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2015 年度 実施状況報告書

ミニバンド制御した量子ドット超格子による中間バンド型太陽電池動作の顕在化

研究課題

研究課題/領域番号 15K13953
研究機関神戸大学

研究代表者

喜多 隆  神戸大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (10221186)

研究分担者 原田 幸弘  神戸大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (10554355)
研究期間 (年度) 2015-04-01 – 2017-03-31
キーワード量子ドット / 太陽電池
研究実績の概要

本研究では、ミニバンド制御した量子ドット超格子により電子の長寿命化を図り、高効率な中間バンド型太陽電池を実現する。基底準位と励起準位のミニバンド幅の違いを巧みに利用して、バンド幅の大きい励起準位ミニバンド(光吸収中間バンド)に励起したキャリアを効果的に空間分離し、正孔と空間分離した電子をミニバンド幅が小さくエネルギー分離した基底準位(光励起中間バンド)に分散エネルギー緩和させる。これによって効率のよい伝導バンドへの光励起を実現し、電流を増大させる。平成27年度は、分子線エピタキシーによりGaAs(001)基板上にInAs/GaAs量子ドットの超格子構造をi層に内包するp-i-n GaAs太陽電池構造を作製し、内部電界によるキャリア分離のダイナミックスとミニバンド幅の関係を明らかにした。具体的な成果は以下のとおりである。
(1)現有設備である分子線エピタキシーを用いて、GaAs(001)基板上にInAs/GaAs量子ドットの超格子構造を作製した。InAs量子ドット間に挿入するGaAs中間層の厚さによってドット間の電子的結合を精密に調整し、基底準位と励起準位のミニバンド幅を制御することに成功した。
(2)本研究の評価で使用したp-i-n GaAs太陽電池構造を試作した。(1)で明らかにしたInAs/GaAs量子ドットの超格子構造をi層に内包する。試作に当たっては、太陽電池構造シミュレータを用いた。
(3)超高速分光技術を駆使して、励起準位ミニバンド(光吸収中間バンド)と基底準位(光励起中間バンド)間のキャリアダイナミックスを明らかにした。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

量子ドット超格子の作製条件を理想的に予想していた以上に最適化することができたため、光物性において世界最高水準の超格子特性を引き出すことに成功した。これによって太陽電池特性に量子ドット超格子の特徴を顕在化させることができたため当初の計画以上に進展した。

今後の研究の推進方策

平成28年度は、中間バンドから伝導バンドへのサブバンド間励起を選択的に行うため、近赤外光を追加して照射した外部量子効率スペクトルの測定を精密に行う。これによって、近赤外光の波長と強度の変化に対して、吸収端バンド間遷移近傍の外部量子効率スペクトルの変化を明らかにするとともに、電界によるキャリア分離の影響を明らかにする。また、変換効率を最大化する内部電界とキャリア引出効率の関係を明らかにし太陽電池構造を最適化して、電流整合が取れた中間バンドを介した光電流生成の最適条件を明らかにする。

  • 研究成果

    (27件)

すべて 2016 2015 その他

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件) 学会発表 (22件) (うち国際学会 10件、 招待講演 2件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Nanosecond-Scale Hot-Carrier Cooling Dynamics in One-Dimensional Quantum Dot Superlattices2016

    • 著者名/発表者名
      Y. Harada, N. Kasamatsu, D. Watanabe, and T. Kita
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 93 ページ: 115303-1~5

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.93.115303

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Broadband Control of Emiission Wavelength of InAs/GaAs Quantum Dots by GaAs Capping Temperature2015

    • 著者名/発表者名
      T. Kaizu, T. Matsumura, and T. Kita
    • 雑誌名

      Journal of Applied Physics

      巻: 118 ページ: 154301-1~6

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.1063/1.4933182

    • 査読あり
  • [雑誌論文] InAs/GaAs/Al0.3Ga0.7As中間バンド型太陽電池における室温2段階光励起2015

    • 著者名/発表者名
      朝日重雄, 寺西陽之, 笠松直史, 加田智之, 海津利行, 喜多隆
    • 雑誌名

      Journal of the Society of Materials Science

      巻: 64-9 ページ: 690~695

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Two-Step Photon Absorption in InAs/GaAs Quantum-Dot Superlattice Solar Cells2015

    • 著者名/発表者名
      T. Kada, S. Asahi, T. Kaizu, Y. Harada, T. Kita, R. Tamaki, Y. Okada, and K. Miyano
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 91 ページ: 201303-1~6

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.91.201303

    • 査読あり
  • [学会発表] Polarized Photoluminescence Properties of Closely-Stacked InAs/GaAs Quantum Dots with Long-Wavelength Emission2016

    • 著者名/発表者名
      T. Kaizu, Y. Tajiri, and T. Kita
    • 学会等名
      17th International Conference on Physics of Light-Matter Coupling in Nanostructures
    • 発表場所
      東大寺総合文化センター(奈良県奈良市)
    • 年月日
      2016-03-28 – 2016-03-31
    • 国際学会
  • [学会発表] Extremely Long Carrier Lifetime Due to Electron-Hole Separation in Quantum-Dot Intermediate-Band Solar Cells2016

    • 著者名/発表者名
      S. Asahi, H. Teranishi, T. Kada, T. Kaizu, and T. Kita
    • 学会等名
      17th International Conference on Physics of Light-Matter Coupling in Nanostructures
    • 発表場所
      東大寺総合文化センター(奈良県奈良市)
    • 年月日
      2016-03-28 – 2016-03-31
    • 国際学会
  • [学会発表] 接長波長発光近積層InAs/GaAs量子ドットの偏光フォトルミネッセンス特性2016

    • 著者名/発表者名
      田尻祐介、 海津利行、 喜多隆
    • 学会等名
      第63回応用物理学会春季学術講演
    • 発表場所
      東京工業大学(東京都目黒区)
    • 年月日
      2016-03-19 – 2016-03-22
  • [学会発表] InAs/GaAs 量子ドット超格子太陽電池におけるミニバンド形成が2段階光吸収に与える影響2016

    • 著者名/発表者名
      渡辺翔、 朝日重雄、加田智之、 海津利行、 原田幸弘、 喜多隆
    • 学会等名
      第63回応用物理学会春季学術講演
    • 発表場所
      東京工業大学(東京都目黒区)
    • 年月日
      2016-03-19 – 2016-03-22
  • [学会発表] Dot-in-Well 中間バンド型太陽電池における中間順位内の長い電子寿命2016

    • 著者名/発表者名
      朝日重雄、 寺西陽之、 渡辺翔、 渡部大樹、 海津利行、 喜多隆
    • 学会等名
      第63回応用物理学会春季学術講演
    • 発表場所
      東京工業大学(東京都目黒区)
    • 年月日
      2016-03-19 – 2016-03-22
  • [学会発表] 量子ドット中間バンド型太陽電池におけるキャリアの長寿命化と2段階光電流生成の増強2015

    • 著者名/発表者名
      朝日重雄、 寺西陽之、 笠松直史、 加田智之、 海津利行、喜多隆
    • 学会等名
      第26回光物性研究会
    • 発表場所
      神戸大学百年記念会館(兵庫県神戸市)
    • 年月日
      2015-12-11 – 2015-12-12
  • [学会発表] Decrease in Photoluminessence Decay Rate in InAs Quantum Dots Coupling with In Nanoparticles Due to Increase in Excitation Power2015

    • 著者名/発表者名
      O. Kojima, T. Taji, T. Kita, C. Y. Jin, J. Yuan, and R. Nozel
    • 学会等名
      2nd International Conference on Enhanced Spectroscopies
    • 発表場所
      Messina(イタリア)
    • 年月日
      2015-10-12 – 2015-10-15
    • 国際学会
  • [学会発表] InAs/GaAs量子ドット超格子太陽電池における超高速時間分解キャリア走行過程2015

    • 著者名/発表者名
      谷渕泰三、 加田智之、 朝日重雄、 喜多隆
    • 学会等名
      第76回応用物理学会秋季学術講演会
    • 発表場所
      名古屋国際会議場(愛知県名古屋市)
    • 年月日
      2015-09-13 – 2015-09-16
  • [学会発表] GaAsキャップ層成長温度によるInAs/GaAs量子ドットのサイズ二項分布変化2015

    • 著者名/発表者名
      海津利行、 田尻祐介、 喜多隆
    • 学会等名
      第76回応用物理学会秋季学術講演会
    • 発表場所
      名古屋国際会議場(愛知県名古屋市)
    • 年月日
      2015-09-13 – 2015-09-16
  • [学会発表] Dot-in-well 中間バンド型太陽電池のバイアス依存性2015

    • 著者名/発表者名
      朝日重雄、 寺西陽之、 谷渕泰三、 渡部大樹、 海津利行、 喜多隆
    • 学会等名
      第76回応用物理学会秋季学術講演会
    • 発表場所
      名古屋国際会議場(愛知県名古屋市)
    • 年月日
      2015-09-13 – 2015-09-16
  • [学会発表] InAs/GaAs量子ドット超格子を利用したホットキャリア型太陽電池2015

    • 著者名/発表者名
      渡部大樹、 原田幸弘、 海津利行、 喜多隆
    • 学会等名
      第76回応用物理学会秋季学術講演会
    • 発表場所
      名古屋国際会議場(愛知県名古屋市)
    • 年月日
      2015-09-13 – 2015-09-16
  • [学会発表] InAs/GaAs量子ドット超格子におけるホットキャリア冷却過程2015

    • 著者名/発表者名
      原田幸弘、 笠松直史、 渡部大樹、 喜多隆
    • 学会等名
      第76回応用物理学会秋季学術講演会
    • 発表場所
      名古屋国際会議場(愛知県名古屋市)
    • 年月日
      2015-09-13 – 2015-09-16
  • [学会発表] Carrier Dynamics in InA s /GaAs Quantum Dot Superlattices for Photovoltaics2015

    • 著者名/発表者名
      T. Kita
    • 学会等名
      High-efficiency materials for photovoltaics
    • 発表場所
      London(英国)
    • 年月日
      2015-09-10 – 2015-09-11
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Growth and Characterization of InAs/GaAs Quantum Dot Superlattices for Photovoltaics2015

    • 著者名/発表者名
      T. Kita
    • 学会等名
      5th International Workshop on Epitaxial Growth and Fundamental Properties of Semiconductor Nanostructures
    • 発表場所
      新竹(台湾)
    • 年月日
      2015-09-06 – 2015-09-11
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Broadband Control of Emission Wavelength of InAs/GaAs Quantum Dots by Growth Temperature GaAs Capping Layer2015

    • 著者名/発表者名
      T. Kaizu, T. Matsumura, and T. Kita
    • 学会等名
      21st International Conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems/17th International Conference on Modulated Semiconductor Structures
    • 発表場所
      仙台国際センター(宮城県仙台市)
    • 年月日
      2015-07-27 – 2015-07-31
    • 国際学会
  • [学会発表] Excitation-Intensity Dependence of Two-Step Photoexcitation in InAs/GaAs/Al0.7Ga0.3As Intermediate-Band Solar Cells2015

    • 著者名/発表者名
      S. Asahi, H. Teranishi, N. Kasamatsu, T. Kada, T. Kaizu, and T. Kita
    • 学会等名
      第34回電子材料シンポジウム
    • 発表場所
      ラフォーレ琵琶湖(滋賀県守山市)
    • 年月日
      2015-07-15 – 2015-07-17
  • [学会発表] Carrier Time-of-Flight Spectroscopy with Infrared Assistance for Escaping Process in InAs/GaAs Quantum Dot Solar Cells2015

    • 著者名/発表者名
      T. Tanibuchi, T. Kada, N. Kasamatsu, S. Asahi, and T. Kita
    • 学会等名
      第34回電子材料シンポジウム
    • 発表場所
      ラフォーレ琵琶湖(滋賀県守山市)
    • 年月日
      2015-07-15 – 2015-07-17
  • [学会発表] Hot-Carrier Distribution in InAs/GaAs Quantum Dot Superlattices and Its Application to Solar Cells2015

    • 著者名/発表者名
      D. Watanabe, N. Kasamatsu, Y. Harada, and T. Kita
    • 学会等名
      第34回電子材料シンポジウム
    • 発表場所
      ラフォーレ琵琶湖(滋賀県守山市)
    • 年月日
      2015-07-15 – 2015-07-17
  • [学会発表] Two-Step Photocarrier Generation in InAs/GaAs Quantum Dot Superlattice Intermediate Band Solar Cell2015

    • 著者名/発表者名
      T. Kada, T. Tanibuchi, S. Asahi, T. Kaizu, Y. Harada, T. Kita, R. Tamaki, Y. Okada, and K. Miyano
    • 学会等名
      42nd IEEE Photovoltaic Specialists Conference
    • 発表場所
      New Orleans(米国)
    • 年月日
      2015-06-14 – 2015-06-19
    • 国際学会
  • [学会発表] Ultrafast Photocarrier Transport Dynamics in InAs/GaAs Quantum Dot Superlattice Solar Cell2015

    • 著者名/発表者名
      T. Tanibuchi, T. Kada, N. Kasamatsu, T. Matsumura, S. Asahi, and T. Kita
    • 学会等名
      42nd IEEE Photovoltaic Specialists Conference
    • 発表場所
      New Orleans(米国)
    • 年月日
      2015-06-14 – 2015-06-19
    • 国際学会
  • [学会発表] Saturable Two-Step Photocurrent Generation in Intermediate-Band Solar Cells Including InAs Quantum Dots Embedded in Al0.3Ga0.7As/GaAs Quantum Wells2015

    • 著者名/発表者名
      S. Asahi, H. Teranishi, N. Kasamatsu, T. Kada, T. Kaizu, and T. Kita
    • 学会等名
      42nd IEEE Photovoltaic Specialists Conference
    • 発表場所
      New Orleans(米国)
    • 年月日
      2015-06-14 – 2015-06-19
    • 国際学会
  • [学会発表] Hot-Carrier Cooling Dynamics in InAs/GaAs Quantum Dot Superlattices2015

    • 著者名/発表者名
      Y. Harada, N. Kasamatsu, D. Watanabe, and T. Kita
    • 学会等名
      11th International Conference on Excitonic and Photonic Processes in Condensed Matter and Nano Materials
    • 発表場所
      Montreal(カナダ)
    • 年月日
      2015-05-18 – 2015-05-22
    • 国際学会
  • [備考] 神戸大学大学院工学研究科フォトニック材料学研究室

    • URL

      http://www.research.kobe-u.ac.jp/eng-photonics/index.html

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公開日: 2017-01-06  

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