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NIMS 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

皆様に有用な太陽光発電業界情報をお知らせします。

独立行政法人 物質・材料研究機構(以下NIMS)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たと発表した。

太陽電池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2つのアプローチがあり、今回の発表は後者に当たる。

化合物半導体型の太陽電池は、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おける特有のバンドギャップ(ここでは吸収できる最小の光エネルギーを表す)で決まるため、特定の波長範囲の光しか利用できない。
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などが研究されてきた。
しかし、上記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だった。
そこで、NIMSの研究グループは、白色、青色発光デバイス(LED)材料である窒化ガリウムと窒化インジウムが同様の構造を持っていること、およ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、中間バンド太陽電池を作製した。

この太陽電池の外部量子効率を測定した結果、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する事ができた。

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する。
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実現が期待されるとしている。

情報参照元:独立行政法人 物質・材料研究機構

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