオンの移動を完全に無視してしまうことです。
2つ目の、より微妙な方法は、ゆっくりした電圧ランプ中はイオンを移動可能に保ち、 準平衡分布へ安定させた後、EQE測定が始まるときだけ「凍結」する方法です。 これは、実験的にゆっくりとした負電圧ランプを適用してイオンを落ち着かせ、 その後イオンが動く前にEQEを迅速に測定する手順と同等です。 提供されているシミュレーションでは、この動作は小さなLuaスクリプトによってデフォルトで実装されています。
この挙動を表示または編集するには、Electrical リボンへ移動し、 Drift diffusion ボタンの右側のメニューを開いて Edit microcode をクリックします （?? 参照）。 これによりスクリプトエディタウィンドウが開きます （??）。 ここにはソルバーを制御するLuaコードが表示されます。 重要な行では、EQE計算が実行されている間はイオンソルバーをオフにし、 電圧ランプ中はオンのままにします。これにより、EQE計算前にイオンが平衡へ到達し、 一貫した物理的に現実的な結果が得られます。 同じ手法はJV曲線や他の実験にも適用できます。
📝 タスク1 — バイアス電圧に対するEQE
目的: バイアスがEQEに与える影響と、より負の電圧が再結合アーティファクトを抑制する理由を理解する。
- EQEエディタを開く：Main window → Editors → EQE。
- EQE Voltage を
-1V に設定し、EQEシミュレーションを実行する。 - 以下の電圧を順に設定し、それぞれEQEを再計算してスペクトルを保存する：
+1 V → +0.5 V → 0 V → −1 V → +3 V → +5 V。 （順方向バイアス、例：+3 V や +5 V は意図的に再結合を増加させ、EQEを低下させます。） - スペクトルを重ねて表示し、どの領域で曲線の差が最も大きいかを確認する（吸収端付近、長波長側ロールオフなど）。
期待される観察 / 結果
- −1 V では、EQEは通常最も高く滑らかになります（収集が促進され、再結合が最小）。
- 0 V (JSC) では、EQEは通常 −1 V よりわずかに低下します。特にバンド端付近で顕著です。
- +0.5 V および +1 V では、再結合の増加によりEQEがさらに低下します。
- より強い順方向バイアス（+3 V, +5 V）では、EQEが急激に低下し、本来のEQEを表さなくなる可能性があります（再結合支配）。
- バイアスに最も敏感な波長領域は、しばしば長波長側（吸収が弱くキャリア収集が重要な領域）です。
🧪 タスク2 — 再結合を変化させた JSC 条件でのEQE
目的: 短絡条件下で再結合がEQEスペクトルへ与える影響を定量化する。
- EQEエディタで EQE Voltage を
0V（すなわち JSC）に設定する。 - デバイスの Electrical parameters で、トラップ支援（SRH）再結合設定（キャリア寿命、捕獲断面積、欠陥密度など）を探す。
- 以下の3つのシミュレーションを実行する：
- Baseline：現在のデフォルト再結合値。
- Higher recombination：SRH速度を約 ×10 増加（寿命を短く、または断面積を大きく）。
- Lower recombination：SRH速度を約 ÷10 減少（寿命を長く、または断面積を小さく）。
- 3つのEQEスペクトルを比較する（長波長側の立ち上がりや光学干渉ピーク付近の特徴に注目）。
期待される観察 / 結果
- SRH再結合が高い → EQEが低下。特に吸収端付近や生成が弱い領域で顕著。
- SRH再結合が低い → EQEは吸収／光学によって決まる光学的上限に近づく。
- 変化は膜厚や光学効果に似て見える場合があるため、
eqe.csv（λ領域）とe_eqe.csv（E領域）の両方を使用して解析する。
ℹ️ 注意: クリーンなEQE抽出のためには、再結合を最小化するため軽い逆バイアス（例：−1 V）を使用することが推奨されます。 順方向バイアス（+3 〜 +5 V）は説明用には有用ですが、通常は本来のEQEを代表するものではありません。
✅ 学んだこと
- OghmaNano でEQEシミュレーションを設定および実行する方法。
- 結果ファイル（
eqe.csvとe_eqe.csv）の場所とプロット方法。 - 移動イオンのため、ペロブスカイトでは特別な扱いが必要な理由。
- EQE電圧の選び方と、より負の電圧が再結合を最小化する理由。
- 移動イオンを扱う2つの方法：完全に無効化するか、EQE計算中のみ凍結する。