2021 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 | 希釈窒化物半導体 / 第一原理計算 / 電子局在状態 / 二波長励起フォトルミネッセンス / 非発光再結合中心 |
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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、電子局在状態を経由した２段階光吸収による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た。
GaPN混晶における電子局在状態による光吸収を理論的に解明するために、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。スーパーセル中で可能となる、すべての窒素原子配列に対して吸収係数を計算し、それらの総和から吸収スペクトルを求めた結果、統計的に外れ値となるような、バンドギャップの狭くなる窒素原子配列構造が電子局在状態となるバンドテイルを形成する様子が確かめられ、実験的に得られていたバンドテイルの形成機構を明らかにすることができた。
また、二波長励起フォトルミネッセンス測定を様々な波長の組み合わせの励起光を用いて行った。定量的な解析の結果、バンドギャップエネルギーよりも高いエネルギーの光と低いエネルギーの組み合わせでは、相互に２段階光吸収をアシストしており、２つの光の単純な和以上の効果をもたらす要因となることがわかった。バンドギャップエネルギーよりも低いエネルギーの２つの光の組み合わせの場合でも、２段階光吸収の相互のアシストによる、単純な和以上の効果が確かめられた。一方、アップコンバージョン発光の生じないような低エネルギー光を組み合わせると発光強度が減少することから、非発光再結合準位の影響を考慮する必要があることが明らかとなった。
さらに、様々な窒素濃度の試料について二波長励起フォトルミネッセンス測定を行った結果、窒素濃度が高くなると非発光再結合の影響が大きくなり、バンドギャップ内に非発光再結合準位が存在する可能性が示され、太陽電池のエネルギー変換効率の向上において検討すべき重要な知見が得られた。
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| Research Progress Status |
令和3年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和3年度が最終年度であるため、記入しない。
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