歪み補償系積層ゲルマニウム量子ドットの開発と超高効率太陽電池への応用

应变补偿堆叠锗量子点的研制及其在超高效太阳能电池中的应用

基本信息

批准号：
14J10268
负责人：
後藤和泰
金额：
$ 1.09万
依托单位：
Tokyo Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2014
资助国家：
日本
起止时间：
2014-04-25 至 2016-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

量子ドットを用いた太陽電池は，太陽電池の変換効率が向上するとして非常に魅力的である．本研究では，太陽電池応用のための希釈炭化ケイ素（Si1-xCx）層を中間層に用いた歪み補償系積層ゲルマニウム（Ge）量子ドットの開発を目的とした．積層量子ドットを用いた太陽電池は，pn接合方向への量子ドット間隔の近接化，すなわち，膜厚の薄い中間層を用いることによりキャリアの輸送特性の向上が期待できる．しかし，中間層の薄膜化は，量子ドット層で生じる歪みの伝搬・蓄積を増大させ，積層欠陥の発生により結晶品質が悪化することが知られている．Si1-xCx層は歪み補償層として作用し，量子ドットサイズの増大を抑制することが期待できる．昨年度は，Si1-xCx母材を用いた積層Ge量子ドットの開発に取り組み一定の成果を出せた．そこで本年度では，積層Ge/Si1-xCx量子ドット太陽電池の作製，および中間層膜厚の薄膜化が太陽電池に及ぼす影響を調査した．50層積層Si1-xCx上ではGe量子ドット太陽電池はGe/Si量子ドット太陽電池と比較して，量子ドット同士が合体した巨大ドットの発生が抑制されたことにより，キャリアの収集が改善していることが分かった．その結果，開放電圧が改善し，変換効率が向上した．また，中間層膜厚が太陽電池特性に及ぼす影響を調べ，印加電圧によって弱められた内蔵電界の際には，中間層薄膜が薄いほうが外部量子効率が改善，すなわち，キャリアの収集が改善されていることが見出され，量子ドット層でのキャリア輸送の向上を示唆する結果を得た．本研究で得られた量子ドットサイズの増大，凝集体の発生を抑制するSi系材料での歪み補償の技術は，Siを用いたヘテロ材料系に有意義な知見を与え，電子デバイスなどの応用に資するものと考えられる．今年度の成果は，国際会議として口頭発表を行い，査読論文誌に投稿する予定である．

使用量子点的太阳能电池非常有吸引力，因为它们提高了太阳能电池的转换效率。在这项研究中，我们的目标是使用稀释碳化硅 (Si1-xCx) 层作为太阳能电池应用的中间层来开发应变补偿堆叠式锗 (Ge) 量子点。使用堆叠量子点的太阳能电池可以通过使p-n结方向上的量子点间距更近，即通过使用薄的中间层来改善载流子传输特性。然而，已知中间层的减薄会增加量子点层中产生的应变的传播和累积，导致由于堆垛层错的出现而导致晶体质量劣化。 Si1-xCx层充当应变补偿层，有望抑制量子点尺寸的增加。去年，我们致力于利用Si1-xCx基材料开发堆叠式Ge量子点，并取得了一定的成果。因此，今年，我们制作了堆叠式Ge/Si1-xCx量子点太阳能电池，并研究了减小中间层厚度对太阳能电池的影响。与Ge/Si量子点太阳能电池相比，我发现50层堆叠Si1-xCx上的Ge量子点太阳能电池通过抑制量子点聚结的巨点的产生来改善载流子收集。结果，开路电压得到改善，转换效率得到提高。我们还研究了层间薄膜厚度对太阳能电池特性的影响，发现当内建电场被外加电压减弱时，层间薄膜越薄，外量子效率越好，即，载流子的收集得到改善，结果表明量子点层中的载流子传输得到改善。这项研究中获得的硅基材料中的应变补偿技术可以增加量子点的尺寸并抑制聚集体的产生，这将为使用硅的异质材料提供有意义的知识，并将有助于电子设备等应用。为今年的结果将在一次国际会议上口头公布，并提交给同行评审期刊。