2020 Fiscal Year Annual Research Report
Novel development of infrared sensitized photovoltaics based on control of intraband optical transition dipole
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19H00768
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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, 助教 (60782729)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 太陽電池 / 量子ドット / バンド内光学遷移 / 赤外光吸収 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
p型とn型に挟まれたダイオード構造の真性層に、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作製し、電子のみを蓄積したヘテロ界面において価電子バンド－伝導バンド間光学遷移とバンド内光学遷移の連続した2段階の遷移による電子のエネルギーをアップコンバージョンによって増強されたバンド内光吸収に基づく赤外波長域に応答する光電変換特性を実現する。本年度は以下のように実施した。
（１）量子ナノ構造の作製と基礎光学特性評価：分子線エピタキシー技術を利用して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、ヘテロ界面にSi変調ドーピングによって電子密度を制御した量子構造を作製した。変調ドーピングによる界面電界の制御を明らかにして、光電流取り出し特性を詳細に明らかにした。
（２）バンド内光学遷移分極の制御：バンド内光学遷移強度は、光電場で誘起される電子分極の大きさと遷移始状態の電子占有率に比例する。量子ドットのサイズ、密度による光学応答への影響を明らかにするため電子で満たされた量子ドットにおけるプラズモン共鳴特性を明らかにして中赤外領域における光アンテナ効果を理論的に予測した。具体的には、量子ドットの形状・サイズに依存したプラズモン共鳴特性を計算し、8～16マイクロメートルの広範囲にわたる制御性を明らかにするとともに、量子ドット間のプラズモン共鳴状態の結合によるモード分散を明らかにした。
（３）光吸収係数の定量評価とアップコンバージョン光電流の最大化：デバイスを試作して光近赤外から中赤外に広がる広い波長範囲で光応答特性を明らかにし、ヘテロ界面電子濃度に依存すると予想されるバンド内光学遷移を確認した。
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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
本年度は変調ドープ量子構造の作製とそれによる影響を明らかにすることができ、当初の目的を達成することができた。また、バンド内光学遷移分極の制御においては量子ドット間のプラズモン共鳴状態の結合によるモード分散を確認することができ、来年度の解析の端緒となる結果を得ることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
2021年度は以下のように研究を推進する。
（１）バンド内光学遷移分極の制御とバンド内光吸収増強効果メカニズムの解明：バンド内光学遷移強度は光電場で誘起される電子分極の大きさと遷移始状態の電子占有率に比例する。これまで量子ドットの形状やサイズによるプラズモン共鳴特性の制御について明らかにしてきたので、本年度はこれらの結合による高い制御性の実現とデバイスシミュレーションへの実装の検討を始める。
（２）光吸収係数の定量評価とアップコンバージョン光電流の最大化：変調ドープした量子ナノ構造において光近赤外から中赤外に広がる広い波長範囲で光応答特性のバイアス依存性など定量的評価を進める。
（３）アップコンバージョン太陽電池の試作と基礎特性評価：シミュレーションに基づいて太陽電池構造を試作し、光起電力と光電流に関する詳細を明らかにし、光による断熱的アップコンバージョンによる擬フェルミエネルギーの変化を明らかにする。
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