Selvorganiserede indiumarsenid kvanteprikker til solceller

Kouichi Yamaguchi er internationalt anerkendt for sin banebrydende forskning i fremstilling og anvendelser af 'halvledende kvantepunkter' (QD'er). "Vi udnytter 'selvorganiseringen' af halvledende nanokrystaller ved hjælp af 'Stranski-Krasnov (SK) krystalvækstmetoden til at producere ordnede, meget tæt, og meget ensartede kvanteprikker, " forklarer Yamaguchi. "Vores 'bottom-up' tilgang giver meget bedre resultater end de konventionelle fotolitografiske eller 'top-down' metoder, der i vid udstrækning anvendes til fremstilling af nanostrukturer."

Især elektroner i kvanteprikstrukturer er indespærret inde i nanometer store tredimensionelle bokse. Nye anvendelser af 'kvanteprikker' - inklusive lasere, biologiske markører, qubits til kvanteberegning, og fotovoltaiske enheder - opstår fra QD'ernes unikke opto-elektroniske egenskaber, når de bestråles med lys eller under eksterne elektromagnetiske felter.

"Vores hovedinteresse i QD'er er fremstilling af højeffektive solceller, " siger Yamaguchi. "Trin for trin har vi rykket grænserne for 'selvorganisering' baseret vækst af QD'er og lykkedes med at producere meget velordnede, ultrahøj tæthed af QD'er."

Realiseringen af ​​en hidtil uset QDs tæthed på 5 x 10 ¹¹ cm ^-2 i 2011 var en af ​​de store milepæle i udviklingen af ​​'selvorganisering'-baserede halvledende QD'er til solceller af Yamaguchi og hans kolleger ved University of Electro-Communications (UEC). "Denne tæthed var et af de kritiske fremskridt for at opnå højeffektive kvantepunktbaserede fotovoltaiske enheder, " siger Yamaguchi.

Specifikt, Yamaguchi og hans gruppe brugte molekylær stråleepitaksi (MBE) til at dyrke et lag af InAs QD'er med en tæthed på 5 x 10 ¹¹ cm ^-2 på GaAsSb/GaAs (100) substrater. Vigtigere, det gennembrud, der gav denne høje tæthed af højt ordnede QD'er, var opdagelsen af, at InAs-vækst ved en relativt lav substrattemperatur på 470 grader Celsius på Sb-bestrålede GaAs-lag undertrykte sammensmeltning eller 'modning' af InAs QD'er, der blev observeret ved højere temperaturer. Kombinationen af ​​den overfladeaktive Sb-effekt og lavere væksttemperatur gav således InAs QD'er med en gennemsnitlig højde på 2,02,5 nm.

Potentialet for anvendelse af fotovoltaiske apparater blev undersøgt ved at indsætte et enkelt lag InAs QD'er i en pin-GaAs cellestruktur. Den resulterende eksterne kvanteeffektivitet af disse solcellestrukturer i bølgelængdeområdet på 900 til 1150 nm var højere end enheder med QD-laget.

"Teoretiske undersøgelser tyder på, at QDs solceller kan give konverteringseffektiviteter på over 50 %, " forklarer Yamaguchi. "Dette er et meget udfordrende mål, men vi håber, at vores innovative tilgang vil være et effektivt middel til at producere sådanne QD-baserede højtydende solceller. Vi har for nylig opnået InAs QD'er med en tæthed på 1 x 10 ¹² cm ^-2 ."