II-V族化合物太陽電池の高効率光無線給電への応用

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(1)III-V族化合物太陽電池の高効率光無線給電への応用田中文明1，定免良太1，池田充貴1，桐生倖成1，寺本英央1，代盼2，૖‫ऻڪ‬2，内田史朗1 千葉工業大学（〒275-0016 千葉県習志野市津田沼2-17-1）蘇州ナノテクバイオニクス研究所（215123 江ಧ省ಧ州市ಧ州工‫ࡪ׭‬区若水路398号） 1. 2. Application of III-V Compound Semiconductor Solar Cell for +LJK(IÀFLHQF\2SWLFDO:LUHOHVV3RZHU7UDQVPLVVLRQ Fumiaki TANAKA,1 Ryota JOMEN,1 Mitsutaka IKEDA,1 Kousei KIRYU1, Hideo TERAMOTO,1 Pan DAI,2 Shulong LU,2 and Shiro UCHIDA1 1. 2. Chiba Institute of Technology, 2-17-1 Tsudanuma, Narashino, Chiba 275-0016 Suzhou Institute of Nano-tech and Nano-bionics, Chinese Academy of Sciences, Suzhou, Jiangsu, 215123, P. R. China. （Received August 8, 2018） The power conversion efficiencies of such single-junction III-V solar cells as GaAs and GaInP for wireless power transmission were investigated by changing the wavelength and the incident power of a laser diode. The GaAs solar cell exhibited the highest conversion efficiency of 52.7% at a laser ZDYHOHQJWKRIQPDQGWKH*D,Q3VRODUFHOOH[KLELWHGWKHKLJKHVWFRQYHUVLRQHIÀFLHQF\RIDW a laser wavelength of 520 nm. For each solar cell, the conversion efficiency peaked at an optimal LQFLGHQWODVHUZDYHOHQJWK:HIRXQGWKDWWKHFRQYHUVLRQHIÀFLHQF\VWURQJO\GHSHQGVRQWKHH[WHUQDO TXDQWXPHIÀFLHQF\RIHDFKVRODUFHOO Key Words: Laser, Solar cell, Wireless power transmission. 1．はじめに情報通信分野で急速に無線化が発展しその利便性が社会の一般的なニーズとなり，電力供給の無線化にも大きな期待が寄せられている．現状，電気自動車，ドローン，スマートフォン，壁掛けテレビ，監視カメラなどの電力供給には電気配線が使用されているが，その配線に伴う様々な不便性（配線工事，ACアダプターの持ち運び，など）が課題となっている．通信の無線化を契機に，将来，これらの電力供給へもワイヤレス化が期待されている．既に一部の電気機器に電磁誘導方式の無線給電が実用化されているが，電磁波の漏洩，伝送距離が短いなどと課題も多く，光による無線給電の研究が注目されている．その中でも，レーザー光と太陽電池を組み合わせる事で，通常の太陽電池に太陽光を照射する場合よりも高い変換効率が期待できる事が知られている．光給電の研究は主に応用研究に重点が置かれ，既に古河電工が光電変換効率30%，伝送距離10 kmの光ファイバ送電を実用化している．最近では，電気通信大から無線基地局での駆動を目的とした光ファイバ給電技術が. 報告されている1）．また，光無線給電としての研究はこれまでいくつかの報告があり2 18），日本ではJAXAが宇宙太陽光発電の基礎として，波長1.06 Rmで350 Wのレーザー光を200 mのタワーから地上に伝送し75 Wの出力電力を報告している2）．国外では太陽電池の光電変換効率改善に重点が置かれ，2013年に英国Surrey大学がInGaAsPセル構造に光反射鏡を採用し25 mWの1.55 Rmレーザーで変換効率 44.6%3）を，2016年にカナダのオタワ大学が伝送距離は 1 mm以下と短いが12層GaAs接合セルに841 nmレーザーで効率66.5%4）を報告している．著者らはこれらのレーザー光による光電変換効率を改善する事を目的として，応用面での広がりを期待し，様々な波長帯での基礎的な実験を行ってきた．具体的には，吸収波長端エネルギー（バンドギャップエネルギー：Eg）の異なる材料（GaInP = 1.9 eV，GaAs = 1.4 eV， InGaAsP = 1.1 eV，InGaAs = 0.7 eV）で構成された太陽電池を準備し，各材料の吸収波長に合わせた単色光（レーザー光）照射による光電変換効率の測定を行ってきた17,18）．. KWWSVZZZIXUXNDZDFRMSÀWHOV\VWHPSURGXFWVXQLWKWP. 698. レーザー研究 2018 年 12 月.

(2) Special Issue. 本論文では，これらの結果をレビューし，さらに得られた実測値と理論値との違い，その原因，及び効率改善の方向性についてGaAs太陽電池とGaInP太陽電池を中心に解説する．. 準備したGaAs太陽電池素子の大きさは5 mm四方，受光面積は約0.216 cm2であり，素子をAlNサブマウントにダイボンドしたものを使用した．また，InGaP太陽電池はシャープ（株）よりお借りした素子で大きさ約2 cm四方のものを使用した．. 2．レーザー光給電の原理と実験方法 3．実験結果と考察 2.1 レーザー光給電の原理 Fig. 1 に太陽電池に太陽光を照射した場合とレーザー光を照射した場合での光電変換効率への影響を原理的に示した．図中の○は正孔を，●は電子を示している．光・電気変換素子であるSi太陽電池の理論変換効率は約29%と報告されている．例えば，波長の短い光はエネルギーが大きく電子を高いエネルギーレベルまで励起するが，太陽電池内の電子の取り得るエネルギー準位まで緩和する為，余分なエネルギーは熱になる．逆に波長の長い光はエネルギーが小さい為に電子を励起できずに通過してしまう．一方，レーザー光を照射した場合，受光素子のバンドギャップとレーザー光エネルギーとを一致させると高い変換効率が期待できる． 2.2 実験方法光ディスクや通信に使用されている半導体レーザーはフォトダイオード（PD）が内蔵されている事が多くAuto Power Control（APC）が可能だが，電力伝送に必要な高出力レーザーの場合はPDが内蔵されていない場合が多いので，Auto Current Control（ACC）によって出力パワーを一定にした．その際，出力変動を最小限に抑える為に半導体レーザーがマウントされたヒートシンクの温度をペルチエ素子によって一定（Ý&）になるように制御した．出射されたレーザービームはコリメートレンズで直線状或は楕円形状の平行光とし，さらにアナモルフィックプリズムによって長方形状或は円形状に整形される．受光素子である太陽電池は水冷式の銅のヒートシンク上にマウントされ温度をÝ&に保つようにした．変換効率は太陽電池からの最大出力Pmax （= Imax × Vmax）を，太陽電池の直前に置いたパワーメーターで測定したレーザー光強度Poで割ることにより算出した．. 3.1 変換効率の太陽電池材料のEg依存性理論的にレーザー光照射下での太陽電池の変換効率は次式で表わされる19） Eff = I max Vmax / PO = J SC S VOC FF / (N E ). ここで，S，JSC，VOC，FF，NQ ，EQ ，Neはそれぞれ太陽電池の面積，短絡電流密度，開放電圧，曲線因子，波長Q を持つフォトン数，そのフォトンのエネルギー，電流に寄与する電子数を表している．Ne/NQ はフォトンが電子に変換される確率すなわち外部量子効率（External 4XDQWXP(IÀFLHQF\(4(）に相当する電流効率を表し， VOC（E / Q /e）は入射レーザー光エネルギーが，励起された伝導電子の持つ電位に変換される効率を示した電圧効率 M vに相当する．太陽電池では，バンドギャップエネルギーが大きな材料の方が高いVOCが得られるので，より高い変換効率が得られると考えられる．そこでこれまで著者らが測定してきた種々のバンドギャップエネルギーEgを有する材料（主に，エミッタ層とベース層の材料）での変換効率の結果17,18）をFig. 2 にまとめた． Fig. 2 より，Egの比較的小さい赤外領域のInGaAsPや InGaAs太陽電池の効率は，可視∼近赤外領域のInGaPや GaAs太陽電池の効率よりも明らかに低くなっている．しかしながら，InGaP太陽電池はEgがGaAs太陽電池よりも大きいにもかかわらず，実際に測定で得られた変換効率は低くなっている．この原因を解明する事はさらなる変換効率の改善の手掛かりになると考えられる．そこで，この2つの太陽電 . 7KHUPDOORVV. 9LVLEOH 1HDULQIUDUHG ,QIUDUHG. &RQGXFWLRQ EDQG 7UDQVPLVVLRQORVV 9DOHQFH EDQG. DWVXQ. *D$V. . (II

(3). 6RODUOLJKW. （1）. = (N e / N )(VOC / (E / e)) FF = (EQE)(v ) FF. ,Q*D3. . ,Q*D$V3. ,Q*D$V. . &RQGXFWLRQ EDQG. . . . . . . ,UUDGLDWHGODVHUZDYHOHQJWK QP

(4) 9DOHQFH EDQG. Fig. 1 Conceptual diagram of optical absorption of solar cell with solar light (upper) and laser light (lower).. Fig. 2 Conversion efficiencies of single-junction solar cells of InGaP, GaAs, InGaAsP, and InGaAs for laser wireless power transmission according to the irradiated laser wavelength.. 第 46 巻第 12 号 III-V族化合物太陽電池の高効率光無線給電への応用. 699. &ŝŐ͘Ϯ. (II

(5). /DVHUOLJKW. . . .

(6) 池についての測定結果をより詳細に考察する． 3.2 GaAs太陽電池 Fig. 3 にGaAs太陽電池に数種類の半導体レーザー光を20 mW （約100 mW/cm2 = 1-Sun）の強度で照射し，得られた変換効率の結果をまとめた17,18）．また，STR-Japan 社の太陽電池特性シミュレーションソフト（PVcell）を用いて，単色光を入射した場合の変換効率を計算し，その結果も併せてプロットした．この計算ソフトは， Fig. 4 に示すような太陽電池の構造（各層の厚さ，ドーピング濃度）と入射光のスペクトルをINPUTする事で，ソフト側で準備された半導体材料の寿命や光吸収係数を用いて，その光電子変換効率の計算が可能である．図中のすべての点を計算するのは膨大な時間を要するので◆ 印のみの計算結果を載せる．変換効率はFig. 3 では最大で50.6%が得られ，さらにレーザー強度を85.8 mW （約400 mW/cm2 = 4-Suns）に高めた場合に最大で52.7%が得られた17,18）． Fig. 3 に示されたように変換効率の入射レーザーの波長依存性は，実験値と計算値の傾向がほぼ一致している．波長が短くなればなるほど，入射レーザーのフォトンエネルギーが大きくなる為（1）式の電圧効率M vが低下. (J. . &DOFXODWLRQ. ぼ一致しているので，その絶対値差が何に起因しているかを考察する事が今後変換効率を改善していく上で重要と考えられる．この差を生んでいるのは，太陽電池の特性に分解するとVOCとFFであり，VOCで約0.05 Vの差とFFで約3%の差があった．VOCは一般的に，ベース層の濃度，P側電極への電子の拡散を防ぐInGaP層（BSF層：Back Surface Field）の濃度や膜厚に大きく依存する．しかしながら，同一エピウエーハから作製した太陽電池の中には，理論値に近いものもあったので，むしろ電極作製時や個片化に伴う表面再結合に起因しているものと推察している．FFは一般的に素子の直列抵抗に大きく左右されるが，レーザー給電の場合はむしろ，レーザー照射領域と太陽電池の配線電極とのバランスに左右される傾向にあるので，今後改善の余地があると考えている．. (J. . ([SHULPHQW . . . . DWVXQ . . . :DYHOHQJWK QP

(7). )LJ9DULDWLRQVLQFRQYHUVLRQHIÀFLHQFLHVRID*D$VVRlar cell with incident laser wavelength at 1 sun. Symbols with solid line are calculated and symbols with dot line are measured.. &ŝŐ͘ϯ. $QWLUHIOHFWLRQFRDWLQJ Q*D$VFRQWDFW. 3.3 InGaP太陽電池&DOFXODWLRQ Fig. 6 に2 cm四方のInGaP太陽電池に数種類の半導体レーザー光を20 mW （約5 mW/cm2 = 0.05-Sun）の強度で照射して得られた変換効率を同様に計算結果と共にまとめた17）．InGaPバンドギャップ波長653 nmに近い，634 nm ([SHULPHQW DWVXQ や638 nmでのレーザー入射では，理論計算予想をはる (II

(8). (II

(9). . し，変換効率は低下する．しかしながら，入射レーザー光の波長が長くなり太陽電池のバンドギャップ波長に近づくにつれて光吸収係数が低下する為（1）式の電流効率 EQEが低下し，やはり変換効率は低下する．従って，変換効率を最大にする最適な入射レーザー波長が存在する事になる．Fig. 5 にこのGaAs太陽電池の EQE特性を示す17,18）．GaAs太陽電池は，バンドギャップ波長（873 nm）近傍でも高いEQE特性を有しているので，入射レーザーの波長が830 nmのあたりで変換効率が最大値を持つと推察される．理論値と実験値は入射レーザー波長依存性の傾向がほ. かに下回る結果となった．一方で，短波長領域にあたる520 nmのグリーンレー :DYHOHQJWK QP

(10) ザーを入射した場合は，理論計算値に近い47.3%の変換効率が実測値として得られた．さらに，レーザー光強度を2倍の40 mW （約0.1-Sun）にした場合は，48.0%の変換効率が得られた17）．これらを詳細に考察する為に，同様 $QWLUHIOHFWLRQFRDWLQJ にInGaP太陽電池のEQEを測定した結果をFig. 7 に載せ Q*D$VFRQWDFW. ᵏ ᵎᵌᵖ. Q$O,Q3 ZLQGRZ. Q*D$VQPHPLWWHU. ᵎᵌᵔ. Q*D$VQPHPLWWHU. S*D$VQPEDVH. (4(. Q$O,Q3 ZLQGRZ. ᵎᵌᵒ. ᵏ. S*D$VQPEDVH. ᵎᵌᵖ. S*D,Q3 %6). ᵎ ᵐᵎᵎ. *D$VVXE Fig. 4 Schematic diagram of a GaAs solar cell.. &ŝŐ͘ϰ. 700. S*D,Q3 %6) ᵒᵎᵎ. ᵔᵎᵎ. (4(. ᵎᵌᵐ ᵖᵎᵎ. ᵏᵎᵎᵎ. :DYHOHQJWK QP

(11) *D$VVXE Fig. 5 EQE of a GaAs solar cell as a function of the incident wavelength of monochromatic light.. &ŝŐ͘ϱ. レーザー研究 2018 年 12 月. ᵎᵌᵔ ᵎᵌᵒ ᵎᵌᵐ. ᵎ ᵐᵎ.

(12) Special Issue. 池とを組み合わせて，光無線給電の基礎実験を行った．その結果，高効率化に優位性があるバンドギャップエネルギーの大きいInGaPでの変換効率は最大で47.8%， GaAs太陽電池は52.7%の変換効率が得られた．理論的には，InGaP太陽電池が60%に近い変換効率が期待でき，今後，外部量子効率等を改善する事で，さらに変換効率の向上が期待できると思われる．. ‷⁙. . &DOFXODWLRQ. . . ([SHULPHQW. . DWVXQ. . . . . . ,UUDGLDWHGODVHUZDYHOHQJWK QP

(13). Fig. 6 Variations in conversion efficiencies of an InGaP solar cell with incident laser wavelength at 0.05 sun. Symbols with solid line are calculated and circular symbols are measured.. &DOFXODWLRQ. . . 大学の荒木研究員，山口教授に感謝いたします．InGaP ([SHULPHQW 太陽電池を借用提供していただきましたSHARP （株）に感謝いたします． . DWVXQ. . &ŝŐ͘ϲ. . . . . . . :DYHOHQJWK QP

(14). Fig. 7 EQE of an InGaP solar cell as a function of the wavelength of monochromatic light. た．InGaPのEQEの値は予想に反して低く634 638 nmの範囲では，わずか0.5程度と非常に低い値であった．従って，この範囲での変換効率の低さは，このEQEの低さがその原因と推察される． InGaP太陽電池は，一般的に，GaAs太陽電池と比べて，バンド端近傍でのEQEが低い傾向にある．その理由は，3.1で述べたBSF層にあり，InGaPよりも高いバンドギャップを有しながら高濃度化できる材料がなかなか見つからないからである．従って，現時点では，バンドギャップエネルギーの高い InGaP太陽電池ではGaAs太陽電池の効率を越えることは簡単には出来ないが，EQE特性を改善する新しい手法や入射波長600 nm前後のレーザーを照射する事などで60%に近い変換効率を実現する見込みがあると推察する．. &ŝŐ͘ϳ. 4．まとめ光無線給電の高効率化を目的として，半導体レーザーと単接合型GaAs太陽電池，及び，単接合型InGaP太陽電. 参考文献 . . . . . 1）D. Kamiyama, A. Yoneyama, and M. Matsuura: IEEE Photon. ,UUDGLDWHGODVHUZDYHOHQJWK QP

(15) Technol. Lett. 30（2018）646. 2）H. Suzuki, H. Yoshida, K. Kisara, T. Nakamura, and M. Imaizumi: IEEE 40th Photovoltaic Specialist Conference （PVSC）（2014）p. 1834. 3）J. Mukherjee, S. Jarvis, M. Perren, and S. J. Sweeney: J. Phys. D: Appl. Phys. 46（2013）264006. 4）S. Fafard, M. C. A York, F. Proulx, C. E. Valdivia, M. M. Wilkins, R. Arès1, V. Aimez, K. Hinzer, and D. P. Masson: Appl. Phys. Lett. 108（2016）071101. 5）L. C. Olsen, D. A. Huber, G. Dunham, and F. W. Addis: Proc. 22nd IEEE VSC.（1991）p. 419. 6）M. A. Green, J. Zhao, A. Wang, and S. R. Wenham: IEEE Electron. Device Lett. 13（1992）317. 7）A. W. Bett, F. Dimroth, G. Stollwerck, and O. V. Sulima: Appl. Phys. A 69（1999）119. Oliva, F. Dimroth, and A. W. Bett: Prog. Photovoltaics. 16 8）E. （2008）289. 9）J. Schubert, E. Oliva, F. Dimroth, W. Guter, R. Loeckenhoff, and A. W. Bett: IEEE Trans. Electron Devices. 56（2009） 170. 10）D. P. Masson, F. Proulx, and S. Fafard: Prog. Photovoltaics. 23 :DYHOHQJWK QP

(16) （2015）1687. 11）V. M. Emelyanov, S. V. Sorokina, V. P. Khvostikov, and M. Z. Shvarts: Semiconductors. 50（2016）132. 12）J. W. Shi, F. M. Kuo, C. S. Yang, S. S. Lo, and C. L. Pan: IEEE Trans. Electron Devices. 58（2011）2049. 13）S. Jarvis, J. Mukherjee, M. Perren, and S. Sweeney: IET Optoelectron. 8（2014）64. 14）U. Ortabasi and H. W. Friedman: AIP Conf. Proc. 738（2004）p. 142. 15）D. Krut, R. Sudharsanan, W. Nishikawa, T. Isshiki, J. Ermer, and N. H. Karam: Proc. 29th IEEE Photovoltaic Specialists Conf. （2002）908. 16）R. Pena, C. Algora, and I. Anton: Proc. 3rd World Conf. Photovoltaic Energy Conversion. 1（2003）p. 228. 17）寺本英央，定免良太，田中文明，池田充貴，桐生倖成，松下幹弥，前中寛裕，代盼，૖‫ऻڪ‬，内田史朗：宇宙太陽発電 3（2018）8. 18）R. Jomen, F. Tanaka, T. Akiba, M. Ikeda, K. Kiryu, M. Matsushita, H. Maenaka, P. Dai, S. Lu, and S. Uchida: Jpn. J. Appl. Phys. 57 （2018）08RD12-1. 19）宮島晋介：微小光学研究会機関紙 35（2017）3.. (4(. (4(. . ‷⁙. 太陽電池のEQE測定にご協力いただきました豊田工業. . 謝辞. (II

(17). (II

(18). . 第 46 巻第 12 号 III-V族化合物太陽電池の高効率光無線給電への応用. 701.

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