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

• 研究課題/領域番号: 26630107
• 研究種目: 挑戦的萌芽研究
• 配分区分: 基金
• 研究分野: 電力工学・電力変換・電気機器
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 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)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2016-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2015年度)
• 配分額: 4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円); 2015年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2014年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円)
• キーワード: 半導体 / III-V族化合物 / 太陽電池 / 量子井戸 / 定量光学評価 / MOCVD / エピタキシャル成長 / III-V族化合物半導体 / 量子構造 / 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 / 化合物半導体 / 多重量子井戸 / 超格子 / CPV / 薄膜III-V族セル / 集光型太陽光発電 / 低コスト化

研究成果の概要

人工的にバンドギャップを制御した多重量子井戸（MQW）を挿入したGaAs単接合太陽電池に対して、結晶成長基板を分離することで薄膜化セルを形成する手法を確立した。さらに、MQWセルの裏面にグレーティングと高効率反射層からなる構造を形成し、光閉じ込め効果を増強することで物理的厚さの5倍以上の有効光学厚みが得られることが示された。さらに、MQW太陽電池に対して、エレクトロルミネッセンス評価を定量的に実施することによって、デバイス内部における擬フェルミ準位の状態を推定した。この結果から、光励起されたキャリアがMQW層において優先的に発光再結合し、GaAsバルク構造より発光効率が高くなることが示された。

研究成果

• [雑誌論文] Thin-film solar cells with InGaAs/GaAsP multiple quantum wells and a rear surface etched with light trapping micro-hole array (2015)
  • 著者名/発表者名: Kentaroh Watanabe, Tomoyuki Inoue, Hassanet Sodabanlu, Masakazu Sugiyama, and Yoshiaki Nakano
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 54 号: 8S1 ページ: 08KA13-08KA13
  • DOI: 10.7567/jjap.54.08ka13
  • 査読あり
• [雑誌論文] Enhanced Light Trapping in Multiple Quantum Wells by Thin-Film Structure and Backside Grooves With Dielectric Interface (2015)
  • 著者名/発表者名: Tomoyuki Inoue, Kentaroh Watanabe, Kasidit Toprasertpong, Hiromasa Fujii, Masakazu Sugiyama, and Yoshiaki Nakano
  • 雑誌名: IEEE J. Photovoltics 巻: 5 号: 2 ページ: 697-703
  • DOI: 10.1109/jphotov.2015.2392941
  • 査読あり
• [雑誌論文] Absorption enhancement trough Fabry-Peort resonant modes in a 430 nm thick InGaAs/GaAsP multiple quantum wells solar cell (2015)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 巻: 106 号: 8
  • DOI: 10.1063/1.4913469
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Thin-Film InGaAs/GaAsP MQWs Solar Cell With Backside Nanoimprinted Pattern for Light Trapping (2014)
  • 著者名/発表者名: Kentaroh Watanabe, Boram Kim, Tomoyuki Inoue, Hassanet Sodabanlu, Masakazu Sugiyama, Masanao Goto, Shinya Hayashi, Kenjiro Miyano, Yoshiaki Nakano
  • 雑誌名: IEEE Journal of Photovoltaics 巻: 4 号: 4 ページ: 1086-1090
  • DOI: 10.1109/jphotov.2014.2312486
  • 査読あり
• [学会発表] Optical analysis of the photon recycling effect in InGaAs/GaAsP multiple quantum well solar cell with light trapping structure (2016)
  • 著者名/発表者名: Kentaroh Watanabe, Tomoyuki Inoue, Kasidit Toprasertpong, Amaury Delamarre, Hassanet Sodabanlu, Jean-Francois Guillemoles, Masakazu Sugiyama, Yoshiaki Nakano
  • 学会等名: 43rd IEEE Photovoltaic Specialist Conference
  • 発表場所: Portland, OR, USA
  • 年月日: 2016-06-05
  • 国際学会
• [学会発表] Quasi-Fermi level splitting evaluation based on electroluminescence analysis in multiple quantum well solar cells for investigating cell performance under concentrated light (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Inoue, K. Toprasertpong, A. Delamarre, K. Watanabe, M. Paire, L. Lombez, J-F. Guillemoles, M. Sugiyama, and Y. Nakano
  • 学会等名: SPIE Photonics West
  • 発表場所: San Francisco, CA, USA
  • 年月日: 2016-02-13
  • 国際学会
• [学会発表] Spatial carrier collection efficiency imaging by luminescence (2015)
  • 著者名/発表者名: Amaury Delamarre, Laurent Lombez, Kentaroh Watanabe, Masakazu Sugiyama, Jean-Francois Guillemoles
  • 学会等名: 25th International Photovoltaic Science and Engineering Conference
  • 発表場所: Busan, Korea
  • 年月日: 2015-11-15
  • 国際学会
• [学会発表] Self-Organized Texture of GaAs by Wet etching for Light Trapping in MQWs Solar Cells (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Watanabe,T. Inoue, M. Sugiyama, and Y. Nakano
  • 学会等名: 31st European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition
  • 発表場所: Hamburg, Germany
  • 年月日: 2015-09-30
  • 国際学会
• [学会発表] Thin-film InGaAs/GaAsP MQWs Solar Cell with Dielectric Micro-Hole Array Structure for Light Trapping Effect (2014)
  • 著者名/発表者名: Kentaroh Watanabe, Tomoyuki Inoue, Hassanet Sodabanlu, Masakazu Sugiyama, Yoshiaki Nakano
  • 学会等名: WCPEC-6
  • 発表場所: 京都国際会館
  • 年月日: 2014-11-23 – 2014-11-27
• [学会発表] Enhanced Light Trapping in Multiple Quantum Wells by Thin Film Structure and Backside Grooves with Dielectric Interface (2014)
  • 著者名/発表者名: Tomoyuki Inoue, Kentaroh Watanabe, Masakazu Sugiyama, Yoshiaki Nakano
  • 学会等名: IEEE PVSC40
  • 発表場所: Denver, Colorado, USA
  • 年月日: 2014-06-08 – 2014-08-13