太陽光発電の研究

岡田研究室では、従来にない新しい半導体薄膜材料や、半 導体量子ドットなどの量子ナノ構造を導入して太陽電池の変換効 率を画期的に高めるための研究を行い、代替エネルギー技術の イノベーション創成を目指している。具体的には以下に関する研 究を進めている。

吸収帯の異なる太陽電池を多層化することで、幅広い太陽光 スペクトルを吸収し、変換効率を高めることが可能となる。化合物 半導体を用いた多接合タンデム太陽電池における現在の主流は 3接合セルであるが、4接合化することで理論上50%以上の変換 効率が達成できる。岡田研究室では、4接合セルの実現に必要と なる、Ge基板と格子整合しつつ1 eV付近のバンドギャップもつ材 料として、1.2%程度のNを含有したGaInNAs薄膜材料の開発 を行っている。これまでに分子線エピタキシー法を用いて1.07 eV のバンドギャップをもつGaInNAsの作製に成功している。現在、 MBE成長中のSbサーファクタントの利用による結晶の高品質化 などに取り組んでいる。

量子ナノ構造マルチバンド太陽電池は、理論変換効率60%以 上の高効率化が可能と考えられており、その実現に向けては，高 密度で3次元的に全体配列した量子ドット超格子を作製すること が必須である。量子ドットとは、電子や正孔をド・ブロイ波長程度 （数nm 〜 20 nm）の領域に3次元的に閉じ込める微細構造であ り、量子ドット中の電子や正孔はその領域に閉じこめられて状態 密度が離散化される。またそれらを周期的に並べた構造を量子ド ット超格子と呼び、量子ドットの間隔を調整することで物性の大幅 な制御が可能となる。当研究室では、高密度でサイズ均一性、 配列性ともに優れた、高指数面基板上InGaAs系自己組織化量 子ドット群に着目し、さらに歪み補償成長を利用した量子ドットの多 層積層化を行うことで、3次元的に完全配列化された量子ドット超 格子の開発を行っている。また、量子ドット超格子を用いたマルチ バンド太陽電池の基礎特性に関して研究を進めている。開発中 のマルチバンド太陽電池は、p-i-n構造のi層中に、量子ドット超格 子を導入した構造をもつ。導入された量子ドット超格子が、母体と なる半導体の禁制帯中に複数のミニバンドを形成することによっ て、幅広い帯域で太陽光 スペクトルを吸収し、太陽 光を効率よく電力に変換 することが可能となる。