Development of infrared sensitive photoelectric conversion using quantum dots embedded at a heterointerfaces
| Project/Area Number |
23K26142
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| Project/Area Number (Other) |
23H01448 (2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 21050:Electric and electronic materials-related
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
喜多 隆 神戸大学, 工学研究科, 教授 (10221186)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
原田 幸弘 神戸大学, 工学研究科, 助教 (10554355)
朝日 重雄 神戸大学, 工学研究科, 准教授 (60782729)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥18,850,000 (Direct Cost: ¥14,500,000、Indirect Cost: ¥4,350,000)
Fiscal Year 2025: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2024: ¥7,930,000 (Direct Cost: ¥6,100,000、Indirect Cost: ¥1,830,000)
Fiscal Year 2023: ¥6,630,000 (Direct Cost: ¥5,100,000、Indirect Cost: ¥1,530,000)
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| Keywords | 太陽電池 / 量子ドット / バンド内遷移 |
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| Outline of Research at the Start |
量子ナノ構造を利用するとバンド内のサブバンド間光学遷移によって赤外波長域に応答する光電変換が可能になる。これによって一般的な価電子バンド－伝導バンド間の光学遷移に加えてバンド内光学遷移が同時に発現させ、可視域から近赤外域までの広い波長帯域で感度を有する高効率光電変換デバイスを実現する。本研究では、量子ドットを内包するヘテロナノ構造を利用してバンド内光学遷移分極制御の学理を追求し、量子ドットの形状制御とヘテロナノ構造のキャリア密度制御及び多層化によってバンド間光吸収に匹敵する強いバンド内光吸収を発現させる。
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| Outline of Annual Research Achievements |
量子ナノ構造を利用するとバンド内のサブバンド間光学遷移によって赤外波長域に応答する光電変換が可能になる。これを太陽電池に応用すると、一般的な価電子バンド－伝導バンド間の光学遷移に加えてバンド内光学遷移が同時に発現し、太陽光の異なるスペクトル帯を幅広く吸収することによって太陽電池の変換効率を根本的に向上させることができる。本研究では、量子ドットを内包するヘテロナノ構造を利用してバンド内光学遷移分極制御の学理を追求し、量子ドットの形状制御とヘテロナノ構造のキャリア密度制御及び多層化によってバンド間光吸収に匹敵する強いバンド内光吸収を明らかにするとともに、可視域から近赤外域までの広い波長帯域で感度を有する高効率光電変換デバイスを実現することを目指している。
2023年度は以下のように研究を進めた：
（１）分子線エピタキシー(MBE)技術を利用して、GaAs(001)基板上にAlGaAs/GaAsヘテロ界面にInAs量子ドットを挿入した量子ナノ構造を内包するダイオード構造を作製した。独自の温度制御したキャップ層の成長によって、InAs量子ドット成長中の原子拡散を制御して量子ドットサイズを制御するとともに、量子ドットの多層積層によってアスペクト比を制御した。また、キャリア拡散による電流収集率の低下を抑えるため新しいアイデアであるダブルトンネルバリア構造を導入することを検討し、ヘテロ界面近傍のエネルギー構造を明らかにするとともに、明瞭な電圧上昇を確認することに成功した。
（２）電子を含む量子ドットに表面プラズモンが局在して励起される共鳴特性を様々な条件でシミュレーションして電子密度は量子ドット間結合に応じて変化する分極応答特性を明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究におけるバンド内光学遷移のカギを握る表面局在プラズモンによる振動子強度の制御の仕組みが明らかになりつつある。また、バンド内で励起されたキャリアが均一に拡散することによるロスを抑える技術も進展した。今後選択ドーピングなどで、これまでの成果を融合して目的を達成できると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに積み上げてきた要素研究を統合していき、太陽電池構造における評価へとつなげていく。具体的には以下の項目について実施する：
（１）量子ナノ構造におけるバンド内光吸収率を体系立てて計測し、定量評価する。特に独自の量子ナノ構造設計や選択ドーピング実施によって一層精密にバンド内光遷移を制御して光電流を最大化する太陽電池構造の実現を目指す。
（２）量子ドットにおける局在表面プラズモン形成によって近赤外および中赤外領域における光アンテナ効果を実証する。
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Report
(1 results)
Research Products
(15 results)
