JP5500540B2 - 量子ドット太陽電池 - Google Patents
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Description
太陽電池の高効率化技術として、従来から多接合タンデム構造が開発されてきた。現在のところ、III−V族化合物半導体を用いたInGaP/InGaAs/Geの3接合セルが実用化されている。現在の太陽電池のエネルギー変換効率の世界最高記録は、非集光で30%程度であり、集光した場合でも40%程度である。また世界の生産量(2007年)は宇宙用として約1MW/年、地上用では100〜200KW/年(500倍集光で50〜100MW/年) に達しており、集光型セルは今後も2〜3倍の伸びが予想されている。しかし、変換効率を50%以上に近づけるためには、4接合、さらには5接合や6接合のタンデム構造の研究開発が必要であり、最適な化合物材料や各セル間を電気的につなげるトンネル接合材料(インターコネクト材料)の課題に加えて、作製コストの増大が指摘されている。
一方で、近年、結晶型太陽電池(第1世代)、薄膜型太陽電池(第2世代)に続いて、半導体量子ドットや超格子を利用した第3世代の太陽電池が世界的に注目されている。
これらを達成することにより60%を越える理論効率を達成することが期待されている。すなわち、従来のpn接合構造に1つの中間バンドを導入した量子ドット太陽電池が実現できると、変換効率の理論値は最高60%(最大集光時)を上回り、現在の単結晶Si太陽電池の2〜3倍の効率が達成できることになる。
College London (英国)が量子井戸型タンデム太陽電池(2接合タンデム構造で効率29.7%)、またマドリード工科大(スペイン)、ニューサウスウェールズ大(オーストラリア)、デラウエア大、NASA、NREL(米国)等の研究機関では、量子ナノ構造を導入した中間バンド型太陽電池(集光時の理論効率60%)が研究されている。
その他、ホットキャリア太陽電池、MEG型太陽電池、希土類元素や有機材料を用いたup-converter, down-converter太陽電池など、従来の原理・構造にはない全く新しい次世代型の超高効率太陽電池の研究開発が重要視されている。
特に、欧州のFULLSPECTRUMプロジェクト、ニューサウスウェールズ大のThird Generation Photovoltaic Research Centre、そして、NRELでは、理論グループ、物性グループ、そして結晶成長・プロセスグループが連携した研究体制をとって、多接合・量子ナノ構造マルチバンド太陽電池の研究開発を進めている。
さらに最近では、量子ドット超格子ではなく、新しい薄膜材料で中間バンド型太陽電池を実現する研究がLawrence Berkeley National Laboratory(米国)やマドリード工科大で報告されている。
また、量子ドット層の前段に集光レンズ等を設置して集光させて太陽光を十分に吸収させるという集光方式がある。しかし、かかる集光方式では、装置になった場合の設置面積が大きくなるといった不都合がある。
かかる状況に鑑みて、本発明は、上述した量子ドット太陽電池において、太陽光の強度を強める構造を用いて、量子ドットによる大幅なエネルギー変換効率の向上を図ることが可能な量子ドット太陽電池を提供することを目的とする。
量子ドットを含む活性層を反射素子で挟んだ光キャビティ構造は、光と活性層の電子系を強く相互作用させ、10層以下の少ない量子ドット層数でも十分に量子ドット特有の中間バンド効果やマルチエキシトン生成(MEG)等の非線形光学過程を顕在化できる可能性が大きい。すなわち、量子ドット太陽電池において、太陽光の強度を強め、量子ドットによる大幅なエネルギー変換効率の向上を図ることができる。
ここで、反射素子は、例えば、半導体を積層したブラッグ反射ミラーを用いることができるが、これに限定されるものではない。
ここで、フォトニック結晶は、一次元フォトニック結晶である。
キャビティQ値を所定値以上に設定することによって、相互作用に必要なエネルギーバンド幅を制御することができる。すなわち、キャビティQ値を所定値以上に設定することによって、共鳴バンド幅を自在に制御できるのである。
量子ドットのサイズを制御して、光吸収波長と光吸収波長帯域をチューニングすることが可能である。すなわち、量子ドットのサイズを制御することで、光吸収波長と光吸収波長帯域を制御し、太陽光スペクトルの利用を最適化することが可能である。仮に、量子ドットのサイズの不均一さが10%程度とすると、この10%程度のサイズ不均一を有する量子ドットすべてが、太陽光に共鳴するためにはQ値=100程度の弱結合状態を実現する必要があると想定している。
このような方法を使うと、最適な設計によりキャビティ内で、例えば1.2μm近傍の中間バンド吸収波長帯の太陽光強度を5倍程度に強めることが可能である。また、量子ドットのサイズ均一性の向上とともに大きなQ値を選択できるので、より強い光と量子ドットの相互作用を生み出すことができる。
これを利用して、Q値を100以上に高く設定し、狭い共振エネルギー幅を有する場合でも量子ドット全体で太陽光を吸収させることが可能である。例えば、Q値を500以上に設定した場合は、太陽光強度は光キャビティ効果で20倍程度増幅される。集光による太陽光強度の増大を考慮すれば、量子ドットに吸収される太陽光強度は光キャビィティー増幅率と集光増幅率の積で増幅される。集光レンズ、あるいはミラーで100倍に集光した太陽光をQ値500に設定した量子ドット太陽電池に入射すれば、光キャビティを持たない非集光の太陽電池に比べて2000倍の太陽光を量子ドットが効率よく吸収する。かかる方法により、量子ドット特有の中間バンド効果やマルチエキシトン生成(MEG)等の非線形光学効果を飛躍的に向上させ、太陽電池特性として十分引き出すことが可能である。
pn接合の間に複数の量子ドット層41を積層させた構造を有する量子ドット太陽電池は、量子ドット層41の間に入る中間層42が充分厚い場合、エネルギーバンド構造は図2(a)のようになる。この場合、太陽光により励起された電子は、更なる光励起あるいは熱励起によって量子ドットの井戸から抜け出し、電流として取り出すことができる。一方、中間層の厚さが数nm程度まで薄い場合、量子ドット間に中間バンドが形成されて、電子や正孔は少ないエネルギー損失で移動することが可能となる。
なお、量子ドット層は、一次元の量子井戸、二次元の量子細線、三次元の量子ドットのいずれでも構成可能である。
なお、図4では、光学強度を図示する曲線と共に、光キャビティ構造の量子ドット太陽電池の構成を示している。
ここで、共鳴吸収が生じる波長は、光キャビティのQ値を所定値以上に設定することにより、図5の矢印に示すように波長シフト制御が可能である。すなわち、光キャビティのQ値を所定値以上に設定することにより、共鳴バンド幅を自在に制御できるのである。
図7から、量子ドット(QD)のPL(光によって励起するフォトルミネッセンス特性)のピーク付近に、光キャビティの共鳴が生じることが確認できる。
また、GaAs/AlAsブラッグミラー周期数を12に設定し、光キャビティのQ値を500程度に設定した場合には、電界強度増強E2は20倍となる。集光レンズ等を用いた集光するタイプの太陽電池の場合、集光レンズから光キャビティまでの入射角度が異なることを活用して、大きなQ値で光と量子ドットを強く結合させた状態でもサイズ分布によりエネルギー拡がりをもった量子ドットに有効に太陽光を活性層に導くことができることになる。これにより、例えば100倍に集光した太陽光を1.2μm近傍の中間バンド吸収波長帯の太陽光強度を2000倍程度に増幅できることが可能である。
2 ブラッグ反射ミラー層(p型半導体層)
3 ブラッグ反射ミラー層(n型半導体層)
4 活性層
41 量子ドット層
42 中間層
5 半導体基板
6 上部グリッド電極
7 裏面電極
10 光学強度を図示する曲線
20 集光型量子ドット太陽電池
21 集光レンズ
Claims (7)
- 量子ドットを含む活性層を反射素子で挟んだ光キャビティを有する量子ドット太陽電池であって、
前記光キャビティが、前記量子ドット間に形成された中間バンドの吸収波長光を共振増幅し得ることを特徴とする量子ドット太陽電池。 - 前記光キャビティは、一次元フォトニック結晶内に量子ドットを形成させたものであることを特徴とする請求項1に記載の量子ドット太陽電池。
- 前記光キャビティは、縦型一次元キャビティ構造を成すことを特徴とする請求項1又は2に記載の量子ドット太陽電池。
- 請求項1〜3の何れかに記載の量子ドット太陽電池の制御方法であって、
前記量子ドット太陽電池における前記光キャビティのQ値(振幅増大係数)が所定値以上に設定されるように光キャビティを設計することにより、前記活性層の前記中間バンドの吸収波長帯域(吸収エネルギーバンド幅)を制御し得ることを特徴とする量子ドット太陽電池の制御方法。 - 前記Q値を100以上に設定し、不均一サイズの量子ドット全体の吸収エネルギーを増大させることを特徴とする請求項4に記載の量子ドット太陽電池の制御方法。
- 前記Q値を100以上に設定し、前記光キャビティに入射する太陽光の入射角度の変化に伴う共鳴波長のシフト領域全体でエネルギー吸収が行えるものとし、量子ドット全体の吸収エネルギーを増幅させることを特徴とする請求項4に記載の量子ドット太陽電池の制御方法。
- 前記量子ドット太陽電池を集光型の構成とし、前記Q値を100以上に設定し、前記光キャビティに入射する太陽光の入射角度の変化に伴う共鳴波長のシフト領域全体でエネルギー吸収が行えるものとし、量子ドット全体の吸収エネルギーを光キャビィティー増幅率と集光増幅率の積に増幅させることを特徴とする請求項4に記載の量子ドット太陽電池の制御方法。
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