Post-process control of PV characteristics using wavelength conversion properties of semiconductor nano-particles

• Project/Area Number: 17H03538
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: Energy engineering
• Research Institution: Osaka City University
• Principal Investigator: Shigekawa Naoteru 大阪市立大学, 大学院工学研究科, 教授 (60583698)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 金 大貴 大阪市立大学, 大学院工学研究科, 教授 (00295685)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥16,900,000 (Direct Cost: ¥13,000,000、Indirect Cost: ¥3,900,000); Fiscal Year 2019: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2018: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000); Fiscal Year 2017: ¥11,310,000 (Direct Cost: ¥8,700,000、Indirect Cost: ¥2,610,000)
• Keywords: 太陽電池 / 量子効率 / 半導体ナノ粒子 / コアシェル型ナノ粒子 / コアシエル型ナノ粒子 / 内部量子効率 / シリコン太陽電池 / レイヤバイレイヤ法 / LBL法 / 短絡電流 / エネルギー効率化 / ナノ材料 / 光物性

Outline of Final Research Achievements

We deposit Mn-doped Zn-based nanoparticles (NPs) on Si solar cells using the drop casting and layer-by-layer methods and investigate the relationship between their internal quantum efficiency (IQE) in ultraviolet region (wavelength of 350 nm) and optical density. The IQE is enhanced by depositing NPs. The enhancement of IQE is more marked in Si cells coated by shell-doped NPs. The increase of IQE is well explained by using a model based on the luminescence downshifting effects of NPs. measure their current-voltage and spectral response characteristics. These results indicates the possibility of add-on tuning of spectrum of incident solar irradiance and improvement of solar cell characteristics. The usefulness of advanced optical properties of semiconductor NPs is also suggested.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

高い発光量子効率の半導体ナノ粒子を用いることで太陽電池の量子効率を向上可能であること、その増加量をモデル計算により説明可能であることを実証したことにより、従来は主に光学物性の研究対象であった半導体ナノ粒子の波長変換機能が太陽電池特性向上という有用性へとつながる可能性を示した。特に、ナノ粒子の母材となる半導体材料（バンドギャップ）やその粒径（量子サイズ効果）を制御することに依り、太陽電池の設置条件に応じて最適な入射光のスペクトル制御が実現される可能性、設置条件に応じて太陽電池特性を後付けで最適化できる可能性、を示した。

Research Products

• [Journal Article] Synthesis of Mn-Doped ZnSe-ZnS Alloy Quantum Dots by a Hydrothermal Method (2019)
  • Author(s): Nishimura Hisaaki、Lin Yuxin、Hizume Masayuki、Taniguchi Taichi、Shigekawa Naoteru、Takagi Tomomi、Sobue Susumu、Kawai Shoichi、Okuno Eiichi、Kim DaeGwi
  • Journal Title: Chemistry Letters Volume: 48 Issue: 9 Pages: 1081-1083
  • DOI: 10.1246/cl.190365
  • NAID: 130007703016
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effects of Layered Cadmium-Based Nanoparticles on Si Solar Cells (2019)
  • Author(s): Idutsu Y.、Tanaka S.、Liang J.、Narazaki T.、Nishimura H.、Kim D.G.、Shigekawa N.
  • Journal Title: Proc. 2019 IEEE 46th Photovoltaic Specialists Conference (PVSC) Volume: - Pages: 1753-1755
  • DOI: 10.1109/pvsc40753.2019.8981279
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Temperature dependence of photoluminescence properties of water-soluble ZnSe quantum dots (2019)
  • Author(s): Lee Yong-Shin、Taniguchi Taichi、Kim DaeGwi
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 1220 Issue: 1 Pages: 012024-012024
  • DOI: 10.1088/1742-6596/1220/1/012024
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Preparation of ZnSe-ZnS alloy quantum dots by a hydrothermal method and their optical properties (2019)
  • Author(s): Nishimura Hisaaki、Lin Yuxin、Kunimasa Yuki、Kim DaeGwi
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 1220 Issue: 1 Pages: 012027-012027
  • DOI: 10.1088/1742-6596/1220/1/012027
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Hydrothermal synthesis of ZnSe:Mn quantum dots and their optical properties (2019)
  • Author(s): Nishimura Hisaaki、Lin Yuxin、Hizume Masayuki、Taniguchi Taichi、Shigekawa Naoteru、Takagi Tomomi、Sobue Susumu、Kawai Shoichi、Okuno Eiichi、Kim DaeGwi
  • Journal Title: AIP Advances Volume: 9 Issue: 2 Pages: 025223-025223
  • DOI: 10.1063/1.5085814
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Correlated Roles of Temperature and Dimensionality for Multiple Exciton Generation and Electronic Structures in Quantum Dot Superlattices (2019)
  • Author(s): Chang I-Ya、Kim DaeGwi、Hyeon-Deuk Kim
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry C Volume: 123 Issue: 4 Pages: 2549-2556
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.8b10565
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Surface modification effects on defect-related photoluminescence in colloidal CdS quantum dots (2018)
  • Author(s): Lee TaeGi、Shimura Kunio、Kim DaeGwi
  • Journal Title: Physical Chemistry Chemical Physics Volume: 20 Issue: 17 Pages: 11954-11958
  • DOI: 10.1039/c7cp07812a
  • NAID: 130008146547
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Experimental verification of Forster energy transfer and quantum resonance between semiconductor quantum dots (2018)
  • Author(s): D. Kim, T. Lee, Y-S. Lee, and T. Watanabe
  • Journal Title: Current Appl. Phys., in press Volume: - Pages: S14-S20
  • DOI: 10.1016/j.cap.2017.11.012
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Microwave-assisted hydrothermal synthesis of highly luminescent ZnSe-based quantum dots with a quantum yield higher than 90% (2017)
  • Author(s): Y-S. Lee, K. Nakano, H-B. Bu, and D. Kim
  • Journal Title: Appl. Phys. Express Volume: 10 Issue: 6 Pages: 065001-065001
  • DOI: 10.7567/apex.10.065001
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Modulation of Characteristics of Si Solar Cells by Luminescence- Downshifting Zn-Based Nanoparticles with Mn doped (2020)
  • Author(s): Y.Idutsu, J.Liang, H.Nishimura, D.G.Kim, and N.Shigekawa
  • Organizer: 2020 IEEE 47th Photovoltaic Specialists Conference (PVSC)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Si太陽電池に対するZnSe/ZnS:Mn/ZnS core/shellナノ粒子の堆積効果 (2020)
  • Author(s): 井筒 由紀、梁 剣波、西村 悠陽、金 大貴、重川 直輝
  • Organizer: 2020年 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] MnイオンをドーピングしたCdSeナノ粒子の作製と光学特性 (2020)
  • Author(s): 西村 悠陽、金 大貴
  • Organizer: 2020年 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Si太陽電池に対するMnドープ半導体ナノ粒子の堆積効果 (2019)
  • Author(s): 井筒 由紀、田中 駿、梁 剣波、楢崎 友城、西村 悠陽、金 大貴、重川 直輝
  • Organizer: 2019年第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 水熱合成法によるZnSe/ZnS:Mn/ZnSナノ粒子の作製と光学特性 (2019)
  • Author(s): 西村 悠陽、前川 貴哉、金 大貴
  • Organizer: 2019年 第30回光物性研究会
• [Presentation] 発光中心としてMnイオンをドーピングした半導体ナノ粒子の作製とその光学特性 (2019)
  • Author(s): 西村 悠陽、金 大貴
  • Organizer: 2019年 第18回低温工学・超伝導若手合同講演会
• [Presentation] 波長変換ナノ粒子 ZnSe/ZnS:Mn/ZnS の付加による太陽電池特性の向上 (2019)
  • Author(s): 1.西村 悠陽、前川 貴哉、高木 知己、祖父江 進、川井 正一、長谷川 順、金 大貴
  • Organizer: 2019年 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Effects of Layered Cadmium-Based Nanoparticles on Si Solar Cells (2019)
  • Author(s): Y. Idutsu, S. Tanaka, J.Liang, D.G.Kim, and N.Shigekawa
  • Organizer: 46th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (PVSC)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] コア/シェル構造を利用したMnドープZnSeナノ粒子の作製と光学特性 (2019)
  • Author(s): 西村 悠陽、前川 貴哉、高木 知己、祖父江 進、川井 正一、奥野英一、金大貴
  • Organizer: 2019年 日本物理学会第74回年次大会 14aK208-3
• [Presentation] CdSナノ粒子の表面改質効果と光学特性 (2019)
  • Author(s): 李 太起、志村 邦夫、金 大貴
  • Organizer: 2019年 日本物理学会第74回年次大会 15pS-PS-47
• [Presentation] コロイダル量子ドットの光物性と今後の展開 (2019)
  • Author(s): 金 大貴
  • Organizer: 2019年 第66回応用物理学会春季学術講演会 10p-M111-7
  • Invited
• [Presentation] 水熱合成法によって作製したCdSeナノ粒子の光学特性 (2019)
  • Author(s): 西村 悠陽、 李 太起、野口 雅斗、金 大貴
  • Organizer: 2019年 第66回応用物理学会春季学術講演会 10p-PA1-12
• [Presentation] 局在表面プラズモンによる半導体ナノ粒子の発光増強効果 (2019)
  • Author(s): 楢崎 友城、金 大貴
  • Organizer: 2019年 第66回応用物理学会春季学術講演会 10p-PA4-2
• [Presentation] 水溶性CdSナノ粒子の表面改質効果と光学特性 (2019)
  • Author(s): 李 太起、志村 邦夫、金 大貴
  • Organizer: 2019年 第66回応用物理学会春季学術講演会 11p-W833-9
• [Presentation] Si太陽電池特性に対する半導体ナノ粒子の堆積効果(2)-層数依存性 (2018)
  • Author(s): 田中 駿、楢崎 友城、梁 剣波、金 大貴、重川 直輝
  • Organizer: 2018年第79回応用物理学会秋季学術講演会 21a-133-5
• [Presentation] Temperature dependence of photoluminescence properties of water-soluble ZnSe quantum dots (2018)
  • Author(s): Yong-Shin Lee, Taichi Taniguchi, and DaeGwi Kim
  • Organizer: The 12th International Conference on Excitonic and Photonic Processes in Condensed Matter and Nano Materials
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Preparation of ZnSe-ZnS alloy quantum dots by a hydrothermal method and their optical properties (2018)
  • Author(s): Hisaaki Nishimura, Yuxin Lin, Yuki Kunimasa, and DaeGwi Kim
  • Organizer: The 12th International Conference on Excitonic and Photonic Processes in Condensed Matter and Nano Materials
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Absorption and of photoluminescence properties of CdSe quantum dots prepared by a hydrothermal method (2018)
  • Author(s): TaeGi Lee, Kaito Noguchi, Hisaaki Nishimura, and DaeGwi Kim
  • Organizer: The 12th International Conference on Excitonic and Photonic Processes in Condensed Matter and Nano Materials
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Temperature dependence of photoluminescence properties of water-soluble CdS quantum dots (2018)
  • Author(s): Kunio Shimura, TaeGi Lee, and DaeGwi Kim
  • Organizer: The 12th International Conference on Excitonic and Photonic Processes in Condensed Matter and Nano Materials
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Preparation and optical properties of ZnS-CuInS2 quantum dots (2018)
  • Author(s): Yota Uehigashi, Taisuke Nakatani, Kazutaka Iida, Hideki Ichida, and DaeGwi Kim
  • Organizer: The 12th International Conference on Excitonic and Photonic Processes in Condensed Matter and Nano Materials
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] CdSナノ粒子間のエネルギー移動ダイナミクスの温度依存性 (2018)
  • Author(s): 李 ヨン信、志村 邦夫、金 大貴
  • Organizer: 2018年 第29回光物性研究会 IA-10
• [Presentation] Layer-by-layer法によるCdTeナノ粒子超格子構造の作製と光学特性 (2018)
  • Author(s): 李太起、大城一馬、金大貴
  • Organizer: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 水熱合成法によるZnSeS 混晶半導体ナノ粒子の作製 (2018)
  • Author(s): 西村悠陽、林玉新、國政祐基、金大貴
  • Organizer: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 静電相互作用を利用したCdTeナノ粒子周期配列構造の作製と光学特性II (2018)
  • Author(s): 李ヨンシン、渡辺太一、金大貴
  • Organizer: 日本物理学会第73回年次年会
• [Presentation] Si太陽電池特性に対する半導体ナノ粒子の堆積効果 (2017)
  • Author(s): 田中 駿、浅川 良介、小川 智輝、楢崎 友城、梁 剣波、金 大貴、重川 直輝
  • Organizer: 第７８回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Layer-by-layer 法によるZnSe ナノ粒子超格子構造の作製と光学特性 (2017)
  • Author(s): 李太起、中野薫、金大貴
  • Organizer: 第７８回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 水熱合成法を用いた高い発光効率を有するZnSeナノ粒子の作製 (2017)
  • Author(s): 李ヨンシン、中野薫、夫恒範、金大貴
  • Organizer: 第７８回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] CdTeナノ粒子超格子構造の作製とその光物性 (2017)
  • Author(s): 渡辺太一、金大貴
  • Organizer: 第28回光物性研究会