量子ドットデバイス と最先端太陽電池開発 - rieti...e3 e2 電子の状態密度...
TRANSCRIPT
電気通信大学 基盤理工学専攻 山口 浩一
第106回研究開発セミナー 「クリーンテック・水素社会への挑戦」 (2016.10.11)
量子ドットデバイス
と最先端太陽電池開発
<クリーンテック> 再生可能エネルギーを利用した安定な電力供給
太陽光 ⇒ 水の電気分解 ⇒ 水素生成・貯蔵 ⇒水素と酸素の化学反応(光エネルギー) → (電気エネルギー) → (化学エネルギー) (化学エネルギー)
↓
(電気エネルギー)
⇓電気, 水
太陽電池
GaAs
InAs
4 nm(電通大・山口研作製)
量子ドットとは
半導体量子ナノ構造の電子状態
バルク半導体 量子ドット (3D-QW)(1D)量子井戸 量子細線 (2D-QW)
放物線関数状の状態密度 階段状の状態密度 鋸状の状態密度 デルタ関数状の状態密度
)]()()([1
)(,,
nlkLLL
zyx
klnzyx
εεεεδερ 量子ドット内の電子は、完全に離散化した
量子準位に存在 (人工原子とも呼ばれる)
(3D 電子系) (2D 電子系) (1D 電子系) (0D 電子系)
∝ E1/2
電子の状態密度
電子エネルギー
EcE1
E3
E2
電子の状態密度 電子の状態密度
E1
E3
E2
E1
E3
E2
電子の状態密度 ρ(ε)
電子のエネルギー分布
スピン
< 電子ド・ブロイ波長
量子ドット内の励起子と遷移エネルギー
Exciton Negative trion Positive trion Bi-exciton Tri-exciton
中性励起子 負の荷電励起子 正の荷電励起子 中性励起子分子 中性励起子分子
X-X0 2X0X+ 3X0
1.256 1.2600
5
10
光子エネルギー (eV)
PL 強度
(arb
. u
nits)
17K
0.5 mW
1.3 mW
3.0 mW
bi-exciton
2X0
X0
single
exciton
励起出力
1.264
+h正孔
-e電子
単一励起子
+h
-e
+h
-e2重励起子
電子
正孔
+h
-e
負の荷電励起子
-e
電子エネルギー
量子ドットレーザ(理論)
(量子ドット物性研究)
量子ドット太陽電池(理論)
量子ドットの研究開発
1980年
1990年
2000年
2010年
2020年
量子井戸エッチング加工選択成長
ストランスキ・クラスタノフ成長液滴エピタキシー化学合成法積層成長
高均一化位置制御高密度化
量子ドットレーザーの試作
量子情報デバイスの試作
量子ドット太陽電池の試作量子ドットレーザーの実用化
量子ドットディスプレーの実用化
Siフォトニクスへの展開
【概念・理論】 【作製技術】 【デバイス応用】
溶液中でのコロイダルドットの化学合成 Ar
TOPO反応前駆体
ヒーター
冷却部
ホットソープ法化学合成法
Se(TBP) Cd(CH3)2 CdSe
300~350℃
Se Cd 核形成
熱分解 TOPO
脱離・吸着前駆体衝突
コロイダルドット
界面活性剤8 -10 nm
自己組織化法(自己形成法) ストランスキー・クラスタノフ (SK) 成長モード
格子不整合歪➡ 2D成長から3D成長へ遷移3D成長2D成長
基板結晶
薄膜成長
GaAs上へのInAs量子ドットのSK成長
1.63 ML 1.76 ML
2D
分子線エピタキシー(MBE)
Yamaguchi Lab.
超高真空(×10-10 Torr)下で、高純度原料を
分子線にして基板表面に照射し、単結晶薄膜
を成長する。反射型高速電子線回折(RHEED)
により、成長表面構造をリアルタイム観察する。
MBE2
MBE成長室
試料交換室
蛍光スクリーン
反射型高速電子線回折用電子銃
基板
シャッター フラックスゲージ
Ga分子線セル
As分子線セル
Al分子線セル
液体窒素シュラウド
四重極質量分析計
基板搬送用ロッド
ゲートバルブ
超高真空ポンプ
超高真空ポンプ
電子線
MBE2
MBE1
量子ドット形成メカニズムの解析
0
2
4
6
8
10
10 15 20 25 30 35 40
横方向サイズ [nm]
ドット高さ
[nm
] 3D dots
2D islands
[110]
3D dot2D island
100nm
K. Yamaguchi, et a., J. Cryst. Growth, 237-239 (2002) 1301.
成長過程の解析
量子ドットの構造解析
サイズ・形状
密度・配列
形成位置
量子準位
歪緩和
e-xx1.0
1.05
0.95
反射高速電子線回折
歪分布解析
0
5
10
15
20
0 200 400 600 800 1000
Dot
hei
ght [
nm]
InAs 成長
コアレッセンス・ドット
コヒーレント・ドット
成長中断
サイズ自己制限
0
10
20
30
40
50
60
70
0 200 400 600 800 1000
1.02
1.03
1.04
1.05
1.06
1.07
相対格子定数
e
時間 [sec]
高輝度光科学研究センター(SPring-8)
MBE成長装置 放射光(X線)
X線回折計
InAs
GaAs核形成の解析
1992-’99
InAs/GaAs QDs (MBE)
0
10
20
30
40
50
1010
1011
NEC
FujitsuNEC
Imperial Coll.
Tech.Univ.Berlin
Walter Schottky Inst.
量子ドット密度 [cm-2]
発光スペクトル半値幅
[meV
]
【高均一】
【高密度】
Wright State Univ.
Imperial Coll.
Univ.South CLA
AIST
Max Plank Lab.
2000-’09
Univ. Michigan
Univ. Electro. Comm.
高均一量子ドット(2000年)
0
10
20
30
40
50
0
5
10
15
20
25
1.5 2 2.5 3 3.5
InAs coverage [ML]
Avera
ge h
eigh
t [nm
]
Aver
age
late
ral
size
[n
m] [110]
[1-10]
Height
ドットサイズ自己制限効果
InAs QD
GaAs Sb
(2005年) 高密度量子ドット
100 nm
Sb導入法
(2006年) 高均一化
2nd InAs QD
1st QDnanohole
GaAs
ナノホール上の近接積層成長
10 nm
ナノホール
InAs QD 10nm
nanohole
1st InAs QD
2nd InAs QD
2nd InAs QD
1st QD nanohole
SbGaAs
(2009年) 高密度・高均一化
1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300
15 K
PL
in
ten
sity
[a
rb
.un
its]
Wavelength [nm]
34 meV
19 meV
FWHM
FWHM
Closely stacked
QD layer
Single QD layer
量子ドット国際会議で受賞
量子ドット作製技術の進展
量子ドットの構造制御
高均一化 高密度化低密度・位置制御
配列制御
積層化
Yamaguchi Lab.
量子ドット太陽電池開発のプロジェクト研究 (電通大・山口)
(国)新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)
高性能・高信頼性太陽光発電の発電コスト低減技術開発
革新的新構造太陽電池の研究開発
超高効率・低コストⅢ-Ⅴ化合物太陽電池モジュールの研究開発
(高密度量子ドット成長技術)
(独)新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)
新エネルギー技術研究開発
革新的太陽光発電技術研究開発(革新型太陽電池国際研究拠点整備事業)
ポストシリコン超高効率太陽電池の研究開発(自己組織化量子ドット)
(平成20~26年度)
(平成27~31年度)
量子ドット中間バンド型太陽電池
太陽光発電の今後の発展に対するロードマップ(PV2030+)のシナリオ (NEDO)
吸収端熱損失 透過損失
Si GaAs
(AM1.5)単接合太陽電池における損失
λmiddleλtop λbottom
タンデム型太陽電池
M. Yamaguchi et al., Solar Energy 79 (2005) 78.
λmiddle
λbottom
λtop
eVoc = Eg(1-Ta/Ts) – kBTa ln (Ωemit/Ωabs)
(Carnot) (Boltzmann)
変換効率:30%
透過損失:32%
熱損失:23%
他損失:15%
タンデム型太陽電池
(集光)
3接合(1sun)
4接合(集光)
http://www.nrel.gov/ncpv/images/efficiency_chart.jpg
量子ドット中間バンド型太陽電池
量子ドット超格子
λQD1λhost λQD2
Conduction Band (CB)
Valence Band (VB)
Intermediate
Band (IB)
中間バンドを介した
2段階光励起
(VB ➡ IB ➡ CB)
QD
p
3-band IBSC
2-junction
tandem SC
Single gap SC
A. Luque and A. Marti, Phys. Rev. Lett. 78, 5014 (1997).
詳細平衡モデル計算変換効率: 63 %
n
CB CB
IB
VB VB
λQD1λhost
λQD2
IB-VB
Eiv
CB-IB, Eci
AM 1.5D
1000 suns
量子ドット中間バンドの設計(理論計算)
CB CB
IB
VB VBEiv
Eci
Thickness
:1 μm
(sun)
10000
1000
100
10
1
Doping
Non-doping
( 面内QD密度×積層数 )
電力変換効率
[%]
[cm-2]
K. Sakamoto et al., J. Appl. Phys. 112 (2012) 124545.
2 x 1013 cm-2
40 %
60 %
50 %
45 %
(従来の面内QD密度)×(積層数)
【 5×1010 cm-2 】 × 400 層!
50 % 55 %
高効率化には、量子ドット密度はどのくらい必要か?
InAs QDs
/GaAs(Sb)
Eci = 0.322 eV
Eiv = 1.098 eV
55 %
40 %
5×1011 cm-2
GaAs(001) sub.
GaAs buffer layer
InAs QDs
Sb
3×1011 cm-2
GaAs(001) sub.
GaAs buffer layer
InAs QDs
GaAsSb
InAs QDs
InAsSb WL
E. Saputra et al.,
Appl. Phys. Express, 5 (2012)125502.
K. Yamaguchi, et al.,
J. Cryst. Growth, 275 (2005) e2269.
Sb-Mediated MBE Growth of Ultrahigh-Density InAs QDs
1×1012 cm-2
GaAs(001) sub
GaAs buffer layer
K. Sameshima, et al.,
Appl. Phys. Express, 9, (2016) 075501.
Yamaguchi Lab.
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
700 800 900 1000 1100 1200
ex.785 nm 15KRT
Norm
aliz
ed P
L I
nte
nsi
ty
Wavelength [nm]
0.1
1
10
100
1000
700 800 900 1000 1100 1200
15K
RT
(I1
st e
xci
tati
on-I
Dar
k)/
I Dar
k
1st excitation wavelength [nm]
Bias: 10V
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
700 800 900 1000 1100 1200
15K
RT
1st excitation wavelength [nm]I 2
nd e
xci
tati
on-I
1st
ex
cita
tion)/
I 1st
ex
cita
tion
Bias: 10V
2nd excitation wavelength
1700~2450 nm
2段階光励起効果の検証実験フォトル
ミネッセンス(PL)
第1光励起電流
第1光励起(1000-1200 nm)
+第2光励起
(1700-2450 nm)
光励起電流測定システム
GaAs
InAs
WL, QD
GaAsSb
第1段階励起光
第2段階励起光
光電流測定用素子
470 ºC
590 ºCGaAs buffer 200nm
GaAs sub. (001)
GaAs cap 60.0nm
GaAsSb 10ML
InAs QDsAu/AuGe
QD準位を介した
2段階光励起効果
N. Akimoto, K. Yamaguchi, 42nd PVSC (2015).
面内超高密度InAs量子ドットを導入した太陽電池の試作
p⁺-GaAs
n⁺-GaAs
n-GaAs 1500 nm
400 nm
GaAs
GaAs
200 nm
InAs QDGaAsSb
0.1
1
10
100
400 600 800 1000 1200 1400 1600
外部量子効率
[%]
入射光波長 [nm]
GaAs cell (ref.)
InAs QD (1層)
InAs QD (3層)
0
1
2
3
0 1 2 3
Inte
gra
l IQ
E (
90
0-1
600
nm
) ra
tio
of
SC
to
IB
-SC
incl
ud
ing
sin
gle
QD
-SL
s [-
]
Number of staking layer
IB-SC
(3 QD-SLs)
IB-SC
(1 QD-SLs)
GaAs SC
0
2
4
6
8
10
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Cur
rent
Den
sity
[m
A/c
m2]
Voltage [V]
IB-SC
(3 QD-SLs)
GaAs SC
Jsc: up
Voc: down
AM 1.5, 1 sun単一QD層
InAs QD density
: 5 × 1011 cm-2 高QD密度高集光度
50
集光型タンデム太陽電池(31 %) と水の電気分解の組み合わせ:
水素製造の変換効率(模擬太陽光実験): 24.4 % (東大・宮崎大)
太陽光 ⇒ 水の電気分解 ⇒ 水素生成⇒水素燃料貯蔵(光エネルギー)→ (電気エネルギー)→(化学エネルギー)
⇓水素と酸素の化学反応(化学エネルギー)→(電気エネルギー)
⇓電気, 水
太陽電池 燃料電池
★太陽光から発電・水素生成・貯蔵そして発電 (クリーンテック)
天候の影響を受けやすいトップセルに
量子ドット中間バンドの導入
タンデム型セル
量子ドット中間バンド型セル
の組み合わせInGaP
InGaAs
Ge
セル1
(+ QD)
セル2
セル3
λtop λQD
λmiddle
λbottom
経産省作成「技術戦略マップ2009ナノテクノロジー・材料➀ナノテクノロジー分野」より
2016 2020 2030
Quantum-dot intermediate-band solar cell
Colloidal quantum dot solar cell
量子ドットテクノロジーの展開
原子レベルの物質の創製
⇒ 原子の性質に基づいた量子デバイス
⇒ エネルギー・環境・安心・安全の社会へ
・情報通信の高度化: 量子ドットデイスプレー、量子ドット光源
・超低消費電力化: 単電子デバイス、量子ドットレーザ
・エネルギー変換の高効率化: 量子ドット太陽電池
・高セキュリティ化: 単一光子発生器
次世代のクリーンテック開発へ
ご清聴、ありがとうございました。