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量子ドット超格子における電場増強効果を利用したホットキャリア型太陽電池

Research Project

Project/Area Number 22K04183
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 21050:Electric and electronic materials-related
Research InstitutionKobe University

Principal Investigator

原田 幸弘  神戸大学, 工学研究科, 助教 (10554355)

Project Period (FY) 2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Keywords局在表面プラズモン共鳴 / InAs/GaAs量子ドット / 太陽電池 / ホットキャリア / 量子ドット超格子 / ホットキャリア型太陽電池
Outline of Research at the Start

半導体量子ドットを利用したホットキャリア型太陽電池の実現に向けて、本研究では、半導体量子ドットにおける局在表面プラズモン共鳴による赤外領域での光電場増強効果に注目する。光励起キャリアによる局在表面プラズモン共鳴を利用することで、InAs/GaAs量子ドット超格子からの高効率なホットキャリア電流取り出しを実現し、ホットキャリア型太陽電池の高効率化技術を開発する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、InAs/GaAs量子ドット超格子を内包する太陽電池において、局在表面プラズモン共鳴を利用した高効率なホットキャリア電流取り出しを実現し、単接合型太陽電池の変換効率限界を突破する、ホットキャリア型太陽電池の学理構築と高効率化技術の開発を目的とする。2023年度は、高密度InAs/GaAs量子ドットにおける局在表面プラズモン共鳴による自由キャリア吸収特性に関する研究を遂行した。具体的な研究成果は以下の通りである。
○2022年度の研究成果より、電子の擬Fermi準位の上昇に伴って、InAs/GaAs量子ドットにおける局在表面プラズモン共鳴の共鳴波長は近・中赤外波長域において短波長側へシフトする。InAs/GaAs量子ドットにおける局在表面プラズモン共鳴の共鳴波長を太陽光スペクトルの波長帯域に制御することによって、GaAs層での自由キャリア吸収による励起レートが1桁増大することを、有限要素法をベースとした光電磁場解析によって明らかにした。この計算結果は、AlGaAs/GaAsヘテロ構造で構成された2段階フォトンアップコンバージョン太陽電池において、InAs/GaAs量子ドット近傍の電場増強効果を利用することでエネルギー変換効率の向上が期待できることを示唆している。
○InAs/GaAs量子ドットの面密度を高くすることによって、自由キャリア吸収の吸収率が増大し、局在表面プラズモン共鳴の共鳴波長が長波長側へシフトすることを明らかにした。また、高い電子密度においては局在表面プラズモン共鳴による散乱は吸収よりも強くなることが明らかになった。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

単接合型太陽電池の変換効率限界を突破するホットキャリア型太陽電池の実現に向けて、高密度InAs/GaAs量子ドットにおける局在表面プラズモン共鳴による光電場増強特性を解明した。量子ドットにおけるバンド内遷移はホットキャリア型太陽電池の変換効率を向上させるため、局在表面プラズモン共鳴による光電場増強効果を利用することによって、単接合型太陽電池の変換効率限界を突破するホットキャリア型太陽電池の実現が期待できる。

Strategy for Future Research Activity

単接合型太陽電池の変換効率限界を突破するホットキャリア型太陽電池の実現に向けて、2024年度は、局在表面プラズモン共鳴による光電場増強効果を考慮したInAs/GaAs量子ドット超格子太陽電池の理論変換効率を明らかにする。

Report

(2 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • Research Products

    (12 results)

All 2024 2023 2022

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 2 results) Presentation (8 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Journal Article] Electric Field Enhancement Effect by Localized Surface Plasmon Resonance in Heavily-Doped InAs/GaAs Quantum Dots2024

    • Author(s)
      Mizuto Kawakami, Yukihiro Harada, Shigeo Asahi, Takashi Kita
    • Journal Title

      Journal of the Society of Materials Science, Japan

      Volume: 73 Issue: 2 Pages: 178-182

    • DOI

      10.2472/jsms.73.178

    • ISSN
      0514-5163, 1880-7488
    • Year and Date
      2024-02-15
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Two-step photon up-conversion solar cell using a hetero-interface embedding quantum dots2023

    • Author(s)
      朝日 重雄、原田 幸弘、喜多 隆
    • Journal Title

      Oyo Buturi

      Volume: 92 Issue: 9 Pages: 550-554

    • DOI

      10.11470/oubutsu.92.9_550

    • ISSN
      0369-8009, 2188-2290
    • Year and Date
      2023-09-01
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Two-step photon up-conversion solar cell using quantum dots embedded beneath the hetero-interface2023

    • Author(s)
      Shigeo Asahi, Yukihiro Harada, Takashi Kita
    • Journal Title

      JSAP Review

      Volume: 2023 Issue: 0 Pages: n/a

    • DOI

      10.11470/jsaprev.230426

    • ISSN
      2437-0061
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 中間バンドを有する熱放射ダイオードの理論発電密度2024

    • Author(s)
      原田 幸弘, 西井 風花, 喜多 隆
    • Organizer
      第71回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Localized Surface Plasmon Resonance of Quantum Dots in Two-Step Photon Up-Conversion Solar Cell Structures2023

    • Author(s)
      Y. Harada, M. Kawakami, S. Asahi, and T. Kita
    • Organizer
      50th IEEE Photovoltaic Specialists Conference
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 高ドープInAs/GaAs量子ドットにおける局在表面プラズモン共鳴による赤外光吸収増強2023

    • Author(s)
      川上 瑞人, 原田 幸弘, 朝日 重雄, 喜多 隆
    • Organizer
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Enhanced Near-Infrared Absorption by Localized Surface Plasmon Resonance in Heavily-Doped InAs/GaAs Quantum Dots2023

    • Author(s)
      Y. Harada, M. Kawakami, S. Asahi, and T. Kita
    • Organizer
      第42回電子材料シンポジウム
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 局在表面プラズモン共鳴による高ドープInAs/GaAs量子ドットにおける赤外光吸収増強2023

    • Author(s)
      川上 瑞人, 原田 幸弘, 朝日 重雄, 喜多 隆
    • Organizer
      第34回光物性研究会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] ドープされたInAs/GaAs量子ドットにおける局在表面プラズモン共鳴による電場増強効果2023

    • Author(s)
      川上瑞人, 原田幸弘, 朝日重雄, 喜多隆
    • Organizer
      日本材料学会半導体エレクトロニクス部門委員会2022年度第3回研究会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] Intraband Absorptivity in Two-Step Photon Up-Conversion Solar Cells2022

    • Author(s)
      Yukihiro Harada, Shigeo Asahi, Takashi Kita
    • Organizer
      The 35th International Conference on the Physics of Semiconductors
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Intraband Transition in Two-Step Photon Up-Conversion Solar Cells2022

    • Author(s)
      Yukihiro Harada, Shigeo Asahi, Takashi Kita
    • Organizer
      第41回電子材料シンポジウム
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 中間バンドを用いた熱放射発電素子2023

    • Inventor(s)
      原田 幸弘, 喜多 隆
    • Industrial Property Rights Holder
      原田 幸弘, 喜多 隆
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Filing Date
      2023
    • Related Report
      2023 Research-status Report

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Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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