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2019 年度 実施状況報告書

希釈窒化物混晶による超高効率中間バンドタンデム太陽電池の研究

研究課題

研究課題/領域番号 17KK0127
研究機関埼玉大学

研究代表者

八木 修平  埼玉大学, 理工学研究科, 准教授 (30421415)

研究期間 (年度) 2018 – 2020
キーワード希釈窒化物半導体 / 中間バンド型太陽電池 / 分子線エピタキシー / InGaAsN
研究実績の概要

本年度は研究代表者が米国Lawrence Berkeley National Laboratoryへ滞在し、国際共同研究を推進した。狭ギャップ材料として検討しているGaInAs:N δドープ超格子については、発光スペクトルや変調反射分光スペクトルなどの光学特性評価を中心として、混晶組成に対する各バンド間ギャップエネルギーの変化を調べた。セル化した際に十分良好な変換効率を得るためには中間バンドのエネルギー構造を精密に設計することが必須であるが、超格子を利用する本研究においては結晶成長中のIn表面偏析が組成プロファイルを変化させ、その結果エネルギー構造も大きく影響を受けることが考えられる。そのため、超格子内の窒素が成長中のIn表面偏析へ与える影響をX線回折(XRD)法により定量的に評価した。XRDパターンで観測される超格子サテライトピークの強度を詳細に解析した結果、1%の窒素を含有する場合Inの偏析長は窒素を含まない結晶の成長時に比べ30%-40%程度増大することが分かった。タンデム化の際にウェハボンディングの利用を想定した場合、結晶成長基板の面方位の選択に自由度が生じることから、(001)以外の面指数の利用を視野に入れ(111)および(110)基板上に成長したGaAs:Nδドープ超格子の結晶成長についてMBE成長条件の検討と、得られた超格子の物性評価を行った。その結果、0~0.8%程度の窒素組成範囲での超格子成長条件を確立するとともに、窒素組成に応じたエネルギー構造の変化を観測できた。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

今年度まで主に狭ギャップ材料の探索を中心に進めており、GaInAs:N δドープ超格子について中間バンド材料としての特性が明らかになりつつある。中間バンドギャップの値としては現状で最小0.9-1 eV程度で、目標とする0.5 eV程度の狭ギャップを実現するには成長法のさらなる工夫が必要な状況にある。セルとしての特性評価とワイドギャップ中間バンド材料の探索に関しては、現在基礎的なプロセスの検討を進めている。

今後の研究の推進方策

今後はワイドギャップ材料として検討するGaP(As)N系混晶について、中間バンド材料としての特性評価を進めるとともに、試作セルの作製を進める。また、基課題の科研費事業と併せて整備した中間バンド型太陽電池用の分光感度特性評価装置を利用して、セル特性の評価を行っていく。膜厚設計や電極配置などセル構造の最適化はデバイスシミュレータを併用し開発の加速を図る。

  • 研究成果

    (8件)

すべて 2020 2019

すべて 雑誌論文 (2件) (うち国際共著 1件、 査読あり 2件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 4件)

  • [雑誌論文] Detection of nonradiative recombination centers in GaPN (N:0.105%) by below-gap excitation light2020

    • 著者名/発表者名
      S. Ferdous, N. Kamata, S. Yagi, and H. Yaguchi
    • 雑誌名

      Physica Status Solidi B

      巻: 257 ページ: 1900377

    • DOI

      10.1002/pssb.201900377

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Spectral change of E- band emission in a GaAs:N δ-doped superlattice due to below-gap excitation and its discrimination from thermal activation2020

    • 著者名/発表者名
      Md. D. Haque, N. Kamata, A.Z.M.T. Islam, S. Yagi, and H. Yaguchi
    • 雑誌名

      J. Electronic Materials

      巻: 49 ページ: 1550-1555

    • DOI

      10.1007/s11664-019-07856-6

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] Optical Characterization of Nonradiative Centers in GaAs:N δ-Doped Superlattices by Using Below-Gap Excitation Light2019

    • 著者名/発表者名
      M.D. Haque, N. Kamata, A.Z.M.T. Islam, Md. Julkarnain, S. Yagi, H. Yaguchi, and Y. Okada
    • 学会等名
      International Conference on Computer, Communication, Chemical, Materials and Electronic Engineering (IC4ME2)
    • 国際学会
  • [学会発表] Optical Detection of Nonradiative Recombination Levels via Intermediate Band in GaAs:N δ-Doped Superlattices2019

    • 著者名/発表者名
      N. Kamata, K. Nagata, Md. D. Haque, Z. Honda, S. Yagi, H. Yaguchi, and Y. Okada
    • 学会等名
      30th International Conference on Defects in Semiconductors (ICDS30)
    • 国際学会
  • [学会発表] Photoluminescence Intensity Change of GaPN by Laser Irradiation2019

    • 著者名/発表者名
      S. Md. Zamil, A. Shiroma, S. Yagi, K. Takamiya, and H. Yaguchi
    • 学会等名
      7th International Workshop on Epitaxial Growth and Fundamental Properties of Semiconductor Nanostructures (SemiconNano 2019)
    • 国際学会
  • [学会発表] Upconversion Luminescence from GaPN Alloys with Various N Compositions2019

    • 著者名/発表者名
      K. Takamiya, W. Takahashi, S. Yagi, N. Kamata, Y. Hazama, H. Akiyama, and H. Yaguchi
    • 学会等名
      7th International Workshop on Epitaxial Growth and Fundamental Properties of Semiconductor Nanostructures (SemiconNano 2019)
    • 国際学会
  • [学会発表] InGaAs:N δドープ超格子の電気特性評価2019

    • 著者名/発表者名
      米野龍司, 宮下直也, 岡田至崇, 高宮健吾, 矢口裕之, 八木修平
    • 学会等名
      第80回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] 窒素δ-ドープGaAs超格子の二波長励起フォトルミネッ センス法によるキャリア再結合準位評価2019

    • 著者名/発表者名
      永田 航太, 鎌田 憲彦, 八木 修平, 矢口 裕之
    • 学会等名
      第80回応用物理学会秋季学術講演会

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公開日: 2021-01-27  

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