【研究領域課題番号】19H02541 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ドット / 自己組織化量子ドット / 分子線エピタキシー / タイプⅡ超格子 / 量子ドット太陽電池 / 中間バンド太陽電池 / 分子線エピタキシ－ / 光マネジメント / ナノ構造物理 / 光起電力物性 / 太陽電池 / 2段階光吸収 / 集光型太陽電池

【研究成果の概要】

量子ドットを利用した中間バンド太陽電池の高効率化に向けて、次に挙げた課題を解決する必要がある。(1)中間バンドが再結合中心となり、発光再結合及び非発光再結合レートが増大し開放電圧が下がってしまうこと、(2)中間バンドでのキャリア占有率、また量子ドットの光吸収が低いとき、中間バンド→伝導帯への2段階目の光吸収が少なくなること、(3)量子ドット層と周囲の材料のエネルギー障壁が小さいと2段階光吸収が起こる前にキャリアの熱脱出が起こってしまうこと、そして(4)量子ドットの面内密度が低くかつ面直方向に十分に近接させることができない場合、中間バンド(超格子ミニバンド)が形成されないこと、などである。
本年度は、特に上記(2)に関し、Fabry-Perot(FP)光共振器構造を用いて太陽電池内の共振位置に光電場が増強されることを利用して、これらの共振位置に量子ドット層を挿入することで、量子ドットの光吸収を増大させることができるか実証を試みた。作製したFP構造を導入した薄型量子ドット太陽電池において、FP共振波長と一致する波長位置に量子ドットの吸収ピークが明瞭に観測された。これは電界強度のシミュレーション結果との比較から、FP共振によってこれらの波長で量子ドットの吸収が増強されたためと考えられる。また光閉じ込め構造を有しない従来構造の量子ドット太陽電池と比較した場合も、FP構造を持つ薄型量子ドット太陽電池の方が、長波長の領域から得られる分光感度、及び電流生成が大きくなることを実証することができた。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2019-04-01 - 2023-03-31

【配分額】17,290千円 (直接経費: 13,300千円、間接経費: 3,990千円)

【研究分野】結晶工学

【研究領域課題番号】26246017 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ドット太陽電池 / 中間バンド太陽電池 / 自己組織化量子ドット / ２段階光吸収過程 / 分子線エピタキシー / 量子ドット超格子 / 量子ドット / 2段階光吸収過程 / フーリエ変換光電流分光法 / 結晶成長 / 高効率太陽光発電材料・素子 / 太陽電池 / 半導体物性 / 量子ナノ構造 / 2段階光吸収 / 太陽光発電 / 量子効率

【研究成果の概要】

従来のpn接合間の最適なエネルギー位置に新たにバンド構造を導入した中間バンド型太陽電池が実現できると、エネルギー変換効率の理論値は60%(集光時)を上回り、現在の単結晶Si太陽電池の２～３倍の発電量が得られる。このような太陽電池を実現する素子構造として、高密度、高均一で周期配列させた量子ドット超格子(ドット結晶)が挙げられる。
本研究では価電子帯から中間バンドへ、また中間バンドから伝導帯への励起強度と時間遅れが光電流に及ぼす影響を網羅的に調べることにより、中間バンドの役割を明確にし、かつこのときの最適な集光条件を見出すことにより、電流整合の最適化及び高電圧化を図ることを目的とした研究を行った。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2014-04-01 - 2018-03-31

【配分額】41,860千円 (直接経費: 32,200千円、間接経費: 9,660千円)

【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】17360135 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ドット / 自己形成法 / 希釈窒化物半導体 / 歪み制御 / 分子線エビタキシー / 高効率太陽電池 / 歪み補償成長法 / 分子線エピタキシー / 超格子 / 歪み報償法 / 自己組織化量子ドット / GaInNAs / 窒素ラジカル / 光エレクトロニクス

【研究成果の概要】

(1) GaNAs希釈窒化物半導体を用いて自己組織化lnAs量子ドットの多重積層化に関する研究を行った。GaNAsの格子定数は、少量の窒素の添加によりGaAsの格子定数より小さくできるため、量子ドット部で残留する圧縮歪みとは逆向きの引張り歪みにより歪みを補償することが可能となり、平均的な歪みエネルギーを相殺させることができる。成長条件の最適化を行った結果、30層以上の多重積層量子ドット構造を作製し、10^<12> cm^<-2>台の超高密度な多重積層量子ドット構造を実現することに成功した。
(2)最適化されたイオン除去電極の下で活性なイオン種を取り除きGaInNAs量子ドットを作製する方法を研究した。また発光特性の改善を目的としてGaAsSb歪み緩和層で埋め込む構造を検討した。埋め込み層であるGaAsSbの格子定数をGaAsとGaInNAsの間になるように制御することにより、GaInNAs量子ドットに加わる局所的な歪みを低減できるため、長波長側での発光や、ヘテロ界面で発生しやすい非発光再結合中心を減少させることが期待できる。加えて、GaAsSbとGaInNAsとのバンドオフセットの観点から、量子閉じ込めが強い状態を維持でき、発光強度の温度依存性が改善できると考えられる。本研究では、GaAsSb歪み緩和層を用いてGaAs(001)基板上に自己組織化Ga_<0.6>In_<0.4>N_<0.012>As_<0.988>量子ドットを作製し、発光特性について評価を行った。GaAs_<0.821>Sb_<0.179>歪み緩和層の導入による成長後の表面は非常に平坦なものが得られた。また歪み緩和層の導入により発光ピークが長波長化し発光強度も増大した。したがってGaInNAs量子ドット部での局所的な歪みの緩和、及びヘテロ界面の品質が改善されたことから、長波長帯光デバイスへの応用が期待される。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2005 - 2007

【配分額】9,510千円 (直接経費: 9,300千円、間接経費: 210千円)

【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】13650333 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ドット / 自己組織化量子ドット / 自己組織化成長法 / 走査型プローブ顕微鏡 / 導電性プローブ法 / 単電子トンネル物性 / 自己組織化成長技術 / 導電性プローブ / 自己組織化成長 / 人工原子 / 自己組織化ドット / 自己組織化結晶成長 / ドット間結合

【研究成果の概要】

将来のナノエレクトロニクスデバイスにおいて、高密度でサイズが均一な量子ドットが必要とされている。GaAs高指数面基板上のInGaAs量子ドットは、整列性、均一性に優れた自己組織化過程を経て形成される。このとき、InGaAsドット表面は相分離によりInAs-richになっていることを明らかにし、ドット間には斥力が働くことでドット同士の合体が抑制され、また高密度化することが分かった。次に、GaAs(311)B基板上のIn_<0.4>Ga_<0.6>Asドット群の中で、円対称性に優れた単一ドットの量子エネルギー状態を低温プローブ顕微鏡を用いて調べた。InGaAs/GaAs自己組織化量子ドットの場合、ドット層の上に薄いスペーサ層を介して次のドット層を成長させると、下層のドットの直上に次のドットが形成される性質に着目して、最表面のドット層をナノマーカーおよびナノエミッタとして用い、探針プローブからトンネル障壁層のスペーサ層を介して、直下に埋め込まれた単一ドットに電子を理想的には一つずつ注入することを試みた。任意に選択した単一ドットに対して制御性良く単電子の注入ができるように装置の改良を行った結果、量子ドットの人工原子的な振る舞いを精度よく測定できるようになり、特有の殻構造が形成されることを明らかにした。さらに、隣接したドット間に弱く結合が生じている場合は、ドット間のトンネル障壁層中にまで電子の波動関数がしみだしているため、電流が流れやすい状態になっており、人工分子的性質が期待できることを明らかにした。以上のことはまた量子ビットなどへの応用が期待される。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2001 - 2003

【配分額】3,400千円 (直接経費: 3,400千円)