Investigation of Carrier Transport Process in Undulated Superlattice and Development of High Carrier Density Solar Cells for Hydrogen Production

起伏超晶格中载流子输运过程的研究及高载流子密度制氢太阳能电池的开发

• 批准号: 22KJ0955
• 负责人: 浅見 明太
• 金额: $ 1.47万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ0955/
• 关键词: 太陽電池; 量子構造; 超格子; 電圧損失; 非発光再結合; キャリア輸送

本研究では、太陽電池を用いた水の電気分解による水素生成コストの削減に向けて、波状量子構造を用いた高電流密度太陽電池を開発することを目的とした。当初の予定では電流密度をあげることに注力するはずであったが、研究を進めていく内に波状超格子太陽電池における電圧損失が問題となることが明らかになった。そこで、詳細釣り合い理論に基づいた包括的な電圧損失の解析手法を提案した。量子構造太陽電池における電圧損失の解析はこれまで適した方法が提案されておらず、十分な研究がなされてこなかった。本研究によって電圧損失の詳細な解析が可能となり、量子構造太陽電池においては非発光再結合による電圧損失だけではなく、発光再結合による電圧損失も重要になることを明らかにした。また、その成果を用いて新たな量子構造を提案した。その量子構造を用いた太陽電池では、従来よりも高い電流密度と高い電圧の両方を実現することに成功した。具体的にはGaAsP障壁層のP組成を80%という超高P組成にし、厚さを2 nm程度と極薄にし、InGaAs量子井戸層を12 nm程度と厚くした。そうすることで、非発光再結合と発光再結合による電圧損失を抑制しつつ、高い電流密度を達成することに成功した。具体的な数値としては、電流密度を落とすことなく、従来の電圧損失を83 mVから38 mVに削減できた。本研究の成果は水の電気分解に適した量子構造太陽電池を作製する上で重要であると言える。本成果は学術雑誌1報、国際学会2件にて発表した。

这项研究的目的是开发一种采用波状量子结构的高电流密度太阳能电池，以降低利用太阳能电池电解水制氢的成本。最初的计划是专注于增加电流密度，但随着研究的进展，人们发现波浪超晶格太阳能电池的电压损失是一个问题。因此，我们提出了一种基于详细平衡理论的综合电压损失分析方法。到目前为止，还没有提出合适的方法来分析量子结构太阳能电池的电压损失，也没有进行足够的研究。这项研究使得对电压损失进行详细分析成为可能，并揭示了在量子结构太阳能电池中，不仅由非辐射复合引起的电压损失很重要，而且由辐射复合引起的电压损失也很重要。我们还利用这些结果提出了一种新的量子结构。使用这种量子结构的太阳能电池已成功实现比传统太阳能电池更高的电流密度和更高的电压。具体而言，GaAsP势垒层具有80%的超高P成分，厚度极薄，约为2nm，InGaAs量子阱层厚，约为12nm。通过这样做，他们成功地实现了高电流密度，同时抑制了由于非辐射复合和辐射复合而导致的电压损失。具体来说，电压损失从 83 mV 减少到 38 mV，而电流密度没有降低。这项研究成果可以说对于打造适合水电解的量子结构太阳能电池具有重要意义。该成果发表在一份学术期刊和两次国际会议上。

项目成果

What causes voltage loss in solar cells?

是什么导致太阳能电池电压损失？

• 发表时间: 2022
• 作者: Meita Asami;Riko Yokota;Maui Hino;Li Gan;Kentaroh Watanabe;Yoshiaki Nakano;Masakazu Sugiyama
• 通讯作者: Masakazu Sugiyama

Comparison of Various Voltage Metrics for the Evaluation of the Nonradiative Voltage Loss in Quantum-Structure Solar Cells

用于评估量子结构太阳能电池非辐射电压损耗的各种电压指标的比较

• DOI: 10.1109/jphotov.2022.3229186
• 发表时间: 2023
• 期刊: IEEE Journal of Photovoltaics
• 影响因子: 3
• 作者: Meita Meita Asami;Kentaroh Watanabe;Riko Yokota;Yoshiaki Nakano;Masakazu Sugiyama
• 通讯作者: Masakazu Sugiyama

外部量子効率の形状が開放電圧に与え る影響と量子構造太陽電池の最適化設計

外量子效率形状对量子结构太阳能电池开路电压的影响及优化设计

• 发表时间: 2022
• 作者: M. Asami;K. Watanabe;Y. Nakano;and M. Sugiyama;浅見明太，渡辺健太郎，中野義昭，杉山正和
• 通讯作者: 浅見明太，渡辺健太郎，中野義昭，杉山正和

Applying Ultra-High Phosphorous Composition GaAsP to InGaAs/GaAsP Strain-Balanced Quantum Structure Solar Cells Aiming for High Efficiency Multi-junction Solar Cells

将超高磷成分GaAsP应用于InGaAs/GaAsP应变平衡量子结构太阳能电池，旨在实现高效多结太阳能电池

• 发表时间: 2022
• 作者: M. Asami;K. Watanabe;Y. Nakano;and M. Sugiyama
• 通讯作者: and M. Sugiyama