2017 Fiscal Year Annual Research Report
Study of multi-band solar cells using dilute nitride semiconductors
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16H05895
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| Research Institution | Saitama University |
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Principal Investigator |
八木 修平 埼玉大学, 理工学研究科, 准教授 (30421415)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 中間バンド型太陽電池 / 希釈窒化物半導体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本課題では、GaAsを母体材料として窒素のδドープ層を周期積層した「窒素δドープ超格子」を用いて、従来の単接合太陽電池に比べ大幅な性能向上が狙える「中間バンド（マルチバンド）型太陽電池」を開発することを目的としている。今年度は、前年度までの成果を元に、セル構造の試作と発電特性の評価を行った。試作セルは、分子線エピタキシー法でGaAs基板上にアンドープGaAs窒素δドープ超格子を光吸収層としたp-i-n構造を成長した後、表面櫛型電極及び裏面電極を蒸着して作製した。試作セルの量子効率スペクトルを測定した結果、中間バンド（E-バンド）での光吸収による吸収端波長の増大と、伝導帯（E+バンド）の光吸収による生成電流を確認できた。さらに、価電子帯-中間バンド間を励起する単色光に加え、擬似太陽光とローパスフィルターの組み合わせによる長波長光（>1400 nm）を重畳して照射することで量子効率の増大を観測し、中間バンドを介した二段階光吸収による電流生成への寄与を実証した。一方でその量は単色光のフォトン数を基準として0.1-1.0%と微量であり、大幅に向上する必要があることが課題として明らかになった。このため、光吸収層の窒素組成分布などのセル構造の検討を行い、中間バンドへのキャリア蓄積による中間バンド-伝導帯間の光吸収増大と伝導帯からのキャリア取り出しを同時に促進するようなポテンシャル傾斜を有する組成傾斜構造を提案した。現在までにこのような窒素組成傾斜セルを試作し、各バンド間の光吸収・キャリア輸送への影響について初期的な結果を得ている。また、セル構造と二段階吸収電流を関連付ける物理的要因を明らかにするため、電気・光学特性評価用クライオスタットとの組み合わせによる低温分光測定システムを構築した。次年度はこれらの評価を進めセル構造を最適化することで中間バンド型太陽電池の変換効率の向上を目指す。
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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
当初計画通りGaAs:Nδドープ超格子を光吸収層とした太陽電池セルの試作と発電特性の評価を行い、二段階吸収による光電流の生成を確認することができた。中間バンド-伝導帯間の光学遷移の増大や伝導帯からのキャリア取り出しについての課題が明確になったことで、セル構造の設計に関する指針を得た。予定していたデバイスシミュレーションによる動作解析については大きな進展が得られていないが、次年度のセル評価と合わせて最適構造の設計に利用することを予定している。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究により、GaAs:Nδドープ超格子を光吸収層として利用した中間バンド型太陽電池の試作と動作確認が出きた。今後は超格子の構造パラメータがキャリア移動度やキャリア寿命などの基礎物性に与える影響を調べることで引き続き材料特性の向上を図るとともに、セル構造の試作と評価、デバイスシミュレーションによる最適構造設計、プロセスの最適化を進めていく。また低温分光測定システムによる評価を行い、セル構造と二段階吸収電流を関連付ける物理的要因を明らかにすることで、中間バンド型太陽電池の変換効率の向上を目指す。
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