2020 Fiscal Year Annual Research Report
Development of High Efficiency Photovoltaic Cells Using Electron Localized States in Dilute Nitride Semiconductors
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19H02612
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| Research Institution | Saitama University |
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Principal Investigator |
矢口 裕之 埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (50239737)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
秋山 英文 東京大学, 物性研究所, 教授 (40251491)
高宮 健吾 埼玉大学, 研究機構, 専門技術員 (70739458)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 太陽電池 / アップコンバージョン発光 / 第一原理計算 / 電子局在状態 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
高効率中間バンド型太陽電池への応用が期待される希釈窒化物半導体の一つであるGaPN混晶では、一般的な中間バンドの概念とは異なり、電子局在状態を経由した２段階光吸収による顕著なアップコンバージョン発光が観測される。この現象を太陽電池に応用することでエネルギー変換効率の向上を目指して研究を進めている。電子局在状態を有効に活用できる窒素組成変調構造を設計するために、昨年度よりも低い窒素濃度である3.125%のGaPN混晶をモデル化したスーパーセルに対して、第一原理計算による検討を行なった。その結果、〈110〉方向に沿って窒素原子が配列した場合にバンドギャップが最も狭くなることがわかり、昨年度検討した、高窒素濃度に対する結果と合致して、〈110〉方向に窒素原子が均等に配列することが電子局在状態の形成につながることが確かめられた。また〈110〉方向に窒素原子が均等に配列した場合、バンド構造が直接遷移型となることから、吸収係数もかなり大きくなることがわかった。これらの結果を第68回応用物理学会春季学術講演会で発表(Poster Award受賞)した。
２波長励起フォトルミネッセンス測定を精密に行なった結果、バンドギャップよりも高エネルギーの励起光に対しても電子局在状態を経由した２段階光吸収が生じていることが明らかになった。この知見に基づいて、バンドギャップよりも高エネルギーの励起光と低エネルギーの励起光を同時に照射した場合の励起強度依存性を定量的に説明することが可能となった。この結果を第81回応用物理学会秋季学術講演会で発表した。
高励起パワー密度のレーザー照射に伴うフォトルミネッセンス強度の変化を調べることによって、希釈窒化物半導体をデバイスに応用する際に問題となる信頼性についての検討を行った。その結果を雑誌論文で２件の発表を行った。
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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
電子局在状態を有効に活用できる窒素組成変調構造設計の指針を得るために、昨年度よりも低い窒素濃度である3.125%のGaPN混晶をモデル化したスーパーセルを用いて、第一原理計算によって検討した。窒素原子の配置を様々に変えて、バンド構造、伝導帯下端に対応する電子の空間密度分布、誘電関数などを求めた。実験との比較を定量的に行えるように、バンド構造や誘電関数を求める際には改良型Becke-Johnson交換ポテンシャルを用いた。また、スペクトル重みを考慮して、スーパーセルによって生じるゾーンの折り返しの展開によって遷移型を検討した。その結果、〈110〉方向に窒素原子が均等に配列している場合にバンドギャップが最も狭くなることがわかった。一方、それ以外の窒素原子の配列ではバンドギャップはほぼ同一であった。この結果から窒素原子を〈110〉方向に配列することが電子局在状態の形成に有効であることが確かめられた。また、〈110〉方向に窒素原子が均等に配列している場合にはバンド構造が直接遷移型であり、太陽電池の発電効率向上に有効な長波長に対する吸収係数がかなり大きいという、望ましい特性が得られることがわかった。
２波長励起フォトルミネッセンス測定によって、バンドギャップよりも低エネルギーの励起光だけでなく、高エネルギーの励起光に対しても電子局在状態による２段階光吸収が生じていることがわかった。この結果は、高エネルギーの励起光に対する実効的な光吸収増加を意味しており、太陽電池の効率向上に少なからず寄与すると期待される。
分子線エピタキシャル成長による窒素組成変調構造の作製に関しては、新型コロナウイルス感染症緊急事態宣言によって長期間にわたって入構禁止となったために、若干遅れているが、上に述べたように、第一原理計算による解析や多波長励起フォトルミネッセンスによる評価に関する進捗状況は順調である。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は以下の３つの研究を実施する計画である。
(1) 第一原理計算による電子構造解析に基づく窒素組成変調構造の設計 これまでの検討によって明らかになってきた電子局在状態の形成に有効である窒素原子の〈110〉方向への配列を考慮した窒素組成変調構造の設計を行う。具体的には原子層ドーピング超格子構造に対して第一原理計算を用いて、電子局在状態の形成について検討するとともに、結晶構造の異方性が誘電関数の異方性にとって効果的であることを実証する。また、これまでの検討と同様に改良型Becke-Johnson交換ポテンシャルを用い、スペクトル重みを考慮して、スーパーセルによって生じたゾーンの折り返しを展開して、遷移型について検討する。
(2) 分子線エピタキシャル成長による窒素組成変調構造の作製 第一原理計算によって明らかになった、窒素原子の〈110〉方向への配列を行うために、(111)基板上に窒素原子層ドーピング超格子構造を作製し、電子局在状態密度が増加することを実証する。また、太陽電池のプロトタイプ構造を作製する。
(3) 多波長励起フォトルミネッセンス測定による変換効率向上に向けた検討 昨年度に引き続いて、２波長励起フォトルミネッセンス測定において、バンドギャップよりも低エネルギーの２種類の励起光を用いてアップコンバージョン発光について調べる。また、GaP基板と格子整合したGaAsPN混晶におけるアップコンバージョン測定を行い、ミスフィット転位の影響について検討を行う。さらに、分子線エピタキシャル成長によって作製した窒素組成変調構造における電子局在状態を介した２段階光吸収を評価する。
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Research Products
(5 results)
