成果報告書詳細
管理番号20150000000409
タイトル平成20年度ー平成26年度成果報告書 新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) ポストシリコン超高効率太陽電池の研究開発(自己組織化量子ドット)
公開日2016/4/22
報告書年度2008 - 2014
委託先名国立大学法人電気通信大学
プロジェクト番号P07015
部署名新エネルギー部
和文要約件名:平成20年度?平成26年度成果報告書 新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)ポストシリコン超高効率太陽電池の研究開発(自己組織化量子ドット)

本プロジェクト研究では、中間バンド型量子ドット太陽電池の高効率化を目指した量子ドットの作製技術の開発とその特性評価ならびに太陽電池の試作検討を行った。はじめに、量子ドット層の設計指針を得ることを目的として、詳細平衡モデルに基づく中間バンド型太陽電池の基本特性の理論計算を行った。InAs/GaAsSb量子ドットの場合の電力変換効率の量子ドット密度および集光度依存性について計算を行い、40 %以上の高い変換効率を得るには量子ドット総密度を3×1013 cm-2以上とする必要性を示した。面内超高密度InAs量子ドットの作製技術を開発するために、GaAsSbバッファ層の導入およびInAsSb濡れ層の導入効果について検討した結果、平成24年度には6×1011 cm-2の面内密度を達成し、平成25年度には1×1012 cm-2の世界最高の面内密度形成に成功した。また、これらの高密度核形成のメカニズムについてまとめた。GaAsSbバッファ層上の面内超高密度InAs量子ドット(5×1011 cm-2)層について、その光学遷移過程を明らかにした。特に、InAs量子ドット/GaAsSbヘテロ界面がtype-IIバンド構造であるにも関わらず、InAs量子ドットサイズが大きい(成長量2.9 ML)場合は、低温でtype-Iの光学遷移が支配的であるのに対し、ドットサイズの小さい(成長量2.2 ML)場合にはtype-II遷移が支配的であることが明らかになった。また、温度が高くなると小サイズのドットはtype-IIからtype-Iへの光学遷移に変化することが分かり、これらの現象は、異なる量子ドットサイズによる正孔の波動関数の空間分布の違いによって説明することができた。さらに、GaAsSbバッファ層上の面内超高密度InAs量子ドット(5×1011 cm-2)層の面内における15 Kでの光伝導特性を調べた結果、InAs量子ドット層への光励起キャリアによる面内伝導が確認された。特に成長量2.2 MLの小サイズの量子ドット層の方がより高い効果を示すことが分かった。また、1700 nmから2450 nm帯の赤外光による2段階光照射による光励起キャリアの生成が確認された。この2段階光励起効果は成長量2.2 MLの小サイズの量子ドット層の方がより高く、量子ドット内のキャリアの長寿命特性によるものと考察された。最後に、面内超高密度InAs量子ドット(5×1011 cm-2)層の単層および5層をそれぞれ導入した太陽電池を試作し、低集光倍率(1?16 suns)下での太陽電池特性を測定した。集光度の増大による短絡電流の線形的な増加および開放端電圧の上昇を確認した。しかし、高集光度におけるFill Factorの低下および変換効率の低下が観測され、集光時における特性劣化の抑制が今後の重要な課題であることを示した。
英文要約Title:R&D on innovative Solar Cells (International Research Center for Innovative Solar Cell Program) “Research and Development of Post-silicon solar cells for ultra-high efficiencies (Self-organized quantum dots)(FY2008-FY2014) Final Report

In this NEDO research project, our group of University of Electro-Communications fabricated in-plane ultrahigh-density InAs quantum-dots (QDs) and studied their optical and electrical properties for development of intermediate-band QD solar cells (IB-QDSCs) with high power conversion efficiency. First, we calculated fundamental properties of IB-QDSCs including InAs/GaAsSb QDs by using a detailed balance model to design the QD structures of IB-QDSCs. From the theoretical calculation results, we found that 3×1013 cm-2 of the QD density is needed for achievement of more than 40 % in a conversion efficiency of IB-QDSCs. In order to increase the InAs QD density, we introduced a GaAsSb buffer layer and an InAsSb wetting layer (WL), respectively. As their results, in-plane ultrahigh density InAs QDs with 6×1011 cm-2 and 1×1012 cm-2 were successfully obtained for the GaAsSb buffer layer and the InAsSb WL, respectively. The QD density of 1×1012 cm-2 was a highest QD density in the self-formation techniques. Next, we measured photoluminescence (PL) properties of in-plane ultrahigh-density InAs QD layers with 5×1011 cm-2, grown on the GaAsSb/GaAs(001). The different QD size (i.e. QD height) provided the different PL properties, in spite of the same InAs/GaAsSb hetero-interface. PL properties of low QD height (< 2 nm) samples revealed optical transition mechanism based on a type-II band alignment. However, the optical transition changed from a type-II to a type-I as the QD height increased. The type-II band alignment enhances a long carrier lifetime,which is desirable for the solar cell properties. However, the type-II transition moved to the type-I transition for more than about 180 K. These results gave us some valuable information about the desirable QD structures with a type-II band alignment. Furthermore, we measured photo-conductance properties of in-plane ultrahigh-density InAs QD layers with 5×1011 cm-2. The in-plane conduction and two-step photo-excitation were confirmed by 1st excitation using about 860-1000 nm light and 2nd excitation using 1700-2450 nm light. These effects were enhanced for the small QD layer with a long carrier lifetime. Finally, the IB-QDSCs including in-plane ultrahigh-density InAs QD layers with 5×1011 cm-2 were fabricated, and their fundamental properties were measured under low concentrated light irradiation of 1 ? 16 suns. As the sun concentration increased, a short current density and an open circuit voltage increased. However, Fill Factor and power conversion efficiency decreased for high sun concentration. This problem will be resolved by improvement of the crystal quality and optimization of the cell structures.
ダウンロード成果報告書データベース(ユーザ登録必須)から、ダウンロードしてください。

▲トップに戻る