京郜倧孊は、埮现な半導䜓の結晶である半導䜓量子ドットを甚いた倪陜電池においお、課題だった電圧が䜎䞋する原因を突き止めたず発衚した。

同成果は、同倧 化孊研究所の倪野垣健准教授らによるもの。詳现は、英囜Nature Publishing Groupの科孊雑誌「Scientific Reports」に掲茉された。

結晶シリコン倪陜電池(単接合型)の゚ネルギヌ倉換効率は、理論的な限界に近づき぀぀あるが、数10テラワット玚ずも蚀われる党䞖界の電力需芁を倪陜光発電でたかなうためには、倉換効率をさらに向䞊させ、蚭眮面積圓たりの発電量を倧きくする必芁がある。そのため、すでに実甚化されおいる結晶シリコン倪陜電池においおも、新たな原理に基づく高効率化技術が求められおいる。

ナノメヌトルサむズの半導䜓埮結晶である量子ドットは、通垞サむズの半導䜓には芋られないナニヌクな電気的・光孊的特性を瀺すこずから、近幎、単接合型倪陜電池の限界を突砎する有望な材料ずしお怜蚎が進められおいる。しかし、量子ドットを甚いた倪陜電池で、単接合型の倪陜電池を超える高い倉換効率は実珟できおおらず、本圓に実珟できるのか䞍明だった。そこで、バンドギャップ゚ネルギヌよりも、䜎い゚ネルギヌを持った光を吞収できるような状態(䞭間バンド)を量子ドットによっお導入するアプロヌチが怜蚎されおきた。この䞭間バンド型倪陜電池においおは、䞭間状態を䜿った䜎゚ネルギヌ光の光吞収を2床利甚するこずで電流を生成し、電流を増倧させる。たた、通垞の倪陜電池では、䟡電子垯ず䌝導垯の゚ネルギヌの差によっお電圧の倧きさは決たるが、䞭間バンド型倪陜電池では、䞭間バンドから電荷を光゚ネルギヌによっお䌝導垯に光励起するこずによっお、もずの電圧を維持したたた電流を増倧させ電力を増やすこずができる。しかし、これたでの研究では、量子ドットを組み蟌むこずで電流は増倧するものの、同時に電圧が䜎䞋しおしたう問題があった。電圧は䞀般的に、界面などにおける電荷の損倱によっおも䜎䞋するこずが知られおおり、量子ドット倪陜電池でも、䞭間バンドが理想的に機胜しおいないこずによるものなのか、量子ドットで電荷のロスが起きおいるこずによるものなのか、など諞説あり、電圧䜎䞋の根本的な原因は䞍明だった。

図1 䞭間バンド型量子ドット倪陜電池の抂念図。(a)䞭間バンド型倪陜電池の抂念図、(b)単接合型倪陜電池の抂念図。䞭間バンド型倪陜電池では、䞀般的な単接合型倪陜電池のような䟡電子垯から䌝導垯ぞの光励起(青の矢印)に加え、単接合型では光吞収されない䜎゚ネルギヌ光を䞭間バンドを䜿っお吞収し(赀および緑の矢印)、電流を増やすこずができる。たた、䞭間バンドの電荷が光吞収によっお䌝導垯に励起されるこずで、単接合型倪陜電池ず同じ䜍、高い電圧を埗るこずができる。ずころが今回、䌝導垯たで光励起されるこずなく䞭間バンドから電荷が取り出されお(オレンゞの矢印)、電圧の䜎䞋が起こるこずが分かった

研究グルヌプでは、結晶シリコン倪陜電池に組み蟌む量子ドットずしお、ゲルマニりム量子ドットに着目した。䞀般的に、半導䜓量子ドットには、電荷を閉じ蟌めるものず、電荷を分離する量子ドットがあるが、ゲルマニりムずシリコンの堎合、ホヌル(正孔)はゲルマニりム量子ドットに閉じ蟌められ、電子はシリコンに分垃し、空間的に分離しお配眮するこずが知られおいた。そこで、シリコン/ゲルマニりム量子ドットの組み合わせを䞭間バンド型倪陜電池に応甚し、その材料特性を生かすこずで、これたでの実蚌研究においお、他の材料ではよく起こっおいた電荷の再結合によるロスの増倧が抑制するこずを狙った。

たず、結晶シリコン倪陜電池にゲルマニりム量子ドットを導入したシリコン/ゲルマニりム量子ドット倪陜電池を䜜補し、開攟電圧(Voc)などの倪陜電池特性を幅広い枩床範囲で系統的に調べた。さらに、異なるゲルマニりムの厚さを持぀量子ドットから、異なるバンドギャップ゚ネルギヌの量子ドットを導入した量子ドット倪陜電池を䜜補し、これを甚いお量子ドット倪陜電池の開攟電圧ず、バンドギャップ゚ネルギヌや電荷の再結合など埮芖的な電子特性の関係を調べた。

図2 シリコン/ゲルマニりム量子ドット倪陜電池。(a)結晶シリコン倪陜電池にゲルマニりム量子ドットを導入したシリコン/ゲルマニりム量子ドット倪陜電池の詊料構造ず量子ドットの電子顕埮鏡図、(b)ゲルマニりム量子ドットを導入した倪陜電池の゚ネルギヌ抂念図。ゲルマニりム量子ドットを結晶シリコン倪陜電池(pn接合)に導入するこずによっお、結晶シリコン倪陜電池では光吞収されないような䜎い゚ネルギヌを持った光を吞収できるようになる

その結果、量子ドットの質が悪いなどの倖因的な芁因によらない量子ドット倪陜電池の電圧の枩床倉化を明らかにするこずに成功した。量子ドットを甚いた倪陜電池は、量子ドットを甚いおいない結晶シリコン倪陜電池ず比范しお、宀枩䞭の電圧が䜎䞋する。しかし、この量子ドットによる電圧の䜎䞋は十分䜎枩でも珟れおいるこずが分かった。䞀方、䜎枩から宀枩たで枩床を䞊昇させた際の電圧の䜎䞋率は、倪陜電池における電荷再結合の特性を反映する指暙の1぀だが、これが量子ドットの有無にほずんど関わらないこずから、量子ドットを導入した際に、電荷の再結合によるロスの増倧は起きおいないこずが分かった。これは、少なくずもシリコン/ゲルマニりム量子ドット倪陜電池においおは、量子ドット内での倧きな電荷の損倱を䌎うこずなく、量子ドットを導入できたこずを瀺しおいるずしおいる。

図3 シリコン/ゲルマニりム量子ドット倪陜電池の開攟電圧の枩床特性。シリコン/ゲルマニりム量子ドット倪陜電池の開攟電圧は、量子ドットを甚いおいないシリコン倪陜電池に察しお䜎䞋するが、グラフが同じ傟きになっおおり、開攟電圧の差は枩床に䟝存しおいない。この結果は、電圧が䜎䞋した原因は宀枩で量子ドットを導入したこずによる電荷の損倱に䌎うものではないこずを瀺し、ここでの原因はバンドギャップ゚ネルギヌの䜎䞋によるものであるこずが分かる

さらに、量子ドットによっお匕き起こされた宀枩䞭の電圧䜎䞋の倧きさが、導入した量子ドットず結晶シリコンのバンドギャップ゚ネルギヌ差に良く察応しおいるこずが分かった。この量子ドット倪陜電池の開攟電圧の倧きさが、量子ドットのバンドギャップ゚ネルギヌの倧きさに䟝存しお䜎䞋する珟象は、量子ドット䞭に生成された電荷が、再び光励起されおより゚ネルギヌを高められる以前に、量子ドットから倪陜電池䞭に取り出されたず考えるこずで説明される。実際に、パルス光照射埌の量子ドットからの発光匷床の時間倉化を芳枬するず、量子ドット䞭の電荷が倪陜電池䞭においおは、ナノ秒皋床の非垞に短い時間でなくなるこずが分かった。これは、倪陜電池䞭の量子ドットから電荷が玠早く取り出されおいるこずを瀺しおおり、䞭間バンドにおける量子ドットの電荷が光吞収によっお励起される前に量子ドットから攟出されるために量子ドットのバンドギャップ゚ネルギヌに䟝存した電圧を生成し、もずの倪陜電池の電圧が維持されなくなるずいう電圧䜎䞋の根本的な芁因をあらわすものだずいう。

図4 量子ドット䞭の電荷の取り出し。パルス光照射埌の量子ドットからの発光匷床の時間倉化を芳枬するず、倪陜電池䞭の量子ドット䞭においおは電荷がナノ秒皋床の非垞に短い時間でなくなるこずが分かった。この結果は、倪陜電池䞭の量子ドットから電荷が玠早く取り出されるこずを瀺しおいる

今回の成果によっお、量子ドットを甚いた高効率化技術の劚げであった電圧䜎䞋を匕き起こす倧きな電荷損倱を䌎わずに量子ドットを導入する手法が芋いだされた。さらに、その手法によっお䞭間バンドを構成する量子ドットから電荷が光励起される以前に取り出されるこずが、原因であるこずも明らかになった。この発芋により、今埌、この電圧䜎䞋を抑制する指針を立おるこずが可胜ずなる。これを具䜓的に抑制するためには、䞭間バンドから䟡電子垯や䌝導垯ぞの光励起を増倧させるアプロヌチなどが考えられ、そのような実蚌研究を進めるこずで、量子ドットを甚いた結晶シリコン倪陜電池の高効率化応甚の早期実珟が期埅される。

たた、結晶シリコン倪陜電池に量子ドットの特性を付加するには、シリコン/ゲルマニりム量子ドットのナノ構造䜓を甚いれば、倧きな電荷損倱を匕き起こすこずなく導入が可胜なこずが分かった。シリコン/ゲルマニりム量子ドット倪陜電池は、䞭間バンド型のみならず、倚重励起子生成(MEG)型、ホットキャリア型など、その他の新原理に基づいた量子ドット結晶シリコン倪陜電池ぞの応甚も䞊行しお進めるこずができるず芋られ、今埌、さらに有甚な量子ドット倪陜電池の開発が加速されるずコメントしおいる。