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論文

Measurement of ion beam induced current in quantum dot solar cells

中村 徹哉*; 今泉 充*; 佐藤 真一郎; 菅谷 武芳*; 望月 透*; 岡野 好伸*; 大島 武

Proceedings of 11th International Workshop on Radiation Effects on Semiconductor Devices for Space Applications (RASEDA-11) (Internet), p.73 - 76, 2015/11

量子ドット太陽電池の放射線劣化メカニズムの解明を目指し、ガリウムひ素(GaAs)半導体中に量子ドットを含むi層を導入したpin太陽電池の放射線照射効果に関する研究を推進している。これまでに、量子ドット太陽電池は放射線照射により曲線因子(FF)が大きく劣化することを報告しているが、今回は、そのメカニズムを明らかにするために、低エネルギー陽子線照射によって生成する電流(イオンビーム誘起電流: IBIC)を測定し、空乏化している量子ドット層内での少数キャリアの振る舞いを調べた。陽子線のエネルギーは量子ドット層に損傷が導入されるような条件とし、結晶損傷が蓄積されることで生成電流がどのように減少していくかを観察した。その結果、陽子線照射によって量子ドット層内に蓄積した欠陥に起因するキャリア収集効率の低下がFF劣化の主要因であることが明らかとなった。

論文

Comparative study on degradation characteristics of component subcells in IMM triple-junction solar cells irradiated with high-energy electrons and protons

今泉 充*; 中村 徹哉*; 田島 道夫*; 佐藤 真一郎; 大島 武

Proceedings of 39th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (PVSC-39) (CD-ROM), p.3243 - 3248, 2013/06

逆積み格子不整合型(IMM)三接合太陽電池の構成要素である、InGaP, GaAs, InGaAs(In=20%), InGaAs(In=30%)単接合太陽電池の10MeV陽子線及び1MeV電子線による劣化を調べ、その放射線耐性を比較した。単接合太陽電池の放射線耐性の比較は、宇宙用IMM三接合太陽電池の設計、開発にあたって不可欠な知見である。比較の結果、InGaP単接合太陽電池が最も耐性が高いことがわかった。一方で、InGaAs単接合太陽電池はその性能の指標となる短絡電流(Isc)の劣化が他の太陽電池と比べて顕著であり、特に電子線に対して耐性が低く、陽子線に対してはGaAs太陽電池と同程度の耐性を示すことがわかった。

論文

Estimation of subcell photocurrent in IMM3J using LED bias light

中村 徹哉*; 今泉 充*; 佐藤 真一郎; 大島 武

Proceedings of 39th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (PVSC-39) (CD-ROM), p.0696 - 0700, 2013/06

外部量子効率からではなく、電流電圧特性から多接合太陽電池におけるサブセルの光電流を見積もる手法を考案した。逆方向飽和電流密度とシャント抵抗をエレクトロルミネセンス法とLEDバイアス光照射法を用いて求めることによって、各サブセルの光電流を見積もることが可能となる。3MeV陽子線照射後の逆積み格子不整合型(IMM)三接合太陽電池の最大出力を見積もったところ、実験値と良い一致を示したことから、本手法の有効性が示された。

論文

Change in the electrical performance of GaAs solar cells with InGaAs quantum dot layers by electron irradiation

大島 武; 佐藤 真一郎; 今泉 充*; 中村 徹哉*; 菅谷 武芳*; 松原 浩司*; 仁木 栄*

Solar Energy Materials and Solar Cells, 108, p.263 - 268, 2013/01

 被引用回数:11 パーセンタイル:50.34(Energy & Fuels)

量子ドット(QD)太陽電池の宇宙応用の可能性を調べるため、In$$_{0.4}$$Ga$$_{0.6}$$As QD層を50層有するGaAs太陽電池に1MeV電子線を1$$times$$10$$^{16}$$/cm$$^{2}$$照射した。照射後、短絡電流I$$_{rm SC}$$,開放電圧V$$_{rm OC}$$及び最大電力P$$_{rm MAX}$$は、それぞれ、初期値の80, 90及び55%まで減少した。一方、無QDのGaAs太陽電池は、それらの値は、それぞれ、95, 80及び63%まで低下した。QD太陽電池のI$$_{rm SC}$$が無QDに比べ大きく劣化した理由は、QD太陽電池の光吸収層が1.1$$mu$$mと無QD太陽電池の660nmに比べ厚く、そのため、発生する照射欠陥が特性劣化に及ぼす影響が大きくなったためと考えられる。一方、光吸収層長に直接影響しないV$$_{rm OC}$$は、QD太陽電池の方が無QDに比べ劣化が小さく、QDの優れた耐放射線性が示唆された。さらに、照射後の特性回復をAM0光照射下で室温にて調べたところ、両太陽電池ともに特性の回復現象が観測された。QDの有無にかかわらず回復が観察されたことからQD特有の現象ではなく、GaAsのようなIII-V族半導体で報告されている光注入による劣化特性の回復であると考えられる。

論文

Estimation method for radiation resistance of multi-junction solar cells using I-V characteristics of subcells

中村 徹哉*; 今泉 充*; 管井 光信*; 佐藤 真一郎; 大島 武

Proceedings of 10th International Workshop on Radiation Effects on Semiconductor Devices for Space Applications (RASEDA-10) (Internet), p.48 - 51, 2012/12

本研究では、エレクトロルミネセンス(EL)を用いることで多接合太陽電池中の各サブセルの電流電圧特性を評価し、それによって多接合太陽電池全体の放射線劣化を予測する手法を考案した。ELによるサブセルの電流電圧特性評価法では、シャント抵抗と直列抵抗以外のパラメータを導出することが可能であり、また残されたふたつの重要パラメータは、カラーバイアス光照射下での電流電圧特性と回路シミュレータを用いた解析から求めることができる。この手法を用いてInGaP/GaAs二接合太陽電池の電子線照射による発電特性の劣化を予測したところ、実験結果をよく再現したことから、本手法の有効性が示された。

論文

Change in I-V characteristics of subcells in a multi-junction solar cell due to radiation irradiation

中村 徹哉*; 今泉 充*; 佐藤 真一郎; 大島 武

Proceedings of 38th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (PVSC-38) (CD-ROM), p.002846 - 002850, 2012/00

エレクトロルミネッセンス法を用いた多接合太陽電池におけるサブセルの電流・電圧特性の予測法を用いて、陽子線照射によって劣化したInGaP/GaAs二接合太陽電池の暗状態での電流・電圧特性及び光照射下での電流・電圧特性を見積もった。それに加え、電気回路シミュレータを用いて直列抵抗成分とシャント抵抗成分を見積もると、実験結果をよく再現できることを明らかにした。また、照射量の増加に伴う発電特性の劣化は本研究の劣化予測法を用いることで非常によく再現できること、ある照射量において電流制限セルがInGaPトップセルからGaAsボトムセルに変化することも明らかにした。

口頭

Pdナノ粒子のX線磁気円二色性実験

大場 洋次郎; 岡本 啓明*; 佐藤 徹哉*; 中村 哲也*; 大沢 仁志*; 室 隆桂之*; 篠原 武尚; 鈴木 淳市

no journal, , 

Pdはバルクでは常磁性であるが、ナノ粒子では強磁性を示す。この強磁性発現メカニズムは、新しい原理に基づくナノ磁性材料開発手法を導くものとして期待される。ナノ粒子化に伴う電子状態の変化はこの強磁性の起源と深く関連するが、これに関する実験結果はいまだに得られていない。本研究では、Pdの4d電子状態を通してナノ粒子の磁性を理解するためにX線磁気円二色性(XMCD)測定を行った。XMCD実験には、SPring-8 BL25SUビームラインの電磁石MCD装置を利用した。ナノ粒子作製チャンバーをMCD装置に取り付け、試料を作製し、試料を一度も大気にさらすことなく測定を行った。その結果、XMCDスペクトルには、Pd-M3吸収端において負、M2吸収端において正のピークが観測された。これは、Pdの4dバンドの分極によりナノ粒子中に磁気モーメントが発現することを示唆する。

口頭

Radiation degradation of the electrical performance of InGaAs quantum dot solar cells and its recovery at room temperature

大島 武; 佐藤 真一郎; 今泉 充*; 中村 徹哉*; 菅谷 武芳*; 松原 浩司*; 仁木 栄*

no journal, , 

The radiation degradation of the electrical characteristics of GaAs solar cells which have PiN structures with 50 self-organized In$$_{0.4}$$Ga$$_{0.6}$$As QD layers and the recovery of their degraded characteristics at room temperature (RT) were investigated, using the in-situ measurement method. The value of open circuit voltage (V$$_{OC}$$) for the InGaAs 50 QD solar cell remains 90% of the initial value after 1MeV electron irradiation at 1$$times$$10$$^{16}$$/cm$$^{2}$$, and this value is larger than that for the GaAs solar cell with non QD layers. On the other hand, the values of short circuit current (I$$_{SC}$$) and maximum power (P$$_{MAX}$$) for the 50 QD solar cells decrease to approximately 80 and 60% of the initial value after the electron irradiation, respectively. The degradation of I$$_{SC}$$ and P$$_{MAX}$$ for the GaAs solar cells with non QD layers is smaller than those for the 50 QD solar cells. After the irradiation, the annealing behavior of the electrical characteristics for the solar cells was investigated under AM 0 at room temperature. As a result, the recovery of P$$_{MAX}$$ for both solar cells is observed, and the non QD GaAs solar cell shows relatively large recovery compared to the 50 QD solar cell.

口頭

サブセル個別評価を用いた多接合太陽電池の耐放射線性評価法

中村 徹哉*; 今泉 充*; 佐藤 真一郎; 大島 武

no journal, , 

宇宙用太陽電池は宇宙線による出力特性の劣化を考慮しなければならないが、現在主流となっている多接合太陽電池は構造が複雑であることから、劣化予測を正確に行うのは困難である。今回、2つのサブセル(InGaPトップセルとGaAsボトムセル)を直列に接合したInGaP/GaAs二接合太陽電池の各サブセルでの電流・電圧特性を、エレクトロルミネセンス法及びバイアス光法を用いて調べ、放射線照射による各サブセルでの劣化特性を個々に抽出する手法を開発した。そこで、二接合太陽電池に3MeV陽子線を照射し、$$1times10^{13}$$cm$$^{-2}$$まで照射したときの各サブセルの劣化特性を回路シミュレータを用いて再現し、これによって得られた各サブセルにおける劣化パラメータから$$3times10^{13}$$cm$$^{-2}$$まで照射したときの最大電力を予測したところ、実験値とよく一致した。このことから、本手法によって多接合太陽電池の放射線劣化を予測可能であることが示された。

口頭

薄膜・超高効率宇宙用太陽電池の開発と展望

今泉 充*; 中村 徹哉*; 佐藤 真一郎; 大島 武

no journal, , 

人工衛星の軽量化や大電力化に応えるため、多接合構造による高い変換効率と薄膜化による軽量性と小体積性を同時に実現する必要があり、格子不整合系InGaP/GaAs/InGaAs薄膜3接合太陽電池の開発を進めている。10MeV陽子線照射による電気特性の劣化を、従来型3接合(InGaP/GaAs/Ge)太陽電池及びInGaP/GaAs薄膜2接合太陽電池と比較したところ、格子不整合系InGaP/GaAs/InGaAs薄膜3接合太陽電池は高い耐性を示すことが明らかとなった。現在は構造の最適化設計を行っている段階であり、特にInGaAs層の改善によりさらなる耐性の向上が予想される。

口頭

宇宙用超高効率薄膜3接合太陽電池の開発

住田 泰史*; 中村 徹哉*; 今泉 充*; 佐藤 真一郎; 大島 武

no journal, , 

宇宙航空研究開発機構では、多接合構造による高い変換効率と薄膜化による軽量性及び耐放射線性を兼ね備えたInGaP/GaAs/InGaAs薄膜3接合太陽電池の開発研究を進めており、その耐放射線性評価実験を高崎量子応用研究所TIARAのイオン加速器を用いて実施した。3MeV陽子線照射後の発電特性劣化を、現在人工衛星用の主流として使用されているInGaP/GaAs/Ge型3接合太陽電池と比較したところ、ほぼ同等の放射線耐性を示すことがわかった。InGaP/GaAs/InGaAs薄膜3接合太陽電池は従来のInGaP/GaAs/Ge型3接合太陽電池より初期の変換効率が約2%高いことを含めて考えると、InGaP/GaAs/InGaAs薄膜3接合太陽電池は新たな宇宙用太陽電池として利用可能であると結論できる。

口頭

GaAs太陽電池中の量子ドット層が耐放射線性に及ぼす効果

中村 徹哉*; 今泉 充*; 佐藤 真一郎; 大島 武; 菅谷 武芳*

no journal, , 

量子ドット層の導入によって宇宙用太陽電池の更なる高効率化を目指す研究が近年行われているが、その耐放射線性については明らかにされていない。今回、量子ドット層を導入したGaAs太陽電池に150keV陽子線照射を行い、その結果をリファレンス試料であるp-i-n型GaAs太陽電池の結果と比較することで、量子ドット層の耐放射線性を調べた。光電流・電圧特性および暗電流・電圧特性から光電流の電圧依存性を反映するパラメータを抽出し、その陽子線照射による変化を比較した。その結果、GaAs太陽電池は5$$times$$10$$^{11}$$cm$$^{-2}$$から減少するのに対し、量子ドット太陽電池は2$$times$$10$$^{10}$$cm$$^{-2}$$から減少することがわかった。パラメータの減少は主に少数キャリアの再結合寿命が低下し、ドリフト電流の割合が増えていることを意味しており、この結果からは、量子ドット太陽電池のほうが放射線耐性が低いと判断される。

口頭

Development of irradiation methods and degradation modeling for state-of-the-art space solar cells

大島 武; 佐藤 真一郎; 住田 泰史*; 中村 徹哉*; 今泉 充*

no journal, , 

人工衛星に搭載される太陽電池の実宇宙での発電予測を行うためには、地上で放射線照射試験を行い、その劣化挙動を把握することが重要となる。一般には照射前に測定施設にて発電特性を測定し、照射施設で電子線や陽子線といった放射線を照射、その後、測定施設に持ち帰り再測定を行うことで特性劣化を評価する「逐次法」が用いられるが、原子力機構と宇宙航空研究開発機構(JAXA)は、照射容器に模擬太陽光源を接続することで、放射線照射試験中に太陽電池の発電特性の劣化評価が可能な「同時法」の開発に成功している。更に、最近では深宇宙ミッションにも対応できるように低温照射ホルダーを導入した。この同時法を用いて、最先端の宇宙用太陽電池であるInGaP/GaAs/Ge三接合(3J)太陽電池の室温及び150Kでの低温における劣化特性を評価した。加えて、複雑な劣化を示す3J太陽電池の効率的な機構を解明し、非イオン化エネルギー損失(NIEL)の理論と組み合わせることで3J太陽電池の劣化モデルの構築に成功した。

口頭

Radiation response of fill-factor for GaAs solar cells with InGaAs quantum dot layers

中村 徹哉*; 住田 泰史*; 今泉 充*; 菅谷 武芳*; 松原 浩司*; 仁木 栄*; 望月 透*; 武田 明紘*; 岡野 好伸*; 佐藤 真一郎; et al.

no journal, , 

量子ドット太陽電池の宇宙応用の可能性を検討するためにInGaAs量子ドット層を含むGaAs太陽電池の放射線劣化挙動を調べた。InGaAsドット層を50層含むGaAs太陽電池及び比較のためのドット層の無いGaAs太陽電池を分子線エピタキシー(MBE)法を用いて作製した。それら太陽電池に室温にて150keV陽子線を照射し、光照射下及び暗状態での電気特性の劣化を調べた。その結果、ドット有りの太陽電池は、無しの太陽電池に比べて短絡電流は低下が大きく、逆に開放電圧は低下が少ないことが見出された。加えて、電流(I)-電圧(V)曲線を調べたところ、ドット有り太陽電池はドット無し太陽電池に比べフィルファクター(FF)の劣化が大きいことが判明した。暗状態でのI-V測定特性に関しては、ドット有りもドット無し太陽電池も同程度の劣化であったことから、FFの低下は太陽電池のダイオード特性の劣化に起因するものではなく、少数キャリアの拡散長やといった発電特性に起因すると考えられる。

口頭

In-situ observation of radiation degradation of GaAs solar cells with InGaAs quantum dot layers

大島 武; 中村 徹哉*; 菅谷 武芳*; 住田 泰史*; 今泉 充*; 佐藤 真一郎; 松原 浩司*; 仁木 栄*; 望月 透*; 武田 明紘*; et al.

no journal, , 

In this study, GaAs PiN solar cells of which i-layer contains or does not contain In$$_{0.4} rm Ga_{0.6}$$As QD layers are fabricated. The degradation behaviors for the QD solar cells due to proton irradiation are compared to that for the non QD solar cells using an in-situ measurement technique. The maximum power for QD (50 layers) and non-QD GaAs solar cells decreased with increasing fluence of protons with an energy of 150 keV. No significant difference in the degradation behavior between QD and non-QD solar cells is observed. This can be concluded that QD solar cells have an enough potential for space applications because the initial efficiency for QD solar cells is expected to be higher than non-QD solar cells. In addition, annealing of the degraded characteristics of both the QD and the non-QD solar cells was observed under AM0 illumination even at RT.

口頭

格子不整合系逆成長3接合太陽電池を構成するサブセルの電子線と陽子線に対する放射線耐性の比較

今泉 充*; 中村 徹哉*; 大島 武

no journal, , 

次世代の宇宙用太陽電池としてInGaP/GaAs/InGaAs構造を有する格子不整合型逆方向成長三接合太陽電池の開発を進めている。この太陽電池は、現在主流のInGaP/GaAs/Ge型格子整合系三接合太陽電池よりも高効率が期待され、更に、軽量でフレキシブルという特長を持つ。この太陽電池を設計するには、各構成サブセルであるInGaP, GaAs, InGaAs太陽電池の放射線劣化特性の把握が必要となる。InGaPおよびGaAsについては現三接合太陽電池と同一であるが、InGaAsについては新規材料であるため耐放射線性が明らかでない。そこで、InGaP, GaAs, InGaAsのp/n構造単一接合太陽電池を作製し、それぞれに10MeV陽子線および1MeV電子線を照射することで劣化を比較した。その結果、短絡電流の耐放射線性に関しては、InGaP, GaAs, InGaAsの順であることが判明した。また、10MeV陽子線と1MeV電子線照射に対する劣化を比較すると、InGaPは若干であるが電子線に対しての耐性が高く、GaAsは有意差がない、InGaAsは電子線による劣化の方が陽子線に比べ明らかに大きいことが見出された。一方、開放電圧の劣化においては、InGaAsは陽子線と電子線でほとんど劣化量に差がなかったのに対し、InGaP及びGaAsでは陽子線による劣化が電子線より大きい傾向が確認された。

口頭

Evaluation of radiation degradation of GaAs solar cells with InGaAs quantum dot layers using radiation induced current

大島 武; 中村 徹哉*; 住田 泰史*; 今泉 充*; 佐藤 真一郎; 菅谷 武芳*; 松原 浩司*; 仁木 栄*; 望月 透*; 岡野 好伸*

no journal, , 

Introduction of highly-stacked well-aligned Quantum Dots (QDs) layers into solar cells are expected to realize their extremely high conversion efficiency. In this study, the current induced in QD solar cells by 1 MeV electron irradiation was evaluated to investigate their degradation response. The samples used in this study were GaAs PiN solar cells with InGaAs QD layers by molecular beam epitaxy (MBE). For comparison, GaAs PiN solar cells with an i-layer were fabricated under the same process without the fabrication of the QD layers. The QD and non QD solar cells were irradiated with 1MeV electrons and their electron-induced currents were measured at applied bias between -300 and 200 mV. As a result, QD solar cells showed applied bias dependence of electron-induced current, and the value of electron-induced current increased with increasing reverse bias. Also, with increasing electron fluence, the electron-induced current decreased. This can be interpreted in terms of a decrease in carrier lifetime due to radiation induced defects. The applied bias dependence for QD solar cells became larger with increasing electron fluence. On the other hand, non QD solar cells did not show the applied bias dependence of electron-induced current before and after irradiation. These results suggest that carriers generated in QD solar cells by electrons recombine in QD layer when the electric field is not high enough.

口頭

InGaAs量子ドット層を有するGaAs太陽電池の陽子線照射劣化

佐藤 真一郎; 大島 武; 中村 徹哉*; 今泉 充*; 菅谷 武芳*; 松原 浩司*; 仁木 栄*; 武田 明紘*; 岡野 好伸*

no journal, , 

III-V族半導体量子ドットは次世代太陽電池の超高効率化技術として期待されていることから、宇宙環境での利用を想定した場合、放射線暴露による影響を明らかにする必要がある。そこで今回、インジウムガリウム砒素(In$$_{0.4}$$Ga$$_{0.6}$$As)の量子ドット層を50層含むPiN型ガリウム砒素(GaAs)太陽電池と量子ドット層を含まない比較用GaAs太陽電池に、150keVおよび3MeV陽子線を照射し、発電特性の変化を調べた。その結果、低照射量では量子ドット太陽電池の方が比較用GaAs太陽電池よりも劣化がやや小さかったが、照射量の増加と共に急激な劣化が生じることが分かった。これは陽子線のエネルギーによらず生じたため、量子ドット太陽電池に特有の現象であると考えられる。

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