| 研究課題/領域番号 |
19H02541
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
岡田 至崇 東京大学, 先端科学技術研究センター, 教授 (40224034)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | 量子ドット / 量子ドット太陽電池 / 中間バンド太陽電池 / 分子線エピタキシ－ / 光マネジメント |
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| 研究実績の概要 |
量子ドットを利用した中間バンド太陽電池の高効率化に向けて、次に挙げた課題を解決する必要がある。(1)中間バンドが再結合中心となり、発光再結合及び非発光再結合レートが増大し開放電圧が下がってしまうこと、(2)中間バンドでのキャリア占有率、また量子ドットの光吸収が低いとき、中間バンド→伝導帯への2段階目の光吸収が少なくなること、(3)量子ドット層と周囲の材料のエネルギー障壁が小さいと2段階光吸収が起こる前にキャリアの熱脱出が起こってしまうこと、そして(4)量子ドットの面内密度が低くかつ面直方向に十分に近接させることができない場合、中間バンド(超格子ミニバンド)が形成されないこと、などである。
本年度は、特に上記(2)に関し、Fabry-Perot(FP)光共振器構造を用いて太陽電池内の共振位置に光電場が増強されることを利用して、これらの共振位置に量子ドット層を挿入することで、量子ドットの光吸収を増大させることができるか実証を試みた。作製したFP構造を導入した薄型量子ドット太陽電池において、FP共振波長と一致する波長位置に量子ドットの吸収ピークが明瞭に観測された。これは電界強度のシミュレーション結果との比較から、FP共振によってこれらの波長で量子ドットの吸収が増強されたためと考えられる。また光閉じ込め構造を有しない従来構造の量子ドット太陽電池と比較した場合も、FP構造を持つ薄型量子ドット太陽電池の方が、長波長の領域から得られる分光感度、及び電流生成が大きくなることを実証することができた。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
量子ドット太陽電池は、中間バンドを形成することで母体材料のバンドギャップ以下のエネルギーの光を吸収できるようになるため、S-Q限界を上回る変換効率が期待できる。しかし現状では量子ドットによる光吸収量が小さく、期待される短絡電流密度の大幅な増大にまでは至っていない。本年度は、Fabry-Perot光共振器構造を用いて太陽電池内の共振位置に光電場が増強されることを利用して、これらの共振位置に量子ドット層を挿入することで、量子ドットの光吸収を増大させることを実証することができた。このとき、AM1.5の太陽光スペクトル下での量子ドットによる電流生成の寄与は約0.40mA/cm2であった。FP構造を導入した量子ドット太陽電池の作製するにあたり、Epitaxial lift-off (ELO)法を用いた薄膜太陽電池のプロセス技術を確立できた。
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| 今後の研究の推進方策 |
これまでにタイプⅡ型GaAsSb/GaAs量子リング太陽電池において、キャリアの長寿命化によるデバイス特性の改善が得られたことから、変換効率向上に向けたセル構造の最適化を引き続き行う。特に、MBE成長時にSbを照射するとサーファクタント効果が期待され、ヘテロ界面の低欠陥化、また量子ドットのサイズ均一化と高品質化が期待できる。Sbが量子ドットの自己組織化成長モード、及び結晶性に与える効果について成果をまとめる。
一方、本年度新たにFabry-Perot(FP)光共振器構造を用いて太陽電池内の共振位置に光電場が増強されることを利用して、これらの共振位置に量子ドット層を挿入することで、量子ドットの光吸収を増大させることができるか実証をすることができた。今回作製したFP構造を導入した薄型量子ドット太陽電池は計10層のInAs量子ドットをGaAs層に挿入した構造になっている。今後、量子ドットにおける近赤外光の吸収増大を達成するため共振ピークが現れる位置に複数の量子ドット層を配置しトータルの光吸収を増やすことを実証したい。
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