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 による 太陽電池.8.6.. p+ : nm p+ : nm with InAlP at 8 ºC CURRENT DENSITY (ma/cm ) 8 6 7 8 9. m/h, 8. m/h 3 6 7 8 : 8. % Voc :.3 V Jsc : 8.96 ma/cm FF :.76.. 固体ソース MBE による 太陽電池 初めての系統的な研究 高品質量子ドット形成に有利
上のInGaAs量子ドット 上 In.Ga.6As QD.3 ML In.Ga.6As/量子ドット GaAsバッファ層 nm In.Ga.6As QD 7. ML GaAsバッファ層 nm InAs QD. ML In.Ga.6As/GaAs/量子ドット InAs/GaAs/量子ドット GaAs nm, QD 7 s GaAs nm, QD 7 s 3. GaAs nm GaAs nm GaAs nm 3 の発光.. mev 77 K PL Monolayer.3 Monolayer.8 Monolayer. 6 6 7 7 8 8 9 8 8 9 9 8 9 GaAs層の挿入によりドットの量子準位制御可能 3
上の InGaAs 量子ドット太陽電池.8.6.. QD on QD on QD on GaAs CURRENT DENSITY (ma/cm )...6.8 QD QD 3 6 7 8 9 QD QD Efficiency (%) 7.9 8. Voc (V).8.73 上に形成した初めての量子ドット太陽電池 Jsc (ma/cm) 3..6 FF.73.77
InGaAs/系量子ドット太陽電池の作製 菅谷 武芳 産業技術総合研究所 太陽光発電工学研究センター 革新デバイスチーム P系成長の問題点 研究の目的 電子 バンド3:伝導帯 E3:.7eV E3:.9eV.固体MBEでP系の成長の実績はあまり無い.Pは燃えやすい 高品質量子ドット成長には MBEが優れている これまでの成果 InGaAs系QD) バンド:中間バンド 量子ドット超格子 ミニバンド E:.eV.. 3... 量子ドットの井戸型 ポテンシャル バンド:価電子帯 正孔 中間バンド(3 バンド) 太陽電池 Efficiency > 6% [, ] 6%を超える理想的な中間バンドセル 作製のため 母体の半導体はワイド ギャップ(Eg =.9 ev)が必要 量子ドット超格子太陽電池 This work 量子ドット太陽電池 固体ソースMBEを用いた 太陽電池作製に関する初めての系統的研究 上のIn(Ga)As量子ドット形成に成功 量子準位の制御 上InGaAs量子ドット太陽電池の作詞に成功 系材料 結果及び考察 歪補償技術を用いず層のIn.Ga.6As 量子ドット積層に成功 [3, ] 層In.Ga.6As 量子ドット超格子のミニバンド形成に成功 [] In.Ga.6As 量子ドット太陽電池およびIn.Ga.8Asキャップ層の効果) [6, 7] 量子ドットミニバンド太陽電池の作製に成功 [8] 層の超多積層量子ドット太陽電池 [9] 問題点. Vocの低下 量子ドットで生成したキャリアが効率良く取り出せない 太陽光スペクトルによる 段階光吸収の明瞭な観察がカギ InGaAsドットの場合 左図E3が..3 evで太陽光スペクトルに存在しない これまでの成果 層の量子ドット超多積層化に世界で初めて成功 3.8 33 33. 33. 33.6...6 Voltage (V).8 - -3 - RT K 6K K K 8K Interdot: 3. nm. QD..6.8 RT K 6 K K K 8 K - - -3 - Interdot 3 nm 6 7 8 9 QD nm 7 nm 6 7 8 9 (a) (b) 温度の低下とともに減少 QDによる光電流は温度が低下しても減少せず キャリアは超格子中のミニバンド中をトンネル キャリアは熱的に励起され 外部に取り出されている EQEの温度依存性測定 n+ - GaAs x 8/cm3 77K. ML のInGaAs量子ドット n+ - x 8/cm3 : nm.8 ML : nm Monolayer.3 Monolayer.8 Monolayer InGaAs/ QD. ev. ev.9 ev ~.3 ev 6 6 7 7 8 8 9 のInGaAs/GaAs量子ドット.6.. 7 8 太陽電池のEQE η : 8. %, Jsc : 8.96 ma/cm, CURRENT DENSITY (ma/cm ) at 8 ºC. µm/h 8 6 6. cm- GaAs. ev.9 ev mev 8 8 9 9. ev ~.3 ev 7. cm-. 太陽電池のI-V特性. In.8Ga.P層 Voc :.3 V FF :.76.8 GaAs コンタクト層 p層 (p + - In.8Ga.P) ｉ層 量子ドット GaAs 層, GaAsバッファ層 In.Ga.6As量子ドット構造 n In.8Ga.P ｎ層 n+ - In Ga P.8. n+ - GaAs層 GaAs sub. 結論. 固体ソースMBEを用いて太陽電池作製の系統的研究を行った. 上のIn(Ga)As量子ドット形成に成功 量子準位の制御 3. 上In(Ga)As量子ドット太陽電池の作製に初めて成功した 謝辞 本研究の一部は 経済産業省のもと NEDO技術開発機構から委託され 実施したものである 電極 AuGe / Ni / Au. ev ~.3 ev 8 9 3 InAs QD 電極 Ti /Pt/Au In.8Al.P窓層. ev.9 ev GaAs 77 K GaAs nm GaAs nm GaAs nm GaAs nm InAs. ML 上 In(Ga)As量子ドット太陽電池 GaAs nm, QD 7 s GaAs nm, QD 7 s GaAs nm, QD 6. s GaAs nm InGaAs 7. ML 7 8 9. µm/h, 8 のInAs/GaAs量子ドット 6 - 上In(Ga)As 量子ドット構造 n - x 7/cm3 : nm Stack structure of solar cell ドット間距離の減少に伴いJscが増加 AuGe / Ni / Au 8 / / 3 nm p+ : nm p+ : nm with InAlP 9 p + - InAlP ~ x 8/cm3 :, 3 nm p + - x 8/cm3 :, nm n+ GaAs buffer GaAs sub. Interdot spacing: 3. nm Interdot spacing: 6. nm Interdot spacing: nm Interdot spacing: 3 nm GaAs reference のXRD p + - GaAs x 9/cm3 : nm n- AM.G, mw/cm ºC 量子ドットミニバンド太陽電池のI-V特性 p+ -InAlP p+- 3 Θ (deg) Ti / Au / nm 8 3.6 のPL発光.8 With ARC 3. 68 7 PL Wavelength (nm) 67 6 QD QD QD on GaAs.6.. 3 6 7 8 9 QD QD 66 CURRENT DENSITY (ma/cm ) 6. 層量子ドット太陽電池の外部量子効率 I-V特性 層においても良好なセル特性 6. 世界初の量子ドットミニバンド太陽電池: Solar Energy Materials & Solar Cells, 9, 9 () IF:.93 63 Current Density (ma/cm ) PL Intensity (a. u.) 6. 8,.µm/h,.7e-6Torr,.µm/h,.7e-6 データ Torr,.µm/h,.7e-6Torr,.µm/h,.e-Torr.µm/h,.7e-6Torr.µm/h,.7e-6 Torr.µm/h,.7e-6Torr.µm/h,.e-Torr QD QD QD 3 QD QD QD GaAs ref..6 8,,,, MBEによるIn.8Ga.Pの成長 Tsub : 8,, Growth Rate:.,. µm/h P pressure:.7-6 Torr (Beam Flux). - Torr 3 QD QD QD 3 QD QD QD GaAs ref..8 CURRENT (A) InGaAs量子ドット太陽電池. 超多積層InGaAs量子ドット太陽電池: Energy & Environmental Science,, 633 () IF 9.6 QD QD...6.8 Efficiency (%) 7.9 8. Voc (V).8.73 Jsc (ma/cm) 3..6 FF.73.77 参考文献 [] A. Luque et al., Phys. Rev. Lett., 78 (997). [] L. Marti et al., Appl. Phys. Lett., 9 (7) 33. [3] T. Sugaya et al., Jpn. J. Appl. Phys., 9, () 3. [] T. Sugaya et al., J. Vac. Sci. Technol., B 8, () C3C. [] T. Sugaya et al., Appl. Phys. Lett. 97, () 3. [6] T. Sugaya et al., Sol. Energ. Mat. Sol. Cells, 9, () 63 [7] T. Sugaya et al., Appl. Phys. Lett., 97, () 83. [8] T. Sugaya et al., Sol. Energ. Mat. Sol. Cells, 9, () 9. [9] T. Sugaya et al., Energy & Environmental Science,, () 633. http://www.aist.go.jp/