半導体ナノ構造を用いたホットキャリア太陽電池に関する研究

本研究では、量子ナノ構造を用いたホットキャリア吸収層及びエネルギー選択性コンタクトの設計と作製、ホットキャリア太陽電池の実現に向けた材料評価、素子特性評価を行うことを目的とした。まずGaAs/AlGaAs多重量子井戸をホットキャリアの吸収層として用いることを検討した結果、量子閉じ込め構造によりキャリアの熱緩和時間の長寿命化が期待され、実際に作製した試料において、可視光レーザで励起した光キャリア温度が高倍集光下の条件で500K以上になることを実証した。次に、ホットキャリア素子の電流電圧特性における直列抵抗の効果をシミュレーションにより検討し、微分負性抵抗による電流ピークが直列抵抗の影響によりシフトする実験結果を説明できることを示した。このことはエネルギー選択性コンタクトによりホットキャリアを取り出す際の素子構造を最適化する際に重要なパラメータとなる。本来理想的なエネルギー選択性を有するコンタクトにはエネルギー準位が離散的な量子ドットを用いることが望ましく、この際に適切な物質の選択とバンド構造の設計が必要不可欠であるが、一方で、例えば量子井戸を用いた二重障壁共鳴トンネル構造等の比較的作製が容易な構造を用いて、微分負性抵抗による電流ピークを明瞭かつ室温で観測することができれば、エネルギー選択性コンタクトによりホットキャリアを取り出す際の素子構造を最適化する際に重要なパラメータとなる。そこで本研究では、対称型と非対称型のAlGaAs/GaAs二重障壁共鳴トンネル構造を検討した結果、非対称型構造の場合、300Kの常温でも微分負性抵抗による電流ピークを明瞭に観測され、また温度によるピークシフトがほぼない特性を示した。これによりホットキャリアの取り出しを効率良く行うための太陽電池構造の最適設計に活用することができる。

本研究では、量子ナノ構造を用いたホットキャリア吸収層及びエネルギー選択性コンタクトの設計と作製、ホットキャリア太陽電池の実現に向けた材料評価、素子特性評価を行うことを目的とした。まずGaAs/AlGaAs多重量子井戸をホットキャリアの吸収層として用いることを検討した結果、量子閉じ込め構造によりキャリアの熱緩和時間の長寿命化が期待され、実際に作製した試料において、可視光レーザで励起した光キャリア温度が高倍集光下の条件で500K以上になることを実証した。次に、ホットキャリア素子の電流電圧特性における直列抵抗の効果をシミュレーションにより検討し、微分負性抵抗による電流ピークが直列抵抗の影響によりシフトする実験結果を説明できることを示した。このことはエネルギー選択性コンタクトによりホットキャリアを取り出す際の素子構造を最適化する際に重要なパラメータとなる。本来理想的なエネルギー選択性を有するコンタクトにはエネルギー準位が離散的な量子ドットを用いることが望ましく、この際に適切な物質の選択とバンド構造の設計が必要不可欠であるが、一方で、例えば量子井戸を用いた二重障壁共鳴トンネル構造等の比較的作製が容易な構造を用いて、微分負性抵抗による電流ピークを明瞭かつ室温で観測することができれば、エネルギー選択性コンタクトによりホットキャリアを取り出す際の素子構造を最適化する際に重要なパラメータとなる。そこで本研究では、対称型と非対称型のAlGaAs/GaAs二重障壁共鳴トンネル構造を検討した結果、非対称型構造の場合、300Kの常温でも微分負性抵抗による電流ピークを明瞭に観測され、また温度によるピークシフトがほぼない特性を示した。これによりホットキャリアの取り出しを効率良く行うための太陽電池構造の最適設計に活用することができる。