Novel development of infrared sensitized photovoltaics based on control of intraband optical transition dipole

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19H00768
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 21:Electrical and electronic engineering and related fields
• Research Institution: Kobe University
• Principal Investigator: Kita Takashi 神戸大学, 工学研究科, 教授 (10221186)
• 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)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 太陽電池 / 量子ドット / バンド内遷移 / 赤外光吸収

Outline of Final Research Achievements

Using quantum nanostructures, it is possible to achieve photovoltaic conversion that responds to the infrared wavelength range by intra-band optical transitions. When applied this idea to solar cells, band-to-band optical transitions as well as intra-band optical transitions occur simultaneously, which can significantly improve the conversion efficiency of solar cells by absorbing different spectral bands of sunlight. In this study, we control the electron density in the quantum nanostructure to achieve strong intra-band optical absorption equivalent to inter-band light absorption, and also an optical antenna effect in the near-infrared and mid-infrared regions induced by localized surface plasmon formation in highly doped quantum dots has been clarified.

Free Research Field

半導体電子工学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

バンド内光学遷移分極の制御はヘテロ界面に量子ドットを１層だけ挿入することによって強いバンド内光吸収を実現した。この量子ドットとヘテロ界面を融合した量子ナノ構造におけるバンド内光学遷移エンジニアリングは光応答中心と光学遷移で励起される電子密度を独立して制御できる新しいアイデアであり、量子ドット形状による光学遷移選択の制御に加えて、量子ドット中の表面プラズモン閉じ込めによる光吸収増強効果も明らかとなり、高効率な太陽電池実現に必要な基礎特性を得ることができた。さらに、バンド内光学遷移エンジニアリングは近赤外域からテラヘルツ波長帯にまで及ぶ高感度な光センシングデバイス実現に波及すると期待できる。