2018 Fiscal Year Research-status Report
Predominance of quantum well structure for solar cell application from a non-radiative electron transition loss point of view
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18K04876
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| Research Institution | University of Miyazaki |
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Principal Investigator |
碇 哲雄 宮崎大学, 工学部, 研究員 (70113214)
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2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 量子ドット / 量子井戸 / 太陽電池への応用 / 光電変換効率の優位性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2018年度は量子井戸および量子ドットに関しての実験を行い、それぞれ得られた結果について、理論計算結果との比較も含めて研究を進め、その結果は論文として公表すると共に、国際会議でも発表した。
量子井戸に対しては、先ず井戸層内に残存する歪みの効果と電子遷移機構の関係について議論するために、井戸層とバリア層の間に緩和層を設け、その厚さを変えることによる影響を検討した。実験手法としてはフォトルミネセンス、表面界面の光起電力、そして光熱変換分光法を用いた。その結果、緩和層の挿入によって量子井戸内第一励起準位の波動関数の広がりによってミニバンドができ、これによってキャリアの移動が滑らかになっている事を確認した。
量子ドットに関しては、フォトルミネセンス実験手法を主な手段とした。光熱変換分光法についても実験を行ったが、信号強度が非常に弱く明確な信号を得ることは今のところできていない。ただ、検出器の配置を変えたり、変調周波数を変える事により、多方面からの信号起因の解釈ができるものと考えている。
量子井戸とドット構造の太陽電池に応用する際の優劣を議論するために、まずドットに関して、実験結果の解釈と理論的考察を行った。実験は井戸層（濡れ層という）がある試料と、そうでない試料を作成し行った。ドットにおける井戸構造との明確な違いは、フォトルミネセンススペクトルの発光ピークエネルギーの温度依存性に現れた。100Kあたりの低温においてピークエネルギーは大きなレッドシフトを見せたあと、150Kから200K程度で、再びブルーシフトを見せることが分かった。この原因について、レート方程式（速度方程式）をたてて理論計算を行っており、大まかな部分は説明できそうであることが分かった。ただ詳細については、矛盾点も残っており、今後の検討を行う必要がある。
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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
量子井戸については、緩和層の影響を議論した結果を論文として公表した。本研究の方向性として量子井戸の方が精密な構造の作成が可能であることから、ドットに対して優位性があるものと考えている。そのため、物性論的観点からの議論は井戸に対して先ず詳しく行い、そこ傾向をドットに応用して行く事を考えている。ゼロ次元構造であるドットは、実は、三次元的に閉じ込める必要があり、計算に使うドット形状が複雑な場合、議論が難しくなる。
また、これらの研究成果を論文にする前の議論の段階で国際会議においても発表し、参加者と多くの議論を行うことができた。特に、モンペリエでの半導体国際会議においては量子ドットに詳しいミラノ大学の研究グループと綿密な議論を行う事ができた。また同時に、これまで議論を共にしてきたNIMS（物質・材料研究機構）の研究員ともモデルに関する詳しい論が進んでいる。
量子井戸とドット構造の太陽電池に応用する際の優劣を議論する際に重要となることのひとつに、量子ドットを作成する際に量子井戸構造が一部に残っていることが一般的であるため、それらを区別する必要がある。そのため、明確に井戸層（濡れ層という）がある試料と、そうでない試料を作製し、実験を行った。今回の実験結果の解析の結果、この濡れ層の存在が特性に大きな影響を及ぼすことが示唆され、理論計算モデルにおいても、これをどのように取り扱うかという点が重要になる。
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| Strategy for Future Research Activity |
実験の進め方は、量子井戸については井戸層からのキャリアの熱励起による太陽電池変換効率への影響を調べるために、井戸やバリア層に用いる材料の組成を変えて電子状態を連続的に変化させる。また、量子ドットについては、「濡れ層」と言われる量子井戸構造の影響を議論する必要があるため、全体の試料に対する実験結果を整理し直して、必要があれば新しい構造の試料も作製する。
現時点で一番必要なことは、理論的なモデルの構築である。このため、レート方程式にドットの形状と同時に、濡れ層やバリア層へのキャリアの励起、非発光再結合号を全般的に入れたモデルを作成中である。ただ、単純に物性パラメーターを増やせば良いというものではなく、物性論的にどのパラメーターが重要であるのかを見極めていかなければならない。今年度はこの観点から実験ばかりでなく特に重点的な理論計算を行う。
ドットにおける井戸構造との明確な違いが現れるフォトルミネセンススペクトルのピークエネルギーとルミネセンススペクトルの半値幅の温度依存性にについて、特に注意を払う。現時点で持っている実験結果は、濡れ層のあるなしに関わらずこれらのレッドシフトが見られるようであり、大まかな部分は説明できそうであるが、詳細については依然として矛盾点も残っており、今後更に詳しい検討を行う予定である。なお、実験結果については、今年も国際会議で発表を行う予定であり、世界の研究者と有意義な議論ができるものと期待している。
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| Causes of Carryover |
研究年度1年目の成果について二件の国際会議で発表する予定であったが、一件目の会議や他研究者との打合せの中で量子井戸と量子ドット中の格子振動の影響が当初想定したものよりも大きいことが分かり、理論的モデルの再構築などの議論に時間を要した。そのため、二件目の国際会議への出張を2年目に繰り越すこととし、その経費を次年度に繰り越すことにした。なお、2年目には更に詳細の議論を進めて論文執筆を行うと共に、他の国際会議へも出張し、できるだけ多くの国内外の研究者と議論することを考えている。
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[Journal Article] Effect of Light Irradiation on Carrier Mobility of n- and p-type Si substrates for Solar Cell Application2018
Author(s)
Fukuyama, A., Tategami, S., Takauchi, K., Matsuda, N., Nakamura, T., Suzuki, H., Nishioka, K., Ikari, T.
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Journal Title
2018 IEEE 7th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion
Volume: 1
Pages: 1792-1795
DOI
Peer Reviewed
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