Photovoltaic properties in high-density self-organized type-II quantum dot superlattice

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19H02541
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 岡田 至崇 東京大学, 先端科学技術研究センター, 教授 (40224034)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 量子ドット / 量子ドット太陽電池 / 中間バンド太陽電池 / 分子線エピタキシ－ / 2段階光吸収 / 集光型太陽電池

Outline of Annual Research Achievements

高均一で高密度の量子ドット超格子の作製技術に関わる実績を基に、量子ドット超格子中に形成される中間バンドを介した光電変換過程の制御法を確立し、量子ドットセルの高効率化に関し研究を進めている。その際、集光動作下において発生する熱のマネジメントが高効率動作実証への重要な要素となる。InAs/GaAs系量子ドットセルの場合、短絡電流密度は現状で約30～35 mA/cm2で、理論上は～50 mA/cm2になる。したがって100倍以上の集光下では5A/cm2程度になるためジュール損失とセル温度上昇による影響から効率として約40%が実デバイスの限界と考えられる。そこで電流密度を下げ、開放電圧を上げるアプローチとして、高エネルギーギャップのトップセルの下にInAs量子ドットを基盤とした中間バンドセルを配置した集光セルの作製と評価を行った。試作したInGaP/GaAs//InAs-InGaAs QDセル（2J+QDセル）において、700倍の高倍率集光下でも開放電圧の増加傾向が維持され、225 倍集光下で最大32.1%の効率を示した。このことから低電流・高電圧型の中間バンドセルはジュール損失の抑制だけでなくFF低下の抑制に対しても有効であることが分かった。
また集光による電圧回復の効果をより詳細に理解することが必要であり、絶対値発光分光の低温での励起光強度依存性及び電圧バイアス依存性を測定し、集光下での量子ドットにおける擬フェルミレベル分裂の非線形増大の振舞いに関し研究を始めている。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

高エネルギーギャップのトップセルの下にInAs量子ドットを基盤とした中間バンドセルを配置する低電流・高電圧型中間バンドセルのコンセプトはジュール損失の抑制だけでなくFF低下の抑制に対しても有効であることをクリアに示すことができた。
集光による電圧回復の効果をより詳細に理解することが必要であり、絶対値発光分光の低温での励起光強度依存性及び電圧バイアス依存性を測定し、集光下での量子ドットにおける擬フェルミレベル分裂の非線形増大の振舞いに関し研究を始めている。InAs/GaAs量子ドットセルにおいて、200 Kと100 Kの低温集光下における絶対値PLスペクトルの評価・解析を行った結果、GaAsバンド端発光については温度によらず室温と同様にダイオード方程式から導かれる理論曲線とよく一致した。一方、InAs量子ドット基底状態については、室温で非線形増大がより顕著であり、100 Kの低温ではほぼ理論曲線と一致する傾向を示した。

Strategy for Future Research Activity

高エネルギーギャップのトップセルの下にInAs量子ドットを基盤とした中間バンドセルを配置する低電流・高電圧型中間バンドセルのコンセプトは、ジュール損失の抑制だけでなくFF低下の抑制に対しても有効であることをクリアに示すことができた。
今後は光電変換層中の量子ドットの総数（面内密度×積層数）を結晶性を損なうことなく増大させるためのMBE成長の最適化を進めていく必要がある。

Research Products

• [Int'l Joint Research] CNRS/Ecole Polytechnique(フランス)
  • Country Name: FRANCE
  • Counterpart Institution: CNRS/Ecole Polytechnique
• [Journal Article] Photoabsorption improvement in multi-stacked InGaAs/GaAs quantum dot (2020)
  • Author(s): Y. Shoji, K. Watanabe, and Y. Okada
  • Journal Title: Solar Energy Materials & Solar Cells Volume: 204 Pages: 110216
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.solmat.2019.110216
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Detailed balance calculations for hot-carrier solar cells: coupling high absorptivity with low thermalization through light trapping (2019)
  • Author(s): M. Giteau, D. Suchet, S. Collin, J.-F. Guillemoles and Y. Okada
  • Journal Title: EPJ Photovoltaics Volume: 10 Pages: 1
  • DOI: https://doi.org/10.1051/epjpv/2019001
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Nanoscale Wet Chemical Engineering of III-V Quantum Dots for Emerging Solar Applications (2019)
  • Author(s): M. Bouttemy, D. Aureau, M. Fregnaux, Y. Shoji, Z. Jehl, D. Suchet, J.-F. Guillemoles, A. Etcheberry, and Y. Okada
  • Journal Title: ECS Meeting Abstracts Volume: 89 Pages: 37～46
  • DOI: https://doi.org/10.1149/MA2019-01/24/1230
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A hot-carrier assisted InAs/AlGaAs quantum-dot intermediate-band solar cell (2019)
  • Author(s): B. Behaghel, R. Tamaki, H.-L. Chen, P. Rale, L. Lombez, Y. Shoji, A. Delamarre, A. Cattoni, S. Collin, Y. Okada, and J.-F. Guillemoles
  • Journal Title: Semiconductor Science and Technology Volume: 34 Pages: 084001
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1361-6641/ab23d0
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Current transport efficiency analysis of multijunction solar cells by luminescence imaging (2019)
  • Author(s): H. Xu, A. Delamarre, B. M. F. Yu Jeco, H. Johnson, K. Watanabe, Y. Okada, J.-F. Guillemoles, Y. Nakano, and M. Sugiyama
  • Journal Title: Progress in Photovoltaics: Research and Applications Volume: 27 Pages: 835-843
  • DOI: https://doi.org/10.1002/pip.3140
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Optimizing the structure of quantum dot intermediate-band solar cells (2019)
  • Author(s): Yoshitaka Okada
  • Organizer: 30th World Nano Conference (NANO30)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Epitaxial Lift-Off of Ultrathin Heterostructures for Hot-Carrier Solar Cell Applications (2019)
  • Author(s): M. Giteau, K. Watanabe, H. . Sugiyama, A. Cattoni, S. Collin, J.-F. Guillemoles, and Y. OkadaSodabanlu, N. Miyashita, M
  • Organizer: Compound Semiconductor Week 2019 (CSW2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Quantum Dot Photovoltaics: Challenges Towards 50% Efficiency (2019)
  • Author(s): Yoshitaka Okada
  • Organizer: 10th International Conference on Materials for Advanced Technologies (ICMAT2019)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] High-Efficiency InAs-InGaAs Quantum Dash Solar Cells Developed Through Current Constraint Engineering (2019)
  • Author(s): Y. Okada, N. Miyashita, Y. Oteki, and Y. Shoji
  • Organizer: 46th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (PVSC46)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Progress and Approaches to High-Efficiency Intermediate Band Photovoltaics (2019)
  • Author(s): Yoshitaka Okada
  • Organizer: 7th International Workshop on Epitaxial Growth and Fundamental Properties of Semiconductor Nanostructures (SemiconNano 2019)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] 東京大学先端科学技術研究センター岡田研究室
  • URL: https://mbe.rcast.u-tokyo.ac.jp/