InGaAs/InGaP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

E12

E23

E13

バンド2:中間バンド（量子ドット超格子ミニバンド）

バンド1:価電子帯

バンド3:伝導帯

量子ドットの井戸型ポテンシャル

電子

正孔

量子ドット太陽電池のバンド図

量子ドット超格子太陽電池

理論上：変換効率60%以上（集光）

★60%を超える理想的な量子ドット太陽電池実現には、E13として１．9eVが必要。

InGaPを採用

MBEによるInGaP太陽電池

: 8.2 %Voc : 1.23 VJsc : 8.96 mA/cm2

FF : 0.746

0

2

4

6

8

10

12

0 0.5 1 1.5

480℃470℃

490℃

0.5 m/h, 480℃500℃

CU

RR

ENT

DEN

SITY

(mA

/cm

2 )

VOLTAGE (V)

1.0 m/h

Without ARC

固体ソースMBEによるInGaP太陽電池 –初めての系統的な研究–

0

0.2

0.4

0.6

0.8

300 400 500 600 700 800

p+ InGaP: 150 nmp+ InGaP: 50 nmwith InAlP

QU

AN

TUM

EFF

ICIE

NC

Y

WAVELENGTH (nm)

at 480 ºC

高品質量子ドット形成に有利

600 650 700 750 800 850 900

1.3 Monolayer1 Monolayer

1.8 Monolayer

PL IN

TEN

SITY

(a. u

.)

WAVELENGTH (nm)

GaAsバッファ層 2 nmIn0.4Ga0.6As QD 7.0 ML

GaAsバッファ層 10 nmInAs QD 2.4 ML

In0.4Ga0.6As/GaAs/InGaP量子ドット InAs/GaAs/InGaP量子ドットIn0.4Ga0.6As/InGaP量子ドット

InGaP上In0.4Ga0.6As QD 1.3 ML

InGaP上のInGaAs量子ドット

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200

GaAs 2 nm, QD 7 sGaAs 10 nm, QD 7 s

INTE

NSI

TY (a

. u.)

WAVELENGTH (nm)

20 meV

800 900 1000 1100 1200 1300

GaAs 40 nmGaAs 10 nmGaAs 2 nm

INTE

NSI

TY (a

. u.)

WAVELENGTH (nm)

77 K

InGaPの発光

GaAs層の挿入によりドットの量子準位制御可能

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

InGaP20 QD on InGaP10 QD on InGaP20 QD on GaAs

QU

AN

TUM

EFF

ICIE

NC

Y

WAVELENGTH (nm)

InGaAs QD

InGaP上のInGaAs量子ドット太陽電池

0

5

10

15

20

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

10 QD20 QD

CU

RR

ENT

DEN

SITY

(mA

/cm

2 )

VOLTAGE (V)

10 QD 20QDEfficiency (%) 7.9 8.1Voc (V) 0.815 0.731Jsc (mA/cm2) 13.1 15.6FF 0.743 0.707

Without ARC

★InGaP上に形成した初めての量子ドット太陽電池

研究の目的

結果及び考察

結論 参考文献

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

http://www.aist.go.jp/

InGaAs/InGaP系量子ドット太陽電池の作製

★60%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 = 1.9 eV)が必要。

Efficiency > 60% [1, 2]

E12:1.2eV

E23:0.7eV

中間バンド(3 バンド) 太陽電池

InGaP系材料 量子ドット超格子太陽電池

バンド2:中間バンド （量子ドット超格子 ミニバンド）

バンド1:価電子帯

バンド3:伝導帯

量子ドットの井戸型ポテンシャル

電子

正孔

E13:1.9eV

P系成長の問題点 1.固体MBEでP系の成長の実績はあまり無い。 2.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)

★固体ソースMBEを用いたInGaP 太陽電池作製に関する初めての系統的研究 ★InGaP上のIn(Ga)As量子ドット形成に成功。（量子準位の制御） ★InGaP上InGaAs量子ドット太陽電池の作詞に成功。

1. 歪補償技術を用いず400層のIn0.4Ga0.6As 量子ドット積層に成功 [3, 4] 2. 20層In0.4Ga0.6As 量子ドット超格子のミニバンド形成に成功 [5] 3. In0.4Ga0.6As 量子ドット太陽電池およびIn0.2Ga0.8Asキャップ層の効果) [6, 7] 4. 量子ドットミニバンド太陽電池の作製に成功 [8] 5. 150層の超多積層量子ドット太陽電池 [9]

問題点 1. 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 2段階光吸収の明瞭な観察がカギ。 InGaAsドットの場合、左図E23が0.2～0.3 eVで太陽光スペクトルに存在しない。

This work – InGaP量子ドット太陽電池–

MBEによるIn0.48Ga0.52Pの成長

5.7 ×10-6 Torr (Beam Flux) 1.1 ×10-5 Torr

Tsub : 480, 500, 520 ℃

P2 pressure: Growth Rate: 0.5, 1.0 µm/h

InGaPのPL発光

620 630 640 650 660 670 680

480℃, 0.5µm/h, 5.7e-6Torr500℃, 0.5µm/h, 5.7e-6 Torr520℃, 0.5µm/h, 5.7e-6Torr500℃, 1.0µm/h, 1.1e-5Torr

PL In

tens

ity (a

. u.)

Wavelength (nm)32.4 32.6 32.8 33 33.2 33.4 33.6

データ 14500℃, 0.5µm/h, 5.7e-6 Torr520℃, 0.5µm/h, 5.7e-6Torr

480℃, 0.5µm/h, 5.7e-6Torr

500℃, 1.0µm/h, 1.1e-5Torr

INTE

NSI

TY (a

. u.)

2Θ (deg)

InGaPのXRD

GaAs sub. GaAs buffer

n+ InGaP

Stack structure of InGaP solar cell

p + - InGaP 4 x 1018/cm3 :50, 150 nm

n+ - GaAs 1 x 1018/cm3 :400 nm

AuGe / Ni / Au 80 / 20 / 350 nm

Ti / Au 50 / 500 nm

n+ - InGaP 1 x 1018/cm3 :250 nm

n- InGaP n - InGaP 1 x 1017/cm3 :1000 nm

p+- InGaP p+ -InAlP p + - InAlP ~2 x 1018/cm3 :0, 30 nm

p + - GaAs 1 x 1019/cm3 :50 nm

η : 8.2 %, Voc : 1.23 V Jsc : 8.96 mA/cm2, FF : 0.746

0

2

4

6

8

10

12

0 0.5 1 1.5

480℃470℃

490℃

0.5 µm/h, 480℃

500℃

CU

RR

ENT

DEN

SITY

(mA

/cm

2 )

VOLTAGE (V)

1.0 µm/h

Without ARC

0

0.2

0.4

0.6

0.8

300 400 500 600 700 800

p+ InGaP: 150 nmp+ InGaP: 50 nmwith InAlP

QU

AN

TUM

EFF

ICIE

NC

Y

WAVELENGTH (nm)

at 480 ºC

InGaP太陽電池のEQE InGaP太陽電池のI-V特性

InGaAs量子ドット太陽電池

With ARC

AM1.5G, 100 mW/cm2 25 ºC

0

5

10

15

20

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Interdot spacing: 3.5 nmInterdot spacing: 6.5 nmInterdot spacing: 15 nmInterdot spacing: 35 nmGaAs reference

Curre

nt D

ensi

ty (m

A/cm

2 )

Voltage (V)

Interdot 35 nm

20 nm10-4

10-3

10-2

10-1

100

500 600 700 800 900 1000 1100 1200

RT200 K160 K120 K100 K84 K

QU

AN

TUM

EFF

ICIE

NC

Y

WAVELENGTH (nm)

QD

(a)

Interdot: 3.5 nm

7 nm10-4

10-3

10-2

10-1

100

500 600 700 800 900 1000 1100 1200

RT

84K100K120K160K200K

QU

AN

TUM

EFF

ICIE

NC

Y

WAVELENGTH (nm)

QD

(b)

キャリアは熱的に励起され、外部に取り出されている。

キャリアは超格子中のミニバンド中をトンネル。 ★QDによる光電流は温度が低下しても減少せず。 ★温度の低下とともに減少。

ドット間距離の減少に伴いJscが増加。 EQEの温度依存性測定

0

5

10

15

20

25

30

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

10 QD20 QD30 QD50 QD100 QD150 QD

GaAs ref.

CU

RR

ENT

(A)

VOLTAGE (V)

これまでの成果

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200

150 QD

50 QD100 QD

30 QD20 QD10 QDGaAs ref.

QU

AN

TUM

EFF

ICIE

NC

Y

WAVELENGTH (nm)

1. 超多積層InGaAs量子ドット太陽電池: Energy & Environmental Science, 5, 6233 (2012) IF 9.446

400層の量子ドット超多積層化に世界で初めて成功

150層量子ドット太陽電池の外部量子効率、I-V特性 －150層においても良好なセル特性－

2. 世界初の量子ドットミニバンド太陽電池: Solar Energy Materials & Solar Cells, 95, 2920 (2011) IF: 4.593

量子ドットミニバンド太陽電池のI-V特性

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

InGaP20 QD10 QD20 QD on GaAs

QU

AN

TUM

EFF

ICIE

NC

Y

WAVELENGTH (nm)

InGaAs QD

0

5

10

15

20

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

10 QD20 QD

CU

RR

ENT

DEN

SITY

(mA

/cm

2 )

VOLTAGE (V)

10 QD 20QD Efficiency (%) 7.9 8.1 Voc (V) 0.815 0.731 Jsc (mA/cm2) 13.1 15.6 FF 0.743 0.707

Without ARC

In0.4Ga0.6As量子ドット構造

(p + - In0.48Ga0.52P)

ｉ層（量子ドット＋GaAs 層）×10, 20

n – In0.48Ga0.52P n+ - In0.48Ga0.52P

電極（AuGe / Ni / Au）

電極（Ti /Pt/Au）

GaAs sub.

In0.48Ga0.52P層

n+ - GaAs層

GaAsバッファ層

p層

ｎ層

GaAs コンタクト層 In0.48Al0.52P窓層

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。

1. 固体ソースMBEを用いてInGaP太陽電池作製の系統的研究を行った。 2. InGaP上のIn(Ga)As量子ドット形成に成功。（量子準位の制御） 3. InGaP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

[1] A. Luque et al., Phys. Rev. Lett., 78 (1997) 5014. [2] L. Marti et al., Appl. Phys. Lett., 90 (2007) 233510. [3] T. Sugaya et al., Jpn. J. Appl. Phys., 49, (2010) 030211. [4] T. Sugaya et al., J. Vac. Sci. Technol., B 28, (2010) C3C4. [5] T. Sugaya et al., Appl. Phys. Lett. 97, (2010) 043112. [6] T. Sugaya et al., Sol. Energ. Mat. Sol. Cells, 95, (2011) 163 [7] T. Sugaya et al., Appl. Phys. Lett., 97, (2010) 183104. [8] T. Sugaya et al., Sol. Energ. Mat. Sol. Cells, 95, (2011) 2920. [9] T. Sugaya et al., Energy & Environmental Science, 5, (2012) 6233.

InGaP上In(Ga)As 量子ドット構造

600 650 700 750 800 850 900

1.3 Monolayer1 Monolayer

1.8 Monolayer

PL IN

TEN

SITY

(a. u

.)

WAVELENGTH (nm)

77K

InGaP InGaAs/InGaP QD

~0.3 eV

0.2 eV

1.9 eV 1.4 eV

InGaP

InGaAs QD

InGaPのInGaAs量子ドット

GaAs 2 nm InGaAs 7.0 ML

800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200

GaAs 2 nm, QD 7 sGaAs 10 nm, QD 7 sGaAs 40 nm, QD 6.5 s

INTE

NS

ITY

(a. u

.)

WAVELENGTH (nm)

20 meV

~0.3 eV

0.4 eV 1.9 eV 1.2 eV

InGaP

InGaAs QD

GaAs

7.4×1010 cm-2

GaAs 10 nm InAs 2.4 ML

800 900 1000 1100 1200 1300

GaAs 40 nmGaAs 10 nmGaAs 2 nm

INTE

NS

ITY

(a. u

.)

WAVELENGTH (nm)

77 K

~0.3 eV

0.5 eV

1.9 eV 1.1 eV

InGaP

InAs QD

GaAs

InGaPのInGaAs/GaAs量子ドット InGaPのInAs/GaAs量子ドット

1.0 ML 1.8 ML

6.5 ×1010 cm-2

InGaP上 In(Ga)As量子ドット太陽電池