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～ 解禁日時：平成２５年１２月６日１９時 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 概要 1．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1)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。 ２．太陽電池2)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3)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。 ３.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 （InxGa1-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。 ４. 本研究グループでは有機金属化学堆積法(MOCVD 法)4)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5)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。 ５、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。 ６. 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
研究の背景 太陽電池は持続可能な社会のために有望なエネルギー源の 1 つとして考えられています。太陽光エネルギ ーを吸収して電気エネルギーに変換できる波長の範囲は半導体材料のバンドギャップによって決まっている ため、その理論的な変換効率は用いる半導体材料と太陽光スペクトルの波長構成の組み合わせで決定されて しまいます。変換効率を向上させるためには太陽光のエネルギー（波長）を広い範囲で吸収する必要があり、 そのために InGaP、GaAs などの化合物半導体系材料でみられるようにバンドギャップの異なる材料からなる 太陽電池を直列につなげたタンデム型が提案され、研究されています。 しかしながら、タンデム型太陽電池には適切なバンドギャップを持つ材料を選定すること、及びその材料 を組み合わせ、積層するための複雑な製作技術に課題があります。また、別の方法として本来のバンドギャ ップの中間のバンドギャップを持つ準位（中間バンド）を形成し、本来のバンドギャップよりも長い波長範 囲の光も利用することが提案されています。しかし、その中間バンドは単一のレベルしか形成することがで きませんでした。そこで、本研究グループでは白色・青色発光デバイス（LED）材料にも使われている大き なバンドギャップ（3.4eV）を持つ GaN と小さなバンドギャップ（0.65eV)を持つ InN を組み合わせる混晶化
によって得られる InxGa1-xN 材料を用い、複数の中間バンドを形成できれば、太陽光スペクトルの全領域をカ
バーできる可能性があることに着目し、変換効率の大きな向上を実現できるのではないかと考えました。こ れまでに InGaN 系材料で中間バンドの形成を確認した報告はありません。
成果の内容
本研究グループでは有機金属化学堆積法（MOCVD 法）で n 型 InGaN 層上に発電機能を発揮する領域（i 層）として、InxGa1-xN 量子ドットが埋め込まれた InGaN/GaN 量子井戸構造を 30 層導入した、太陽電池を作 製しました（図 1a）。 この太陽電池の外部量子効率を測定したところ、本来の InGaN のバンドギャップエネルギーよりも低い （長波長）領域でも太陽光を吸収し、電気エネルギーに変換していることがわかりました。すなわち、本来 の InGaN 型の太陽電池では、約 400nm よりも短波長側の太陽光成分のみしか電気エネルギーに変換できなか ったのに対し、本研究による中間バンド型太陽電池では、450~750nm の波長範囲の光も含めた広い範囲の太 陽光成分（可視光）を吸収して電気エネルギー変換できることが示されました。（図２） これらのデータを理論計算も含めて解析した結果、我々が作製した太陽電池では、30 層の InGaN 量子ドッ ト/GaN 量子井戸構造によって、2.40, 2.29, 及び 1.97 eV の複数の中間準位を持つ中間バンド.が形成されてい ることが確認されました（図 1ｂ）。この結果は、カソードルミネッセンス7)の深さ方向分析と断面透過型顕 微鏡観察による In 組成分析の結果とも一致していました。これらの中間バンドは、InGaN 量子ドットの閉じ 込めとドット間のカップリング効果によってそれぞれのエネルギー準位が形成されたことによるものと考え られます。 波及効果と今後の展開 本研究の InGaN 中間バンド太陽電池の特徴は、複数の中間バンドが形成されていることであり、本来の InGaN が吸収できる波長以外に太陽光に含まれる広い波長成分をより多く利用することが可能となることで す。今後の研究により、それぞれの波長範囲における変換効率を向上させることで、高効率での太陽電池が 実現することが期待されます。
(a) (b)
図１（a） MOCVD による InGaN 多重準位中間バンド太陽電池の構造
（b)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。
図２中間バンド太陽電池の外部量子効率スペクトル。 掲載論文
題目：Multilevel intermediate-band solar cell by InGaN/GaN quantum dots with a strainmodulated structure
著者：Liwen Sang,* Meiyong Liao,* Qifeng Liang, Masaki Takeguchi, Benjamin Dierre, Bo Shen, Takashi Sekiguchi, Yasuo Koide, and MasatomoSumiya
用語解説
１）III-V 族窒化物半導体
III-V 族窒化物半導体は、周期表の III 族に属する Al, Ga, In などの元素とⅤ族に属する窒素（N）との化合 物である。III 族元素の単独もしくは２つ、３つの混合比を制御することで検出できる光の波長を制御するこ とができる。 2）太陽電池 光起電力効果を利用し、光エネルギーを直接電力に変換する電力機器である。光照射時に於いて、端子を 開放した時の出力電圧を開放電圧、短絡した時の電流を短絡電流（short-circuit current Isc）と呼ぶ。また Isc を 有効受光面積 で割ったものを短絡電流密度（Jsc）と呼ぶ。 3）バンドギャップ(禁制帯幅) 半導体の物性値の１つであり、ここでは吸収できる最小の光エネルギーを表す。 4）有機金属化学堆積(MOCVD)法 金属元素にメチル基（－CH3）やエチル基（－C2H5）を結合させた化合物を加熱・気化して反応装置に 導入することによって基板上に薄膜状の金属化合物の結晶を形成させる手法。 5）中間バンド太陽電池 中間バンド方式の量子ドット型太陽電池は、量子ドット間を電子的に結合させることで生じる中間バンド を活用し、幅広い波長の光を吸収できるように構成されたものである。複数の中間バンドを有効に活用でき るように構成した中間バンド方式の量子ドット型太陽電池の理論変換効率は 75%に達するという研究結果が 東京大学の荒川教授らによって報告されている。 6）量子効率 量子効率とは、太陽電池に毎秒吸収された光子に対して何個の電子を発生させるかを比率(%)で示した値 である。 ７）カソードルミネッセンス カソードルミネセンス (Cathode luminescence, CL) とは、物質に電子線を照射することによって発光させ るルミネセンスのことである。 本件に関するお問い合わせ先 （研究内容に関すること） 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 角谷正友 (スミヤ マサトモ) E-mail: [email protected] TEL:029-860-4784 http://www.nims.go.jp/optical_sensor/sumiya_lab/
独立行政法人物質・材料研究機構国際ナノアーキテクトニクス研究拠点 独立行政法人科学技術振興機構 さきがけ研究者 Liwen Sang (サン リウエン) E-mail: [email protected] TEL: 029-851-3354 (8652) （科学技術振興機構の事業に関すること） 松尾浩司（マツオ コウジ）、古川雅士（フルカワ マサシ） 独立行政法人科学技術振興機構戦略研究推進部グリーンイノベーショングループ 〒102-0076 東京都千代田区五番町 7 Ｋ’s 五番町 E-mail：[email protected] TEL: 03-3512-3525 FAX: 03-3222-2063 （報道担当） 独立行政法人物質・材料研究機構 企画部門 広報室 〒305-0047 茨城県つくば市千現 1-2-1 TEL: 029-859-2026 FAX: 029-859-2017 独立行政法人科学技術振興機構 広報課 〒102-8666 東京都千代田区四番町 5 番地 3 TEL: 03-5214-8404 FAX: 03-5214-8432
