太陽電池内部での電荷の輸送および再結合ダイナミクス解明のための計測手法確立

• Project/Area Number: 19K14629
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 13020:Semiconductors, optical properties of condensed matter and atomic physics-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 挾間 優治 東京大学, 物性研究所, 助教 (80759150)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2022: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2021: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2020: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000); Fiscal Year 2019: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
• Keywords: 太陽電池

Outline of Research at the Start

太陽電池を用いて光エネルギーを電気エネルギーに効率よく変換するためには、光で生成されたキャリアの移動度を向上させるとともに、非輻射再結合を低減することが必要である。これらの特性はデバイスの構造と作製過程に依存するため、完成したデバイスでそれらを評価するための測定手法が求められている。本研究では、時間分解分光法を利用して、そのような測定手法を開拓することを目指す。

Outline of Annual Research Achievements

これまでの研究から、時間分解光電子分光法を用いることで超短パルスによって励起された太陽電池に瞬間的に生じる光起電力の時間変化を測定できることを明らかにしていたが、それが太陽電池内部の光キャリアの運動とどのように関係するのかはわかっていなかった。
そこで、連続の式を用いた数値計算を行い、①弱励起極限での電圧の立ち上がり時間は擬中性層でのキャリアの拡散時間に対応していること、②弱～中強度励起下での電圧の減衰はキャリア寿命の指数関数になること、③強励起下では空乏層の飽和により電圧の減衰はキャリア寿命の指数関数減衰にならないこと、を明らかにした。さらに、発光減衰についても数値計算を行い、発光と電圧の時間変化がどのような対応関係を持つのかを調べた。その結果、進行研究において指摘されていたように、①弱励起下での強励起下での発光減衰は擬中性層でのキャリアの拡散時間に対応すること、②強励起極限での発光減衰はキャリア寿命に対応すること、が確認された。その上で、電圧と発光のダイナムクスの間に非自明な関係が存在することを明らかにした。すなわち、電圧をボルツマン因子で割った値の指数関数を取ったものが発光と同じ時間変化を示すことが分かった。これは、強励起下で準平衡状態が成立していることを意味している。
また、時間分解光電子分光測定において観測される起電力の最大値が本来予測される値よりも小さい点についても検証した。その結果、太陽電池の表面に薄い金を蒸着することで予測される最大値が観測されることが明らかになった。

Research Products

• [Presentation] Femtosecond-laser photoemission spectroscopy for ultrafast photovoltage dynamics: limitations and possibilities (2019)
  • Author(s): Y. Hazama, Y. Ishida, L. Zhu, C. Kim, S. Shin, and H. Akiyama
  • Organizer: 46th Photovoltaic Specialists Conference
  • Int'l Joint Research