Predominance of quantum well structure for solar cell application from a non-radiative electron transition loss point of view

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量子井戸や量子ドットをもつ半導体量子構造太陽電池が高い光電変換効率を持つものとして精力的に研究されている。本研究課題では両者のうちいずれが今後の研究対象として優位であるかについて非発光電子遷移の観点から議論しようとするものである。液滴エピタキシ法で作製した良質のGaAs/AlGaAs量子ドットについてはそのサイズに不均一性はあるもののかなり高い効率を持つものが作製できるようになった。特に、これまで問題となっていたバンド間遷移エネルギーの異常な温度依存性については、ドットのサイズのばらつきと同時にAlGaAs障壁層でのキャリアのやり取りを考慮した理論計算モデルで旨く説明する事ができた。一方の量子井戸構造をもつものについては、デバイスを作製するうえで極めて高い精度でのサイズの制御が可能であることから量子ドットに比べてその優位性が期待されている。我々が研究対象としているInGaAs/GaAsPは、構造上極めて高い効率を持つものとして研究してきたが、格子整合を図るために導入したGaAs歪み緩和層の役割を十分に理解することはできていなかった。そこで、本研究課題では、障壁層のP組成を変化させることで生じる光励起キャリアの輸送特性を、発光再結合、非発光再結合、トンネルによるキャリアの輸送、熱励起によるキャリアの輸送の四つのプロセスを含むレート方程式を立て実験結果を解析した。その結果、歪み緩和層の挿入で期待できる長距離に渡る平均歪みが局所歪みによって十分に緩和できなくなり、P（リン）のある組成での効率が最高になることを見いだした。さらに、中間構造と考えられる量子細線（ワイア）についても研究を行い、当初の目的を達成するための違う観点からの根拠とする。なお、これらの成果を、国内外の学会で公表し議論を深めることで量子構造太陽電池の開発に携わる研究者に指針を示すことが重要である。