成果報告書詳細
管理番号20150000000096
タイトル平成23年度ー平成26年度成果報告書 太陽エネルギー技術研究開発 革新的太陽光発電技術研究開発(革新型太陽電池国際研究拠点整備事業) 高効率集光型太陽電池セル、モジュール及びシステムの開発(日EU 共同開発) 集光型太陽電池用量子・ナノ構造の創製及び評価解析技術の開発(WP2)
公開日2016/4/22
報告書年度2011 - 2014
委託先名国立大学法人東京大学先端科学技術研究センター
プロジェクト番号P07015
部署名新エネルギー部
和文要約1000倍集光下で変換効率50%超を実現する構造として格子整合4接合セルの構造を提案し、吸収端1.15 eVの量子井戸挿入第3セルの研究開発を行った。歪み補償多段階量子井戸を用い、1.15 eVに吸収端を持ちキャリア収集に優れた量子井戸を実現した。吸収端と開放電圧のエネルギー差は0.37 eVであり、バルクに比べて高い電圧を長波長の吸収端においても達成した。70層の多段階量子井戸を挿入した単接合セルは、800 nmの第2セル相当フィルタ下で開放電圧0.74 Vを示した。短絡電流は要求値よりやや不足し曲線因子も向上が必要だが、設計改善により格子整合4接合セルに必要な量子井戸セルを実現できる見通しが立った。
微傾斜基板上におけるWire-in-Well構造を見出し、成長温度による構造制御性を明らかにした。発光再結合寿命は1 us程度に達し、キャリア収集効率に優れた量子構造セルが得られる。平坦量子井戸セルに比べ短絡電流・曲線因子ともに優れ、吸収端1.15 eV量子井戸の構造改善や中間バンドセルの実現など、高効率化に資する見通しが得られた。
集光型中間バンド量子ドット太陽電池の開発では、高効率2段階光吸収と出力電圧維持に向けた研究を行った。MBE法により面内密度5e12cm-2以上の積層量子ドットを有するセルの作製に成功した。また、2段階光吸収による中赤外光学遷移を世界で初めてスペクトル分解測定し、高効率化に向けた指針を明らかにした。また集光による有意な電圧向上を確認し、電圧維持の達成を示唆する結果を得た。また、電界減衰層を導入し0.97 Vの開放端電圧を実現した。さらに量子ドットセルを搭載した集光型モジュールを世界で初めて実現した。
量子・ナノ構造太陽電池の高効率化には、量子構造中の光励起キャリアのふるまいを精密に理解することが不可欠である。超高速ストリークカメラを駆使してポンプ・プローブ方式の独自の超高速発光寿命評価解析技術を開発し、光キャリアダイナミクスを超高速で追跡して直接ドーピングによる無輻射緩和抑制効果やサブバンド間光吸収と再捕獲特性を詳しく調べた。特に、2段階光励起過程のピコ秒応答を追跡することに世界で初めて成功し、サブバンド間光吸収係数を実験的に見積もった。また、量子ドット超格子を利用し20%を超える光電流増大を得た。
従来装置では難しい集光型多接合太陽電池セルに適した評価システムを開発した。単色光源は300ー2500 nmの広い波長範囲を照射できる。バイアス光源に5波長LED光源を搭載し、最大5接合太陽電池のサブセル分光感度特性、電流電圧特性評価を行える。また、レーザー走査起電流マッピング機能を備え、サブセル単位での発電分布ムラや欠陥部分を可視化できる。本装置を用いて、サブセルの電圧電流特性を基にサブセルの特性値を求める計算手法を開発した。また、集光動作下でサブセル間の光学的なカップリングの影響を明らかにした。
III?V?N系新材料多接合太陽電池の研究開発では、ウェハシャトルプロセスによる集光型4接合太陽電池の研究開発を行った。MBE法により1.0 eV帯の新材料であるGaInNAsSb単接合太陽電池の高品質化を進め、4接合での電流整合を満たす水準を達成した。また、集光特性評価を行い集光型セルとしての優位性を示した。ウェハシャトルプロセスにおいては、Geボトムセルテンプレート上への高品質なGaInNAsSbセルの再成長手法を確立し、4接合セル構造の思索を行った。
英文要約Title:R & D on Innovative Solar Cells (International Research Center for Innovative Solar Cell Program) “Ultra-high efficiency concentration photovoltaics (CPV) cells, modules and systems (WP 2: Novel device technologies and quantum nanostructures for CPV)” (FY2011-FY2014) Final Report

To achieve toward 50% efficiency, a lattice-matched 4-junction (4J) cell was proposed. A quantum well (QW) cell with 1.15 eV bandgap was developed as a 3rd subcell. Strain-balanced multiple-step QWs were developed with excellent carrier collection efficiency. The energy difference between the bandgap and open-circuit voltage was only 0.37 eV. A solar cell with 70 QWs exhibited open-circuit voltage Voc=0.74 eV under the 2nd subcell equivalent filter. Short-circuit current (Jsc) and fill factor (FF) were slightly insufficient, but we believe they can be improved by optimizing the structure.
It was also found that wavy undulation in QWs appears when they are grown on vicinal substrates, which may be called “Wire-in-Well.” The undulation can be controlled by growth temperature. Radiative lifetime was found to be as long as 1 us. A solar cell with Wire-in-Well structure was superior in both Jsc and FF, therefore, it is promising for the improvement of 1.15-eV QW cell and the realization of an intermediate band (IB) cell.
We investigated IB quantum dot (QD) cells for concentrator photovoltaic (CPV) application. Areal QD density above 5e12cm-2 was achieved by MBE. The mid-infrared photocurrent via 2-step photon absorption (TSPA) was spectrally resolved for the first time, and we clarified requirements for higher efficiency. We have also verified a faster recovery of Voc by concentration, and a cell with field damping layer was achieved Voc of 0.97 V. Furthermore, we have fabricated the first QD-CPV module.
We developed a pump-probe time-resolved photoluminescence measurement system using a streak camera. We found that Si direct doping is very useful for reducing nonradiative recombination. The newly developed system demonstrated that state-filling-dependent intraband ps carrier dynamics. We could estimate the intraband absorption coefficient for the first time. Furthermore, we have unveiled that extended electron lifetime in a QD superlattice improves TSPA.
A characterization system for CPV 5J solar cells was developed. The monochromatic light sources cover 300-2500 nm. 5-wavelengths LEDs are used as the bias light. This enables evaluations of spectral response as well as I-V characteristics for individual subcell. The system also provides a laser induced current mapping, which can visualize irregularity or defect in each subcell. By utilizing the system, a new method extracting subcell electric parameters was developed and luminescence coupling effect was clarified.
In the framework of wafer shuttle (WS) project, first, the growths of GaInNAsSb solar cell by MBE were optimized, and the output current from GaInNAsSb reached high enough for satisfying the current matching in 4J cell. The CPV properties were also evaluated, which indicated advantages of the GaInNAsSb cell for CPV application. Finally, we have performed fabrication of WS-4J cells.
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