InGaNの多重中間準位を活用した太陽電池の高効率化の原理を実証

太陽光の全波長を活用する高効率太陽電池への道

2013.12.06

独立行政法人物質・材料研究機構
独立行政法人科学技術振興機構

NIMS国際ナノアーキテクトニクス研究拠点ICYS-MANA研究員のサンリウエン博士およびNIMSワイドギャップ機能材料グループの角谷正友主幹研究員らは、III-V族窒化物半導体に多重の中間準位 (バンド) を形成することで、太陽光の高効率吸収に利用することに成功しました。

概要

独立行政法人物質・材料研究機構 (理事長 : 潮田資勝) 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点 (拠点長 : 青野正和) ICYS-MANA研究員のサンリウエン博士 (独立行政法人科学技術振興機構 (理事長 : 中村道治) さきがけ研究者) および独立行政法人物質・材料研究機構ワイドギャップ機能材料グループの角谷正友主幹研究員らは、III-V族窒化物半導体に多重の中間準位 (バンド) を形成することで、太陽光の高効率吸収に利用することに成功しました。これは、従来は活用が難しかった太陽光の幅広い波長成分の利用を可能にするものであり、太陽電池の効率向上に大きく寄与することが期待されます。
太陽電池は、その電気エネルギーへの変換効率の向上が求められています。この変換効率を高めるためには、材料の品質や太陽電池構造を改善して電気エネルギーへ変換する効率を上げる方法と、太陽光の特定の範囲の光だけでなく、広い波長範囲の光を利用する方法の二つのアプローチがあります。化合物半導体型の太陽電池では、利用できる太陽光の波長範囲が用いる半導体材料の元素種や結晶構造に特有のバンドギャップで決まるため、特定の波長範囲の光しか利用できないという欠点があります。そのため、バンドギャップの大きさが異なる複数の半導体材料を積層したタンデム構造や量子ドット構造を埋め込んでより波長の長い太陽光成分も利用する量子ドット太陽電池等が研究されています。しかし、これまでの構造では格子形状の違いや使用できる半導体材料の制限によって変換効率の大きな向上が困難な状況でした。
そこで、本研究グループでは、白色・青色発光デバイス (LED) 材料である窒化ガリウム (GaN、バンドギャップ : 3.4eV) と窒化インジウム (InN、バンドギャップ : 0.65eV)が同様の構造を持っていること、及びその波長範囲が太陽光の全波長範囲を含んでいることに着目しました。In組成を制御した窒化ガリウムインジウム (In_xGa_1-xN) 混晶を中心として、中間バンドを形成できれば、バンドギャップエネルギーに相当する光のみならず、それよりも長波長側、すなわち、太陽光の主要な構成波長である緑や黄色などの可視光を利用して変換効率を向上することができないかと考えていました。
本研究グループでは有機金属化学堆積法(MOCVD法)を用い、n型InGaN層上に発電機能を発揮する領域としてInGaN/GaN量子井戸構造の30層からなり、In組成を変化させたInGaN量子ドットを各量子井戸に埋め込んだ構造の中間バンド太陽電池を作製しました。この太陽電池の外部量子効率6)を測定したところ、2.40, 2.29, 及び 1.97 eVの複数の中間バンド準位が形成され、その結果、本来のInGaNでは利用できなかった450nm から750nmの光が吸収され、電気エネルギーに変換されていることを確認いたしました。
今回の成果は短波長の太陽光成分しか活用できないInGaN型の化合物半導体材料を用いる場合でも、複雑な構造となるタンデム構造を形成することなく広い波長範囲の太陽光成分を利用できることを意味し、その結果として変換効率が大きく向上できる可能性を示しており、太陽電池の効率向上に大きく寄与することが期待されます。
本研究は独立行政法人科学技術振興機構戦略的創造研究推進事業・個人型研究 (さきがけ) : 「エネルギー高効率利用と相界面」研究領域 (研究総括 : 笠木伸英) における研究課題「高効率光電変換デバイスの実現に向けたIII族窒化物のマルチバンドエンジニアリング」 (研究者 : サンリウエン) の一環として行われ、Advanced Materialsオンラインに掲載予定です。

プレス資料中の図1 (左) MOCVDによるInGaN多重準位中間バンド太陽電池の構造 (右) InGaN多重準位中間バンド太陽電池のバンドダイアグラム概略図。2.40, 2.29, 及び1.97 eVの中間準位を持つ中間バンドが形成されている。