2016 Fiscal Year Annual Research Report
高密度自己組織化量子ドットアレイの作製と光電変換メカニズムの解明と制御
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26246017
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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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)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 量子ドット超格子 / 量子ナノ構造 / 2段階光吸収過程 / 中間バンド太陽電池 / 分子線エピタキシー / 自己組織化量子ドット / フーリエ変換光電流分光法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
量子ドット・超格子による最適なミニバンド構造を光吸収層に導入した太陽電池では、エネルギー変換効率の理論値が集光時に60%を上回る。中間バンドを使った高効率化のアプローチでは、中間バンド内の準位に光励起されたキャリアの寿命が十分長いこと、さらに中間バンド→伝導帯への光励起が効率良く生じることが必須である。この光励起と再結合レートとの競合関係、及び太陽光スペクトルとの整合性が太陽電池の特性を決定する。
本研究では、高均一で高密度の量子ドット超格子の作製技術の実績を基に、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メカニズムの解明とその制御法を研究し、量子ドット太陽電池の高効率化を図ることを目的とする。また、新たに高エネルギーギャップ・トップセルと量子ドットセルを組み合わせた高効率集光セルを作製し、電流整合の最適化及び高電圧化を図る。
本年度は、まずGaSb/GaAsタイプII型量子ナノ構造の高品質化に向けて成長条件の検討を行い、S-K成長法によってGaSb結晶を3次元状に形成した後に、Asを一定時間照射して形状を制御することでPL発光寿命が長寿命化されることを見出した。またGaSb結晶にAsを照射した試料では、量子ナノ構造中に生成されたキャリアが光励起によって取り出される割合が高くなることを明らかにした。
次に、多重積層InAs量子ドット太陽電池において、フーリエ変換光電流分光法(FTPS)を用いて２段階光吸収過程の１段階目と２段階目を詳細にスペクトル分解した量子効率スペクトルマップを得た。量子効率スペクトルマップと太陽光スペクトル(AM1.5D)との重なり積分から、２段階光吸収による光電流生成について定量的な解析を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
中間バンド型太陽電池は、単接合太陽電池のバンドギャップ中に中間バンドを１つ設けた比較的単純な構造ながら多接合セルに匹敵する高い変換効率が可能である。量子ドット超格子から成る中間バンドの挿入によって効率良く光電流を増やすためには、価電子帯から中間バンドに励起した電子を電流整合させつつ伝導帯に光励起することが鍵である。
この観点から、本年度は多重積層InAs量子ドット太陽電池において、フーリエ変換光電流分光法を用いて２段階光吸収過程の１段階目と２段階目を詳細にスペクトル分解した量子効率スペクトルマップを得ることができた。これにより量子効率スペクトルマップと太陽光スペクトル(AM1.5D)との重なり積分から、２段階光吸収による光電流生成について定量的な評価が可能となった。
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| Strategy for Future Research Activity |
１．高エネルギーギャップ材料とトップセルの開発
中間バンド型太陽電池は、電流の増大により高効率化が得られる。InAs/GaAs系量子ドットセルの場合、短絡電流密度は現状で約30～35mA/cm2である。したがって500倍集光下では15 A/cm2以上になり、ジュール損失とセル温度上昇による影響から、集光効率として約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を研究する。本研究では、トップセル材料として従来のAlGaAsの他に、InP基板に格子整合するAlGaAsSb系化合物を取り上げる。特にInP基板上においては、AlAsSb, GaAsSb等の材料系はよく調べられているが、AlGaAsSb混晶などについては不明な点が多い。そこで、InP基板上に格子整合しワイドバンドギャップを有するAlGaAsSb混晶のMBE成長条件を研究する。製膜したAlGaAsSb系薄膜は、表面ステップ構造の特性、光吸収特性、残留キャリア密度などの電気的特性などを評価し、トップセルとして利用する際の指針を得る。
２．量子ドット太陽電池特性解析へ向けたデバイスシミュレ―タの拡張
効率的な２段階光吸収過程の実現を目的としたフォトンラチェット機構を量子ドット中間バンド型太陽電池に導入することを考察する。ラチェット機構が太陽電池特性に与える影響について昨年度までに開発したデバイスシミュレーションを用いて明らかにする。
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Research Products
(11 results)
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[Journal Article] Demonstration of the operation principles of intermediate band solar cells at room temperature2016
Author(s)
E. López, A. Datas, I. Ramiro, P.G. Linares, E. Antolin, I. Artacho, A. Marti, A. Luque, Y. Shoji, T. Sogabe, A. Ogura, Y. Okada
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Journal Title
Solar Energy Materials and Solar Cells
Volume: 149
Pages: 15-18
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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