2022 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 – 2024-03-31
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| Keywords | 量子井戸 / 量子ドット / 量子細線 / 光電変換効率の優位性 / 太陽電池応用 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
量子井戸や量子ドットをもつ半導体量子構造太陽電池が高い光電変換効率を持つものとして精力的に研究されている。本研究課題では両者のうちいずれが今後の研究対象として優位であるかについて非発光電子遷移の観点から議論しようとするものである。液滴エピタキシ法で作製した良質のGaAs/AlGaAs量子ドットについてはそのサイズに不均一性はあるもののかなり高い効率を持つものが作製できるようになった。特に、これまで問題となっていたバンド間遷移エネルギーの異常な温度依存性については、ドットのサイズのばらつきと同時にAlGaAs障壁層でのキャリアのやり取りを考慮した理論計算モデルで旨く説明する事ができた。一方の量子井戸構造をもつものについては、デバイスを作製するうえで極めて高い精度でのサイズの制御が可能であることから量子ドットに比べてその優位性が期待されている。我々が研究対象としているInGaAs/GaAsPは、構造上極めて高い効率を持つものとして研究してきたが、格子整合を図るために導入したGaAs歪み緩和層の役割を十分に理解することはできていなかった。そこで、本研究課題では、障壁層のP組成を変化させることで生じる光励起キャリアの輸送特性を、発光再結合、非発光再結合、トンネルによるキャリアの輸送、熱励起によるキャリアの輸送の四つのプロセスを含むレート方程式を立て実験結果を解析した。その結果、歪み緩和層の挿入で期待できる長距離に渡る平均歪みが局所歪みによって十分に緩和できなくなり、P（リン）のある組成での効率が最高になることを見いだした。さらに、中間構造と考えられる量子細線（ワイア）についても研究を行い、当初の目的を達成するための違う観点からの根拠とする。なお、これらの成果を、国内外の学会で公表し議論を深めることで量子構造太陽電池の開発に携わる研究者に指針を示すことが重要である。
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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
GaAs/AlGaAs量子ドットについての実験成果はすでに学術論文として2020年度に公表している。歪み緩和層を挿入したInGaAs/GaAsP量子井戸については、光励起キャリアの輸送方程式を伝導体の電子と価電子帯の正孔双方について同時に考慮する新しいモデルについては2020年度に公表済みである。2021年度には後者の議論を基礎として、Pの組成を変えることで平均歪みと局所歪みの相関関係についての議論を行い、その成果についても2022年度（2023年）に論文として公表している。量子井戸の量子ドットと比べたときの優位性についてはほぼこれまでの研究成果の示すところであり、これをより確かにするためさらに量子井戸と量子ドットの中間に位置する量子細線（1次元構造）についての実験も行っている。以上の成果により研究は順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
量子構造における光励起キャリアの輸送効果が太陽電池変換効率へ及ぼす影響を調べるために、量子ドット構造における濡れ層の影響と、量子井戸層における歪みの緩和プロセスをより具体的に議論できた。さらに、このモデル計算でこれまで考えていなかった高次の量子準位の影響などを考慮した理論解析的な研究を行った。量子井戸ならびに量子ドットに関する実験結果とその解析手法、解析結果については、ほぼ結論に近い成果を得ているが、さらに量子井戸と量子ドットの中間に位置する量子細線（1次元構造）についての実験を開始した。2023年度はこの構造についての研究を主として実施する。2022年度はCOVID-19の影響も少し収まったため、国内で開催された国際会議や学会での発表を行うことができた。2023年度も引き続き学会発表を行う。また当然のことながら、論文執筆にこれまで以上に多くの時間を使う事ができるため解析と議論は一層進展するものと考えている。
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| Causes of Carryover |
2021年度以来COVID-19によって、国際会議を含めほぼ全ての学会発表の道が閉ざされた。会議の延期などにより実現しなかったものには、EMRS（欧州材料学界国際シンポジウム）、AVSシンポジウム（米国真空学会）、さらに、ICPS（半導体物理国際会議）があり、複数のアブストラクトが受理されたにもかかわらず辞退せざるを得なかったものもある。これまで国内の学会などではWeb会議は行われており、いくつかの学会、特に国内の学会にはWebで参加した。とはいえ、本研究のように複雑なモデル計算を伴う解析については対面での議論が不可欠であると考えている。従って、国内外への学界への出席を目的とし科研費を繰り越すことにした。なお、解析あるいは論文執筆中に必要となる付加的な補足実験や、新しい概念からのアプローチと考える研究については、2023年度に集中的に実施する。
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