2020 Fiscal Year Research-status Report
Realization of high-efficiency energy conversion in solar cells using photon up-conversion
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20K14792
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
朝日 重雄 神戸大学, 工学研究科, 助教 (60782729)
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2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 太陽電池 / フォトンアップコンバージョン / 量子ドット / ガリウムヒ素 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
現在の太陽電池の主流である単接合型太陽電池の変換効率は理論的に約30%に制限される。その理論変換効率を超える太陽電池のアイデアがいくつか提案されているが、我々は2個の低エネルギー光子から1個の高エネルギー電子を生成する2段階アップコンバージョン（TPU）現象を利用した、新しい太陽電池構造である、2段階フォトンアップコンバージョン太陽電池（TPU-SC）を提案した。本研究では、アップコンバージョンによる電流上昇効率を現状からさらに10倍向上し、変換効率向上に寄与することを目的とする。
初年度となる今年度はまず、変調ドーピングによりアップコンバージョン効率効率を向上させた太陽電池を用いて物性評価を行った。まず、この変調ドーピング技術により、アップコンバージョンによる電流性成功率を示す、ΔEQEが3倍以上増加することを実証した。また、この太陽電池において、ヘテロ界面においてアップコンバージョンによる擬フェルミ準位の分裂を示す実験結果を得ることができた。ただし、単接合型太陽電池の変換効率を上回るためには、変調ドーピングだけでは難しいことが予想され、アップコンバージョン現象をより効率よく利用できる新たな構造を検討する必要がある。
一方、ホールのアップコンバージョンを利用したアップコンバージョン太陽電池の電流減少メカニズムに対して取り組んだ。これまでのフォトンアップコンバージョン太陽電池は電子のアップコンバージョンを利用するn-i-p構造だったが、原理的には同じことが正孔でも発生すると予想し取り組んだが、結果は追加赤外光の照射により電流が減少するという、逆の傾向となった。追加の光学実験により、この差は電子と正孔の実効的な移動度の差によるものであることを見出した。
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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
今年度はまず、変調ドーピングによりアップコンバージョン効率効率を向上させた太陽電池を用いて物性評価を行った。まず、この変調ドーピング技術により、アップコンバージョンによる電流性成功率を示す、ΔEQEが3倍以上増加することを実証した。また、この太陽電池において、ヘテロ界面においてアップコンバージョンによる擬フェルミ準位の分裂を示す実験結果を得ることができた。ただし、単接合型太陽電池の変換効率を上回るためには、変調ドーピングだけでは難しいことが予想され、アップコンバージョン現象をより効率よく利用できる新たな構造を検討する必要がある。
一方、ホールのアップコンバージョンを利用したアップコンバージョン太陽電池の電流減少メカニズムに対して取り組んだ。これまで実証してきたフォトンアップコンバージョン太陽電池は電子のアップコンバージョンを利用するn-i-p構造だったが、原理的には同じことが正孔でも発生するはずである。そこで、正孔のアップコンバージョンを利用したp-i-n構造のフォトンアップコンバージョン太陽電池を作製し評価を行った。その結果、追加IR光を照射した際の応答がn-i-p構造とは異なり、追加IR光照射で明確にEQEが減少する。その結果、ΔEQEが負の値となった。この結果は、当初の予測とは全く逆の特性であり、興味深い結果である。我々はこのEQE減少のメカニズムを解明するため、詳細な光学測定を行った。この結果から実効的な移動度の差が傾向の差になって表れていることを見出した。
一方、太陽電池作製を進めていく中で、結晶成長だけではなく、成長後の電極形成などのプロセスも性能評価に重要な影響を与えることが改めて分かったので、プロセスの条件出しを並行して進めている。これと並行して、デバイスシミュレーションを行い、シミュレーション上での再現を行っているが、これについては今年度も継続して行う。
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年度は変調ドーピングによりアップコンバージョン効率が3倍増加することが分かったが、この技術だけではまだ変換効率向上には寄与できないので、追加の新たな構造を検討している。まずは、昨年度作製した新たな構造の太陽電池について、特性評価を進めているのでそれを継続して行う。また、正孔のアップコンバージョンでは電流が減少することが分かっているが、そのメカニズムの解明と引き続き行うのと、これを正に転じる新たな構造を検討する。また、太陽電池作製を進めていく中で、MBEによる結晶成長だけではなく、成長後の電極形成などのプロセスも性能評価に重要な影響を与えることが改めて分かったので、プロセスの条件出しを進める。
それと並行し、デバイスシミュレーターソフトによる、フォトンアップコンバージョン太陽電池のシミュレーションを進めている。今年度中に実験結果から得られたパラメータを利用したシミュレーションを行う。また、中赤外分光励起によるフォトンアップコンバージョンの観測に成功していないので、その点に関しても引き続き検証を進めていく。
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Research Products
(11 results)
