光学

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1 InGaAs Quantum Dot Superlattices for High E ciency Solar Cells Takeyoshi SUGAYA We report ultra-high stacked InGaAs/GaAs quantum dot QD superlattice solar cells fabricated using molecular beam epitaxy. We obtain a 400-stack In 0.4 Ga 0.6 As QD structure and a 20-stack QD superlattice without using a strain balancing technique. Photoluminescence PL and scanning transmission electron microscope measurements indicate that the In 0.4 Ga 0.6 As QD structure exhibits no dislocations and no crystal defects even after the stacking of 400 QD layers. Moreover, we confirm a miniband formation in a 20-stack QD superlattice by the excitation power dependence in PL measurements. The external quantum e ciency EQE and the short-circuit current density of multistacked QD solar cells increase as the number of stacked layers is increased to 150, and the interdot spacing is reduced to 3.5 nm. From the temperature dependence of the EQE for QD solar cells with di erent interdot spacings, we observe the tunnel current through a miniband in QD superlattices with an interdot spacing of 3.5 nm. Key words: quantum dot, solar cell, ultra-high stack, miniband, tunnel current, superlattice 10 PV /kwh 40 Si pn t.sugaya@aist.go.jp

2 2. InGaAs MBE InAs 2 ML GaAs S-K InAs InAs InAs GaAs InAs E E 13 E 12 E 23 E ev E ev E ev V oc 60 3 MBE S-K Stranski- Krastanov In Ga As hole electron Band 3:Conduc on band E 23 E 12 Band 1:Valence band 2 Band 2: Intermediate band (QD superla ce) Poten al for QDs InAs GaAs 20 nm InAs GaAs GaNAs GaP InAs 5 7 InGaAs GaAs InGaAs 1.3 mm In 0.4 Ga 0.6 As/ GaAs 8 nm 28.3 ML 14 GaAs InAs 1.7 ML InGaAs InAs InGaAs In 0.3 InAs GaAs S-K InGaAs 2 nm 7 ML 12 8 nm InGaAs GaAs InAs 3 a In 0.4 Ga 0.6 As nm TEM 12 b c SEM

3 (a) [001] [1-10] [110] top [1-10] [001] 13 nm QP (c) QP 図 3 50 層積層した In0.4Ga0.6 As 量ドット a 断面 TEM 写真 b 拡大図 c 表面 SEM 写真 (c) middle 償層は用いていない 成長速度は 1 m m/h である また (a) 300 layers 通常の MBE で用いられる As4 をクラッキングし As2 分子 線を用いて成長している 従来 高品質量子ドットの作製 には 0.01 m m/h 程度の低成長速度が必要であると考えら (d)bottom れてきた しかしながら本量子ドットは 1 m m/h という高 図 層積層した In0.4Ga0.6 As 量ドットの断面 TEM 写真とその拡大図 成長速度で成長している 高速成長の場合 As2 分子線を 用いたほうがドットの結晶性がよくなることがわかってい る15 16 太陽電池のように多積層が必要なデバイスの作製 400 QD 300 QD 200 QD 20 QD 30 QD には As2 分子線による高速成長は非常に重要な技術であ る 図 3 からわかるように 歪み補償層を用いていないに もかかわらず 成長方向に規則正しく整列した 50 層の多 積層化に成功している 前述のように InAs ドットの場合 はたった 4 層で結晶欠陥や転位が形成されるが InGaAs ドットの場合は 50 層成長してもそれが観察されていない このように In0.4Ga0.6 As 量子ドットの場合 歪み補償層が. なくてもかなりの多積層化が可能となる また図 3 c か らわかるように 50 層成長後の表面構造は [1-10] 方向に ドッドが整列する傾向にあることがみてとれる 単層の量 900 子ドットの場合はランダムにドットが形成され このよう な現象は観察されなかった これは 面内でも量子ドット 図 5 超多積層 In0.4Ga0.6 As 量ドット構造の低 温 PL スペクトル が整列し 三次元の量子ドット超格子作製の可能性を示唆 するものである 最近 さらに積層数を増加しても 良好な超多積層量 た 400 層積層構造の非対称 X 線プロファイルを測定した 子ドット層が得られることがわかってきた 図 4 に 300 ところ 400 層量子ドット構造は格子緩和せず 歪みを保 層積層した構造の断面 TEM 写真を示す 300 層積層し 持したまま成長していることもわかった これは この超 て も 結 晶 中 に 転 位 や 欠 陥 は 観 察 さ れ な い 図 5 は 多積層構造が臨界膜厚以内であることを示唆している In0.4Ga0.6 As 量子ドット超多積層構造のフォトルミネセンス PL 発光強度を低温で比較したものである 400 層まで 3. InGaAs 量子ドット超格子の作製 多積層化した構造を 20 層および 30 層のものと比較して 上述の多積層構造はバリア層が 20 nm であり 図 3 の いる 層のほうが発光強度は強く 400 層 TEM 写真から 規則正しく整列しているのがみてとれる 積層しても良好な特性が得られることがわかる 発光ピー しかしながら超格子という観点からはまだバリア層が厚 ク波長の違いはドットサイズの違いによるものである ま く 上下のドット同士は電子的に結合していない 各量子 41 巻 6 号

4 (a) [001] [1-10] [110] (a) 35 W/cm W/cm W/cm x 10-1 /cm x 10-2 /cm x 10-2 /cm 2 60 nm 30 nm (c) (c) 20 nm 6 20 In 0.4 Ga 0.6 As 3.5 nm 4 mev mev In 0.4 Ga 0.6 As PL 2 3 nm 6 InGaAs nm 20 TEM a 5 nm b c 3.5 nm nm nm 7 6 PL W/cm 2 PL 40 mev 7 15 nm PL 6.5 nm 3.5 nm 3.5 nm 8 mev PL InGaAs PL 60 mev mev 7 40 mev 7 a 15 nm 7 c 8 mev 17 2 nm 10 mev PL PL 4. InGaAs In 0.4 Ga 0.6 As/GaAs nm nm nm

5 QUANTUM EFFICIENCY QD 100 QD 50 QD 30 QD 20 QD 10 QD GaAs ref In 0.4 Ga 0.6 As CURRENT (A) VOLTAGE (V) 150 QD 100 QD 50 QD 30 QD 20 QD 10 QD GaAs ref. 9 In 0.4 Ga 0.6 As GaAs PIN GaAs 900 nm 900 nm InAs 1000 nm InGaAs GaAs - AM 1.5 G, 100 mw/cm 2 25 C 1 J sc Current Density (ma/cm 2 ) Interdot spacing: 3.5 nm Interdot spacing: 6.5 nm Interdot spacing: 15 nm Interdot spacing: 35 nm GaAs reference Voltage (V) In 0.4 Ga 0.6 As - 8 V oc In 0.4 Ga 0.6 As QD layers E ciency V oc V J sc ma/cm Fill factor GaAs. ref

6 2 10 In 0.4 Ga 0.6 As Interdot spacing nm E ciency V oc V J sc ma/cm Fill factor GaAs ref QUANTUM EFFICIENCY QUANTUM EFFICIENCY nm nm GaAs - 7 InGaAs 3.5 nm J sc Interdot: 35 nm RT 200 K 160 K 120 K 100 K 84 K Interdot: 3.5 nm (a) RT 200K 160K 120K 100K 84K In 0.4 Ga 0.6 As 11 a 35 nm b 3.5 nm 84K 1000 nm 11 a 35 nm 3.5 nm 10 J sc E 23 V oc 20 In Ga As/GaAs GaAs E 23

7 400 3 NEDO 1 S. Wojtczuk, P. Chiu, X. Zhang, D. Derkacs, C. Harris, D. Pulver and M. Timmons: InGaP/GaAs/InGaAs 41 concentrator cells using bi-facial epigrowth, Proceedings of the 35th IEEE Photovoltaic Specialists Conference Honolulu, 2010 pp A. Yoshida, T. Agui, K. Nakaido, K. Murasawa, H. Juso, K. Sasaki and T. Takamoto: Development of InGaP/GaAs/ InGaAs inverted triple junction solar cells for concentrator application, Technical Digest of 21st Int. Photovoltaic Science and Engineering Conference Fukuoka, B-4O A. Luque and A. Marti: Increasing the e ciency of ideal solar cells by photon induced transitions at intermediate levels, Phys. Rev. Lett L. Marti, N. Lopez, E. Antolin, E. Canovas, A. Luque, C. Stanley, C. Farmer and P. Diaz: Emitter degradation in quantum dot intermediate band solar cells, Appl. Phys. Lett., V. Popescu, G. Bester, M. C. Hanna, A. G. Norman and A. Zunger: Theoretical and experimental examination of the intermediate-band concept for strain-balanced In,Ga As/Ga As,P quantum dot solar cells, Phys. Rev. B, S. M. Hubbard, C. D. Cress, C. G. Bailey, R. P. Ra aelle, S. G. Bailey and D. M. Wilt: E ect of strain compensation on quantum dot enhanced GaAs solar cells, Appl. Phys. Lett., Y. Okada, R. Oshima and A. Takata: Characteristics of InAs/GaNAs strain-compensated quantum dot solar cell, J. App. Phys., T. Sugaya, Y. Kamikawa, S. Furue, T. Amano, M. Mori and S. Niki: Multi-stacked quantum dot solar cells fabricated by intermittent deposition of InGaAs, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, T. Sugaya, S. Furue, H. Komaki, T. Amano, M. Mori, K. Komori, S. Niki, O. Numakami and Y. Okano: Highly stacked and well-aligned In 0.4 Ga 0.6 As quantum dot solar cells with In 0.2 Ga 0.8 As cap layer, Appl. Phys. Lett., T. Sugaya, O. Numakami, S. Furue, H. Komaki, T. Amano, K. Matsubara, Y. Okano, S. Niki: Tunnel current through a miniband in InGaAs quantum dot superlattice solar cells, Sol. Energ. Mat. Sol. Cells, T. Sugaya, T. Amano, M. Mori, S. Niki and M. Kondo: Highly stacked and high quality quantum dots fabricated by intermittent deposition of InGaAs, Jpn. J. Appl. Phys., K. Akahane, N. Ohtani, Y. Okada and M. Kawabe: Fabrication of ultra-high density InAs-stacked quantum dots by straincontrolled growth on InP 311 B substrate, J. Cryst. Growth, D. Schlenker, T. Miyamoto, Z. B. Chen, M. Kawaguchi, T. Kondo, E. Gouardes, F. Koyama and K. Iga: Critical layer thickness of 1.2 mm highly strained GaInAs/GaAs quantum wells, J. Cryst. Growth, T. Sugaya, T. Amano, M. Mori and S. Niki: Highly stacked InGaAs quantum dot structures grown with two species of As, J. Vac. Sci. Technol. B, C3C4 C3C8. 16 T. Sugaya, T. Amano and K. Komori: Suppressed bimodal size distribution of InAs quantum dots grown with an As 2 source using molecular beam epitaxy, J. Appl. Phys T. Sugaya, T. Amano, M. Mori and S. Niki: Miniband formation in InGaAs quantum dot superlattice, Appl. Phys. Lett., A. Takata, R. Oshima, Y. Shoji, K. Akahane and Y. Okada Fabrication of 100 layer-stacked InAs/GaNAs strain-compensated quantum dots on GaAs 001 for application to intermediate band solar cell, Proceedings of the 35th IEEE Photovoltaic Specialists Conference Honolulu, 2010 pp S. M. Hubbard, C. Plourde, C. Bailey, Z. Bittner, M. Harris, T. Bald, M. Bennett, D. Forbes and R. Ra aelle: InAs quantum dot enhancement of GaAs solar cells, Proceedings of the 35th IEEE Photovoltaic Specialists Conference Honolulu, 2010 pp Y. Okada, T. Morioka, K. Yoshida, R. Oshima, Y. Shoji, T. Inoue and T. Kita: Increase in photocurrent by optical transitions via intermediate quantum states in direct-doped InAs/GaNAs strain-compensated quantum dot solar cell, J. Appl. Phys.,

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