Development of High Efficiency Photovoltaic Cells Using Electron Localized States in Dilute Nitride Semiconductors

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19H02612
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 30010:Crystal engineering-related
• Research Institution: Saitama University
• Principal Investigator: Yaguchi Hiroyuki 埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (50239737)
• 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)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 太陽電池 / 希釈窒化物半導体 / 第一原理計算 / 電子局在状態 / アップコンバージョン発光 / 二波長励起フォトルミネッセンス / 非発光再結合

Outline of Final Research Achievements

We have investigated the improvement in the conversion efficiency of intermediate-band solar cells by utilizing two-step optical absorption through electron localized states in dilute nitride semiconductors. First-principles calculations based on the supercell method revealed that the arrangement of nitrogen atoms in GaPN significantly varies the band gap energy and causes the formation of localized states. We found from the excitation power dependence of two-wavelength excited photoluminescence and photocurrent characteristics of prototype solar cells that above-gap excitation and below-gap excitation synergistically increase photogenerated carriers, which leads to the increase in the efficiency of solar cells.

Free Research Field

結晶工学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

温室効果ガスを発生しない再生可能エネルギーのさらなる活用が望まれる中で主要な役割を担う太陽光発電への期待は大きい。中間バンド型太陽電池は高い変換効率を有する太陽電池の一つとして期待されているが、実現には至っていない。本研究では、従来とは異なる、希釈窒化物半導体における電子局在状態を介した２段階光吸収を活用するアプローチについて検討した結果、波長の異なる光が相乗的に効率向上をもたらす可能性を見出した。また、効率向上の妨げとなる要因の存在を明らかにし、今後、太陽電池の効率向上のためのさらなる取り組みへの指針を得ることができた。