量子ドットデバイスと最先端太陽電池開発

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あきひさきせんばる
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1 第 106 回研究開発セミナークリーンテック水素社会への挑戦 ( ) 量子ドットデバイスと最先端太陽電池開発電気通信大学基盤理工学専攻山口浩一

2 < クリーンテック > 再生可能エネルギーを利用した安定な電力供給太陽光水の電気分解水素生成貯蔵水素と酸素の化学反応電気, 水 ( 光エネルギー ) ( 電気エネルギー ) ( 化学エネルギー ) ( 化学エネルギー ) ( 電気エネルギー ) 太陽電池量子ドットとは InAs ( 電通大山口研作製 ) GaAs 4 nm

3 半導体量子ナノ構造の電子状態バルク半導体 (1D) 量子井戸量子細線 (2D-QW) 量子ドット (3D-QW) (3D 電子系 ) (2D 電子系 ) (1D 電子系 ) (0D 電子系 ) < 電子ドブロイ波長放物線関数状の状態密度階段状の状態密度鋸状の状態密度デルタ関数状の状態密度電子エネルギー E 1/2 E3 E2 E3 E2 E3 E2 Ec 電子のエネルギー分布 E1 E1 スピン E1 電子の状態密度電子の状態密度電子の状態密度電子の状態密度 ρ(ε) 量子ドット内の電子は完全に離散化した量子準位に存在 ( 人工原子とも呼ばれる ) ρ( ε) 1 δε [ ε n, l, k L L L x y z x ( k) ε y ( l) ε z ( n)]

4 電子エネルギー PL 強度 (arb. units) 量子ドット内の励起子と遷移エネルギー 10 17K 励起出力 3.0 mw 単一励起子 -e 電子 2 重励起子 -e -e 5 bi-exciton 2X mw +h 正孔 -e 負の荷電励起子 +h -e +h +h 0 X 0 single exciton 光子エネルギー (ev) 0.5 mw 電子正孔 X 0 X - X + 2X 0 3X 0 Exciton Negative trion Positive trion Bi-exciton Tri-exciton 中性励起子負の荷電励起子正の荷電励起子中性励起子分子中性励起子分子

5 量子ドットの研究開発 1980 年 1990 年 2000 年 2010 年概念理論作製技術デバイス応用量子ドットレーザ ( 理論 ) 量子井戸エッチング加工選択成長ストランスキクラスタノフ成長 ( 量子ドット物性研究 ) 液滴エピタキシー化学合成法量子ドットレーザーの試作積層成長量子ドット太陽電池 ( 理論 ) 高均一化位置制御高密度化量子情報デバイスの試作量子ドット太陽電池の試作量子ドットレーザーの実用化量子ドットディスプレーの実用化 Si フォトニクスへの展開 2020 年

6 化学合成法 Se(TBP) Cd(CH 3 ) 2 Cd Se 熱分解溶液中でのコロイダルドットの化学合成界面活性剤 TOPO 核形成 300~350 CdSe 脱離吸着前駆体衝突コロイダルドット 8-10 nm Ar 冷却部 TOPO ホットソープ法反応前駆体ヒーター自己組織化法 ( 自己形成法 ) ストランスキークラスタノフ (SK) 成長モード 3D 成長格子不整合歪 2D 成長から3D 成長へ遷移薄膜成長 2D 成長基板結晶 1.63 ML 1.76 ML 2D GaAs 上への InAs 量子ドットの SK 成長

(MBE) 基板搬送用ロッド超高真空 ( 10-10 Torr) 下で高純度原料を分子線にして基板表面に照射し単結晶薄膜

7 反射型高速電子線回折用電子銃 Ga 分子線セル As 分子線セル Al 分子線セルシャッター蛍光スクリーン液体窒素シュラウド基板 MBE 成長室フラックスゲージ電子線ゲートバルブ超高真空ポンプ試料交換室超高真空ポンプ四重極質量分析計分子線エピタキシー (MBE) 基板搬送用ロッド超高真空 ( Torr) 下で高純度原料を分子線にして基板表面に照射し単結晶薄膜を成長する反射型高速電子線回折 (RHEED) により成長表面構造をリアルタイム観察する MBE2 MBE2 MBE1 Yamaguchi Lab.

線回折計 8 6 4 3D dots 成長過程の解析 2 2D islands 0 10 15 20 25 30 35

05 Dot height [nm] 20 15 10 5 0 MBE 成長装置放射光 (X 線 ) InAs 成長

量子ドットの構造解析サイズ形状密度配列形成位置 2D island 3D dot 核形成の解析量子準位 K.

8 相対格子定数 e1.07 ドット高さ [nm] 量子ドット形成メカニズムの解析 10 高輝度光科学研究センター (SPring-8) X 線回折計 D dots 成長過程の解析 2 2D islands 横方向サイズ [nm] [110] 100nm e-xx 反射高速電子線回折歪分布解析 Dot height [nm] MBE 成長装置放射光 (X 線 ) InAs 成長成長中断コアレッセンスドットサイズ自己制限コヒーレントドット量子ドットの構造解析サイズ形状密度配列形成位置 2D island 3D dot 核形成の解析量子準位 K. Yamaguchi, et a., J. Cryst. Growth, (2002) 歪緩和 InAs GaAs 時間 [sec]

発光スペクトル半値幅 [mev] Average lateral size [nm] (2000 年 )

5 InAs coverage [ML] ドットサイズ自己制限効果 (2006 年 ) 高均一化

ナノホール nanohole 0 25 20 15 10 5 Average height [nm]

Imperial Coll. 2nd InAs QD 100 nm Sb Tech.Univ.

(2009 年 ) 高密度高均一化 2 nd InAs QD 1 st QD nanohole

units] Sb 15 K FWHM 19 mev Closely stacked QD layer

9 発光スペクトル半値幅 [mev] Average lateral size [nm] (2000 年 ) 高均一量子ドット InAs coverage [ML] ドットサイズ自己制限効果 (2006 年 ) 高均一化 Height [110] [1-10] ナノホール上の近接積層成長ナノホール nanohole Average height [nm] InAs/GaAs QDs (MBE) NEC InAs QD GaAs Fujitsu (2005 年 ) 高密度量子ドット Sb 導入法 Walter Schottky Inst. Imperial Coll. NEC Wright State Univ. Max Plank Lab. Imperial Coll. 2nd InAs QD 100 nm Sb Tech.Univ.Berlin Univ. Michigan AIST Univ.South CLA Univ. Electro. Comm 高密度量子ドット密度 [cm -2 ] 2 nd InAs QD 高均一 (2009 年 ) 高密度高均一化 2 nd InAs QD 1 st QD nanohole GaAs PL intensity [arb.units] Sb 15 K FWHM 19 mev Closely stacked QD layer Wavelength [nm] Single QD layer FWHM 34 mev InAs QD 10 nm 10nm 1st InAs QD 1 st QD nanohole GaAs 量子ドット国際会議で受賞

10 量子ドット作製技術の進展配列制御 Yamaguchi Lab. 低密度位置制御高均一化高密度化積層化量子ドットの構造制御

11 量子ドット中間バンド型太陽電池量子ドット太陽電池開発のプロジェクト研究 ( 電通大山口 ) ( 平成 20~26 年度 ) ( 独 ) 新エネルギー産業技術総合開発機構 (NEDO) 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 ) ( 平成 27~31 年度 ) ( 国 ) 新エネルギー産業技術総合開発機構 (NEDO) 高性能高信頼性太陽光発電の発電コスト低減技術開発革新的新構造太陽電池の研究開発超高効率低コスト Ⅲ-Ⅴ 化合物太陽電池モジュールの研究開発 ( 高密度量子ドット成長技術 )

12 太陽光発電の今後の発展に対するロードマップ (PV2030+) のシナリオ (NEDO)

13 単接合太陽電池における損失 (AM1.5) ev oc = E g (1-T a /T s ) k B T a ln (Ω emit /Ω abs ) (Carnot) (Boltzmann) 他損失 :15% 熱損失 :23% 透過損失 :32% Si 変換効率 :30% GaAs 熱損失吸収端透過損失タンデム型太陽電池 λ top λ middle λ bottom λ top λ middle λ bottom M. Yamaguchi et al., Solar Energy 79 (2005) 78.

14 タンデム型太陽電池 4 接合 ( 集光 ) ( 集光 ) 3 接合 (1sun)

15 量子ドット中間バンド型太陽電池 Conduction Band (CB) p 量子ドット超格子中間バンドを介した 2 段階光励起 (VB IB CB) Valence Band (VB) QD Intermediate Band (IB) n 詳細平衡モデル計算変換効率 : 63 % 3-band IBSC 2-junction tandem SC λ host λ QD1 λ QD2 Single gap SC CB CB IB λ host λ QD1 λqd2 A. Luque and A. Marti, Phys. Rev. Lett. 78, 5014 (1997). VB VB

量子ドット中間バンドの設計 ( 理論計算 ) IB-VB E iv CB CB IB VB VB 50 % 55 % E ci E iv 高効率化には量子ドット密度はどのくらい必要か? AM 1.5D 1000 suns 60 % 55 % 50 % 45 % 電力変換効率 [%] Thickness :1 μm 40 % InAs QDs /GaAs(Sb) Doping E ci = 0.

16 量子ドット中間バンドの設計 ( 理論計算 ) IB-VB E iv CB CB IB VB VB 50 % 55 % E ci E iv 高効率化には量子ドット密度はどのくらい必要か? AM 1.5D 1000 suns 60 % 55 % 50 % 45 % 電力変換効率 [%] Thickness :1 μm 40 % InAs QDs /GaAs(Sb) Doping E ci = ev E iv = ev Non-doping (sun) % ( 従来の面内 QD 密度 ) ( 積層数 ) cm 層! 2 x cm -2 CB-IB, E ci ( 面内 QD 密度積層数 ) [cm -2 ] K. Sakamoto et al., J. Appl. Phys. 112 (2012)

Sb-Mediated MBE Growth of Ultrahigh-Density InAs QDs 3 10 11 cm -2 GaAs

Saputra et al., Appl. Phys. Express, 5 (2012)125502.

17 Sb-Mediated MBE Growth of Ultrahigh-Density InAs QDs cm -2 GaAs buffer layer GaAs(001) sub. InAs QDs Sb K. Yamaguchi, et al., J. Cryst. Growth, 275 (2005) e cm -2 GaAsSb GaAs buffer layer GaAs(001) sub. InAs QDs E. Saputra et al., Appl. Phys. Express, 5 (2012) cm -2 InAs QDs InAsSb WL GaAs buffer layer GaAs(001) sub K. Sameshima, et al., Appl. Phys. Express, 9, (2016) Yamaguchi Lab.

Au/AuGe 2 段階光励起効果の検証実験 GaAs cap 60.0nm GaAsSb 10ML GaAs buffer 200nm InAs QDs 470 ºC 590 ºC GaAsSb GaAs 第 2 段階励起光フォトルミネッセンス (PL) Normalized PL Intensity 1 0.8 0.6 0.4 0.2 ex.785 nm 15K RT GaAs sub.

18 Au/AuGe 2 段階光励起効果の検証実験 GaAs cap 60.0nm GaAsSb 10ML GaAs buffer 200nm InAs QDs 470 ºC 590 ºC GaAsSb GaAs 第 2 段階励起光フォトルミネッセンス (PL) Normalized PL Intensity ex.785 nm 15K RT GaAs sub. (001) 光電流測定用素子 InAs WL, QD 第 1 段階励起光第 1 光励起電流 (I 1st excitation -I Dark )/I Dark Wavelength [nm] 1000 Bias: 10V 15K RT 光励起電流測定システム第 1 光励起 ( nm) + 第 2 光励起 ( nm) I 2nd excitation -I 1st excitation )/I 1st excitation QD 準位を介した 2 段階光励起効果 st excitation wavelength [nm] Bias: 10V 2nd excitation wavelength 1700~2450 nm 15K RT st excitation wavelength [nm] N. Akimoto, K. Yamaguchi, 42 nd PVSC (2015).

面内超高密度 InAs 量子ドットを導入した太陽電池の試作 100 p+-gaas GaAs GaAs n-gaas n+-gaas 200 nm InAs QD GaAsSb

6 4 単一 QD 層 J sc : up V oc : down AM 1.5, 1 sun IB-SC (3 QD-SLs) GaAs SC 0 0 0.2 0.4 0.6 0.

) 400 600 800 1000 1200 1400 1600 入射光波長 [nm] Integral IQE (900-1600nm) ratio of SC to IB-SC

19 面内超高密度 InAs 量子ドットを導入した太陽電池の試作 100 p+-gaas GaAs GaAs n-gaas n+-gaas 200 nm InAs QD GaAsSb 1500 nm 400 nm InAs QD density 2 : cm -2 高 QD 密度高集光度 Current Density [ma/cm 2 ] 単一 QD 層 J sc : up V oc : down AM 1.5, 1 sun IB-SC (3 QD-SLs) GaAs SC Voltage [V] 外部量子効率 [%] InAs QD (3 層 ) InAs QD (1 層 ) GaAs cell (ref.) 入射光波長 [nm] Integral IQE ( nm) ratio of SC to IB-SC including single QD-SLs [-] IB-SC (1 QD-SLs) IB-SC (3 QD-SLs) GaAs SC Number of staking layer

20 太陽光から発電水素生成貯蔵そして発電 ( クリーンテック ) 太陽光水の電気分解水素生成水素燃料貯蔵 ( 光エネルギー ) ( 電気エネルギー ) ( 化学エネルギー ) 水素と酸素の化学反応太陽電池燃料電池集光型タンデム太陽電池 (31 %) と水の電気分解の組み合わせ : 水素製造の変換効率 ( 模擬太陽光実験 ): 24.4 % ( 東大宮崎大 ) ( 化学エネルギー ) ( 電気エネルギー ) 電気, 水タンデム型セル量子ドット中間バンド型セルの組み合わせ λ top λ QD セル 1 (+ QD) InGaP 天候の影響を受けやすいトップセルに λ middle セル 2 InGaAs 量子ドット中間バンドの導入セル 3 Ge λ bottom

21 経産省作成技術戦略マップ 2009 ナノテクノロジー材料 ➀ ナノテクノロジー分野より

22 Quantum-dot intermediate-band solar cell Colloidal quantum dot solar cell

23 量子ドットテクノロジーの展開原子レベルの物質の創製原子の性質に基づいた量子デバイスエネルギー環境安心安全の社会へ情報通信の高度化 : 量子ドットデイスプレー量子ドット光源超低消費電力化 : 単電子デバイス量子ドットレーザエネルギー変換の高効率化 : 量子ドット太陽電池高セキュリティ化 : 単一光子発生器次世代のクリーンテック開発へご清聴ありがとうございました

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Microsoft PowerPoint - 14.菅谷修正.pptx InGaAs/系量子ドット太陽電池の作製革新デバイスチーム菅谷武芳電子バンド3:伝導帯 E3 E3 E 正孔バンド:中間バンド量子ドット超格子ミニバンド量子ドットの井戸型ポテンシャルバンド:価電子帯量子ドット太陽電池のバンド図 6%を超える理想的な量子ドット太陽電池実現には E3として１ 9eVが必要量子ドット超格子太陽電池理論上変換効率6%以上集光を採用 MBE