非発光再結合検出による非破壊三次元評価法の開発と量子ナノ太陽電池の効率向上

• 研究課題/領域番号: 16H04648
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: エネルギー学
• 研究機関: 宮崎大学
• 研究代表者: 福山 敦彦 宮崎大学, 工学部, 教授 (10264368)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 17,160千円 (直接経費: 13,200千円、間接経費: 3,960千円); 2020年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2019年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円); 2018年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円); 2017年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円); 2016年度: 9,620千円 (直接経費: 7,400千円、間接経費: 2,220千円)
• キーワード: 非発光再結合過程 / 超高効率量子ナノ太陽電池 / 非破壊且つ非接触評価技術 / レーザーヘテロダイン検出 / 非発光再結合 / 表面変位量測定 / ヘテロダイン干渉系 / 熱損失マッピング / 非破壊三次元評価 / 量子ドット / 量子井戸 / 太陽電池 / 量子ナノ構造 / 熱電素子 / 熱損失 / 非破壊非接触評価 / 非発光再結合検出 / ヘテロダイン表面変位検出 / 非破壊非接触評価法 / ヘテロダイン型干渉系 / 光熱変換分光 / 量子ナノ構造太陽電池 / モノダイン型干渉系

研究成果の概要

GaAs歪緩和層を挿入したSL構造を含む太陽電池サンプルのPLおよびPPT信号の温度解析を行った。SL内量子準位間の電子遷移に伴う発光および非発光再結合信号によるピークが明確に観測されたことから、量子準位に光励起されたキャリアについて4つの緩和過程を考慮したモデルを構築してフィッティングした。その結果、電子と正孔共にトンネリング過程によって量子井戸外へ脱出しやすくなり、結果的にキャリア回収効率が大きく向上することが分かった。
光ヘテロダイン光熱変換法を構築してn-Siの表面変位量を測定した。これは熱拡散方程式に境界条件と励起光の光吸収を考慮した差分法による理論計算とよく一致した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

量子ナノ太陽電池で十分な変換効率が得られていない理由は光吸収層に挿入する量子井戸や量子ドット、超格子構造の物性評価が不十分なためである。これら量子ナノ構造はLEDやLDなど発光デバイスに既に実装されているが、注入キャリアの発光再結合のみに注目したものである。一方、太陽電池では量子ナノ構造内に発生した光励起キャリアの再結合を抑制しつつ数十層もの量子ナノ構造中を輸送させるという非常に複雑なデバイス動作が必要であり、得られた成果は学術的にも非常に興味深い。また、非発光再結合に伴う表面変位量を非接触且つサブナノオーダーで高感度検出できる手法の確立は、様々な学術分野に応用できるポテンシャルを持つ。

研究成果

• [雑誌論文] Reduction of non-radiative recombination by inserting a GaAs strain-relaxation interlayer in InGaAs/GaAsP superlattice solar cells investigated by photo-thermal spectroscopy (2020)
  • 著者名/発表者名: Watanabe, A., Ikari, T., Furukawa, R., Sugiyama, M., Fukuyama, A.
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 128 号: 19 ページ: 195702-195702
  • DOI: 10.1063/5.0031364
  • 査読あり
• [雑誌論文] Decreasing of the thermal conductivity of Si nanopillar/SiGe composite films investigated by using a piezoelectric photothermal spectroscopy (2020)
  • 著者名/発表者名: Tomoki Harada, Tsubasa Aki, Daisuke Ohori, Seiji Samukawa, Tetsuo Ikari, and Atsuhiko Fukuyama
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 59 号: SK ページ: SKKA08-SKKA08
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ab82a6
  • 査読あり
• [雑誌論文] Theoretical study on the photothermal signal of the multilayer structure and application to the Si-nanopillar/SiGe composite films (2020)
  • 著者名/発表者名: Y. Arata, T. Harada, D. Ohori, S. Samukawa, T. Ikari, A. Fukuyama
  • 雑誌名: Proceedings of Symposium on Ultrasonic Electronics 巻: 41
• [雑誌論文] Estimating Thermal and Optical Properties of Si-Nanopillar/SiGe Composite Film by a Piezoelectric Photothermal Measurements (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Harada, Y. Arata, D. Ohori, S. Samukawa, T. Ikari, A. Fukuyama
  • 雑誌名: Proceedings of the 17th Int. Conf. on Flow Dynamics 巻: 17
• [雑誌論文] Analysis and Estimation of Thermal Conductivity of Si Nanopillar/SiGe Composite Film by Using Photo-Thermal Spectroscopy Measurement with a Multi-layer Model Calculation (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Harada, T. Aki, D. Ohori, S. Samukawa, T. Ikari and A. Fukuyama
  • 雑誌名: Proceedings of Symposium on Ultrasonic Electronics 巻: 40
• [雑誌論文] Significant Reduction of Thermal Conductivity of Si Nanopillar/SiGe Composite Film Fabricated by Neutral Beam Etching Investigated by a Piezoelectric Photothermal Measurements (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Harada, T. Aki, D. Ohori, S. Samukawa, T. Ikari, A. Fukuyama
  • 雑誌名: Proceedings of the 19th Int. Sympo. on Advanced Fluid Information 巻: 19 ページ: 24-25
• [雑誌論文] Effect of strain relaxation layer insertion on carrier recombination and escaping process in superlattice solar cell structures using photoluminescence spectroscopy (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Nakamura, A. Fukuyama, M. Sugiyama, T. Ikari
  • 雑誌名: Journal of Physics D: Applied Physics 巻: 52 号: 4 ページ: 045104-045104
  • DOI: 10.1088/1361-6463/aaeecd
  • 査読あり
• [学会発表] シリコンナノピラーの間隔変化による熱特性への影響 (2020)
  • 著者名/発表者名: 原田知季，安良田裕基，大堀大介，寒川誠二，碇哲雄，福山敦彦
  • 学会等名: 令和2年秋季 第81回応用物理学会学術講演会
• [学会発表] フォトルミネッセンス分光法を用いた歪緩和層挿入超格子太陽電池における正孔輸送に関する解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 渡部愛理，古川諒，杉山正和，碇哲雄，福山敦彦
  • 学会等名: 令和2年秋季 第81回応用物理学会学術講演会
• [学会発表] PPT法による歪緩和層挿入超格子太陽電池におけるキャリア輸送特性へ正孔が与える影響 (2020)
  • 著者名/発表者名: 古川諒, 渡部愛理, 杉山正和, 碇哲雄, 福山敦彦
  • 学会等名: 令和2年秋季 第81回応用物理学会学術講演会
• [学会発表] 障壁層高さを変化させた歪緩和層挿入超格子太陽電池のキャリア輸送特性評価 (2020)
  • 著者名/発表者名: 古川諒, 渡部愛理, 杉山正和, 碇哲雄, 福山敦彦
  • 学会等名: 第17回「次世代の太陽光発電システム」シンポジウム
• [学会発表] Estimating Thermal and Optical Properties of Si-Nanopillar/SiGe Composite Film by a Piezoelectric Photothermal Measurements (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Harada, Y. Arata, D. Ohori, S. Samukawa, T. Ikari, A. Fukuyama
  • 学会等名: 17th Int. Conference on Flow Dynamics
  • 国際学会
• [学会発表] Theoretical study on the photothermal signal of the multilayer structure and application to the Si-nanopillar/SiGe composite films (2020)
  • 著者名/発表者名: Y. Arata, T. Harada, D. Ohori, S. Samukawa, T. Ikari, A. Fukuyama
  • 学会等名: 第41回超音波エレクトロニクスの基礎と応用に関するシンポジウム
• [学会発表] Significant Reduction of Thermal Conductivity of Si Nanopillar/SiGe Composite Film Fabricated by Neutral Beam Etching Investigated by a Piezoelectric Photothermal Measurements (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Harada, T. Aki, D. Ohori, S. Samukawa, T. Ikari, A. Fukuyama
  • 学会等名: The 19th Int. Symposium on Advanced Fluid Information
  • 国際学会
• [学会発表] Analysis and Estimation of Thermal Conductivity of Si Nanopillar/SiGe Composite Film by Using Photo-Thermal Spectroscopy Measurement with a Multi-layer Model Calculation (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Harada, T. Aki, D. Ohori, S. Samukawa, T. Ikari and A. Fukuyama
  • 学会等名: 第40回超音波エレクトロニクスの基礎と応用に関するシンポジウム
• [学会発表] 光熱変換信号の周波数依存性測定によるSiナノピラー/SiGe複合膜の熱伝導率解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 安良田裕基, 原田知季, 安藝 翼, 大堀大介, 寒川誠二, 碇哲雄, 福山敦彦
  • 学会等名: 第11回半導体材料・デバイスフォーラム
• [学会発表] Effect of Light Irradiation on Carrier Mobility of n- and p-type Si substrates for Solar Cell Application (2018)
  • 著者名/発表者名: A. Fukuyama, S. Tategami, K. Takauchi, N. Matsuda, T. Nakamura, H. Suzuki, K. Nishioka, and T. Ikari
  • 学会等名: 7th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion (WCPEC-7)
  • 国際学会
• [学会発表] 集光照射によるGaAsのHall移動度変化と太陽電池特性への影響 (2018)
  • 著者名/発表者名: 高内健二郎, 松田真輝, 西岡賢祐, 碇哲雄, 福山敦彦
  • 学会等名: 第15回「次世代の太陽光発電システム」シンポジウム (学振175シンポ)
• [学会発表] 歪緩和層を挿入した超格子太陽電池のキャリア輸送メカニズム (2018)
  • 著者名/発表者名: 魯家男, 中村翼, 鈴木秀俊, 碇哲雄, 杉山正和, 福山敦彦
  • 学会等名: 第15回「次世代の太陽光発電システム」シンポジウム (学振175シンポ)
• [学会発表] Verification of Stark-ladder formation in InGaAs/GaAsP superlattice solar cell structures by a photo-reflectance (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Ikari, T. Nakamura, M. Sugiyama, A. Fukuyama
  • 学会等名: Int. Conference on the Physics of Semiconductors (ICPS2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Role of GaAs interlayer between quantum well and barrier layers in carrier thermal escaping transport process in InGaAs/GaAsP superlattice solar cells (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Nakamura, T. Ikari, M. Sugiyama, A. Fukuyama
  • 学会等名: Int. Conference on the Physics of Semiconductors (ICPS2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Temperature dependence of carrier relaxation process in InGaAs/GaAsP superlattice solar cell with GaAs interlayer (2018)
  • 著者名/発表者名: R. Iwanaga, T. Nakamura, J. Lu, T. Ikari, M. Sugiyama, and A. Fukuyama
  • 学会等名: 第37回電子材料シンポジウム(EMS37)
• [学会発表] 光照射下のp-Si基板における光励起キャリア濃度の非線形的な増加とキャリアライフタイムの関係 (2018)
  • 著者名/発表者名: 高内健二郎, 碇哲雄, 西岡賢祐, 福山敦彦
  • 学会等名: 平成30年度応用物理学会九州支部学術講演会
• [学会発表] 集光照射下でのSi基板のHall移動度の温度依存性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 髙内健二郎、碇哲雄、西岡賢祐、福山敦彦
  • 学会等名: 第3回フロンティア太陽電池セミナー
• [学会発表] Excitons in InGaAs/GaAsP multi quantum well and super lattice solar cell structures investigated by a photothermal spectroscopy (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Ikari, K. Matsuochi, T. Nakamura, H. Takeda, H. Suzuki, K. Toprasertpong, M. Sugiyama, Y. Nakano and A. Fukuyama
  • 学会等名: The European Materials Research Society Spring Meeting 2017
  • 国際学会
• [学会発表] Effect of barrier thickness on formation of miniband in InGaAs/GaAsP superlattice structure for solar cells application (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Nakamura, K. Matsuochi, H. Takeda, H. Suzuki, T. Ikari, K. Toprasertpong, M. Sugiyama, Y. Nakano and A. Fukuyama
  • 学会等名: The European Materials Research Society Spring Meeting 2017
  • 国際学会
• [学会発表] 歪緩和層を挿入した超格子太陽電池のキャリア輸送評価 (2017)
  • 著者名/発表者名: 魯家男, 武田秀明, 中村翼, 鈴木秀俊,碇哲雄, K. Toprasertpong, 杉山正和, 中野義昭, 福山敦彦
  • 学会等名: 第14回「次世代の太陽光発電システム」シンポジウム
• [学会発表] Investigation of Carrier Thermal Excitation Process in GaAs-Inserted InGaAs/GaAsP Superlattice Solar Cell (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Nakamura, H. Takeda, J. Lu, H. Suzuki, T. Ikari, K. Topraserpong, M. Sugiyama, and A. Fukuyama
  • 学会等名: 第36回電子材料シンポジウム
• [学会発表] Investigation of carrier transport mechanism in superlattice Solar Cells with strain relaxation layer (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Takeda, T. Nakamura, J. Lu, H. Suzuki, K. Toprasertpong, M. Sugiyama, T. Ikari, A. Fukuyama
  • 学会等名: 27th International Photovoltaic Science and Engineering Conference and Exhibition
  • 国際学会
• [学会発表] フラットバンド構造内に挿入された超格子におけるミニバンド形成過程とキャリア輸送評価 (2016)
  • 著者名/発表者名: 中村 翼, 松落 高輝, 武田 秀明, Kasidit Toprasertpong, 杉山 正和, 中野 義昭, 鈴木 秀俊, 碇 哲雄, 福山 敦彦
  • 学会等名: 2016年度レーザー・量子エレクトロニクス研究会
  • 発表場所: 宮崎市民プラザ（宮崎）
• [学会発表] 光熱変換法による InGaAs/GaAsP 超格子に形成されるミニバンド端エネルギーの測定 (2016)
  • 著者名/発表者名: 碇 哲雄, 福山 敦彦, 中村 翼, 杉山 正和, 中野 義昭
  • 学会等名: 第37回超音波エレクトロニクスの基礎と応用に関するシンポジウム
  • 発表場所: Pukyong National Univ.（Pusan, Korea）
  • 国際学会