超高効率を有する薄膜多重量子井戸太陽電池の研究開発

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26630107
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 渡辺 健太郎 東京大学, 先端科学技術研究センター, 特任講師 (30523815)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: III-V族化合物半導体 / 太陽電池 / 量子構造 / 量子井戸 / エピタキシャルリフトオフ / フォトルミネッセンス / エレクトロルミネッセンス

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、InGaAs/GaAsP多重量子井戸構造を内包する太陽電池について、（１）薄層化プロセスおよび（２）光学評価のプロセスを確立することである。これらの目的に対して、（１）については、有機金属気相成長法による太陽電池構造の結晶成長過程において、太陽電池層の直下にウェットエッチングに対する選択性をもつエッチストップ層、あるいはリリース層を導入することで厚さ300μmのGaAs成長基板と、典型的に厚さ10μm以下の太陽電池層を分離する手法を試み、薄膜半導体太陽電池の形成することが可能となった。エッチストップ層を用いた場合は成長基板として用いたGaAsを完全に溶解することで比較的容易に大面積の薄膜化が可能である。また、リリース層を導入したエピタキシャルリフトオフと呼ばれる手法でも同様の薄層化が可能であり、この場合では成長基板が損なわれないために、低コスト化のために成長基板を再利用する過程についての知見が得られた。薄層化プロセスによって形成された薄膜太陽電池および、導電性基板上に形成した従来型の量子井戸太陽電池に対して、目的（２）について評価法の構築を試みた。実験上の注入キャリア密度が既知である、フォトルミネッセンス測定あるいはエレクトロルミネッセンス測定から、キャリアの再結合によって放射されるフォトンを定量的に観測することでセル内部に生じる電圧を推定する手法を確立した。これは、電極の介在を必要としない、非接触な電気的パラメータの抽出という利点を有している。この方法による太陽電池の評価の結果として、多重量子井戸構造を内包する場合、従来のバルク構造からなる太陽電池よりも高い発光効率を示すことが確認された。この結果から、多重井戸半導体を内包する太陽電池が実効的なバンドギャップ値に対して相対的に高い起電圧を生じる原因が再結合発光確率の高さによるものであることが示された。

Research Products

• [Journal Article] Thin-film solar cells with InGaAs/GaAsP multiple quantum wells and a rear surface etched with light trapping micro-hole array (2015)
  • Author(s): Kentaroh Watanabe, Tomoyuki Inoue, Hassanet Sodabanlu, Masakazu Sugiyama, and Yoshiaki Nakano
  • Journal Title: Jpn. J. Appl. Phys. Volume: 54 Pages: 08KA13-1-5
  • DOI: 10.7567/JJAP.54.08KA13
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Enhanced Light Trapping in Multiple Quantum Wells by Thin-Film Structure and Backside Grooves With Dielectric Interface (2015)
  • Author(s): Tomoyuki Inoue, Kentaroh Watanabe, Kasidit Toprasertpong, Hiromasa Fujii, Masakazu Sugiyama, and Yoshiaki Nakano
  • Journal Title: IEEE J. Photovoltics Volume: 5 Pages: 697-703
  • DOI: 10.1109/JPHOTOV.2015.2392941
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Absorption enhancement trough Fabry-Peort resonant modes in a 430 nm thick InGaAs/GaAsP multiple quantum wells solar cell (2015)
  • Author(s): B. Behaghel, R. Tamaki, N. Vandamme, K. Watanabe, C. Dupuis, N. Bardou, H. Sodabanlu, A. Cattoni, Y. Okada, M. Sugiyama, S. Collin, and J.-F. Gulliemoles
  • Journal Title: Appl. Phys. Lett. Volume: 106 Pages: 081107-1-4
  • DOI: 10.1063/1.4913469
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Optical analysis of the photon recycling effect in InGaAs/GaAsP multiple quantum well solar cell with light trapping structure (2016)
  • Author(s): Kentaroh Watanabe, Tomoyuki Inoue, Kasidit Toprasertpong, Amaury Delamarre, Hassanet Sodabanlu, Jean-Francois Guillemoles, Masakazu Sugiyama, Yoshiaki Nakano
  • Organizer: 43rd IEEE Photovoltaic Specialist Conference
  • Place of Presentation: Portland, OR, USA
  • Year and Date: 2016-06-05 – 2016-06-10
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Quasi-Fermi level splitting evaluation based on electroluminescence analysis in multiple quantum well solar cells for investigating cell performance under concentrated light (2016)
  • Author(s): T. Inoue, K. Toprasertpong, A. Delamarre, K. Watanabe, M. Paire, L. Lombez, J-F. Guillemoles, M. Sugiyama, and Y. Nakano
  • Organizer: SPIE Photonics West
  • Place of Presentation: San Francisco, CA, USA
  • Year and Date: 2016-02-13 – 2016-02-18
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Spatial carrier collection efficiency imaging by luminescence (2015)
  • Author(s): Amaury Delamarre, Laurent Lombez, Kentaroh Watanabe, Masakazu Sugiyama, Jean-Francois Guillemoles
  • Organizer: 25th International Photovoltaic Science and Engineering Conference
  • Place of Presentation: Busan, Korea
  • Year and Date: 2015-11-15 – 2015-11-20
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Self-Organized Texture of GaAs by Wet etching for Light Trapping in MQWs Solar Cells (2015)
  • Author(s): K. Watanabe,T. Inoue, M. Sugiyama, and Y. Nakano
  • Organizer: 31st European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition
  • Place of Presentation: Hamburg, Germany
  • Year and Date: 2015-09-30 – 2015-10-04
  • Int'l Joint Research