A novel stacked structure of intermediate band cells for higher efficiency

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本研究で提案する中間バンドセルとシングルギャップセルのタンデム構造について、詳細平衡モデルによる変換効率の解析を行い、中間バンド(IB)-伝導帯(CB)間の光吸収率およびシャント抵抗の影響を調べた。通常の中間バンド型太陽電池では、最適なエネルギーギャップの組み合わせにおける1sun照射下での変換効率は約46%であるが、IB- CB間の光吸収率を減少させることで著しく減少し、光吸収率が0になるとCB-価電子帯(VB)間エネルギーに相当するシングルギャップセルの変換効率16%に一致した。一方、IBとのトンネル接合を介してVBを接続したシングルギャップセルとのタンデム構造では、IB- CB間の光吸収率の減少に対して変換効率の減少はなく、さらに、中間バンドセルのCB-IB間に1Ωcm^2の小さなシャント抵抗を導入しても、30%以上の変換効率を保つことがわかり、提案のセル構造の有効性が明らかになった。動作実証実験に向けては、トップセルとして用いる中間バンド材料として、希釈窒化物半導体混晶であるGaAsNおよびGaPNを検討した。試作セルに対し複数波長の光を照射し電流応答を観測した結果、いずれの材料においても微量窒素の添加により形成される中間バンドを介した2段階の光励起による電流生成が生じることを実験的に確認するとともに、レート方程式を基にしたキャリアダイナミクスの解析を行った。詳細な励起波長依存性を調べた結果、特にGaPNを吸収層とした場合、バンド端の低エネルギー側に形成されるテイル準位の存在が、2段階光励起電流の生成に重要な役割を果たすことが明らかになった。