2021 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, 准教授 (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 / バンド内遷移 / 赤外光吸収 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、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量子ドットによって増強されたバンド内光吸収を実現する。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。そこで、InAs量子ドットの形状制御によって、入射光に対する遷移選択則を最適化して光電場で誘起される電子分極を最大化する。これによって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実現する。本年度の具体的な計画は以下のとおりである。
（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。これまでの研究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。量子ドットの結合状態によるプラズマ共鳴特性をシミュレーションし、共鳴特性の制御性を明らかにした。
（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赤外に広がる広い波長範囲で光応答特性に対してバイアス電圧を制御した評価を行い、光吸収率に関する知見を得た。
（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た。光起電力と光電流に関する詳細を調べ、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光起電力上昇により実証した。
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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
超高精度な半導体評価システムを導入したため、再現性の良い精度の高いデータを得ることが可能になった。そのためデバイス評価が格段に向上した。
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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。
（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。
（３）キャリアダイナミックスを考慮したアップコンバージョン効率の解析と光電流の最大化を図る。特に電子と正孔のキャリアタイプによる違いを明らかにする。
（４）太陽電池構造の設計と出力特性のシミュレーションを行い、太陽電池構造を試作して基礎特性を評価する。
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