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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

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:12 パーセンタイル:51.84(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

Radiation response of the electrical characteristics of GaAs solar cells with quantum dot layers

大島 武; 佐藤 真一郎; 今泉 充*; 菅谷 武芳*; 仁木 栄*

Proceedings of 37th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (PVSC-37) (CD-ROM), p.1605 - 1609, 2011/06

The change in the electrical performance of PiN structure solar cells with self-organized InGaAs QD layers by 1MeV electron irradiation is studied. The samples were irradiated with electrons at 1MeV using the simultaneous techniques (an in-situ measurement technique) at JAEA. As a results, very small degradation of short circuit current (I$$_{SC}$$) is observed for both 50QD and non QD solar cells up to 1$$times$$10$$^{15}$$/cm$$^{2}$$, and the significant degradation for both solar cells is observed above 1$$times$$10$$^{15}$$/cm$$^{2}$$. At 1$$times$$10$$^{16}$$/cm$$^{2}$$, the values for the 50QD and non QD solar cells become 90 and 95 %, respectively. For the radiation response of open circuit voltage (V$$_{OC}$$), the value for 50 QD solar cells decreases with increasing fluence, and the value becomes 88 % by irradiation at 1$$times$$10$$^{16}$$/cm$$^{2}$$. The overall degradation behavior of V$$_{OC}$$ for the 50 QD solar cell is slightly smaller than that for the non QD solar cell. These results indicate that QD solar cells have high radiation resistance.

論文

Change in the electrical performance of InGaAs quantum dot solar cells due to irradiation

大島 武; 佐藤 真一郎; 森岡 千晴*; 今泉 充*; 菅谷 武芳*; 仁木 栄*

Proceedings of 35th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (PVSC-35) (CD-ROM), p.002594 - 002598, 2010/06

 被引用回数:3 パーセンタイル:81.25

量子ドット(QD)太陽電池は次世代の超高効率太陽電池として期待されるが、これまで照射効果に関する報告がなく、宇宙応用の可能性が不明である。そこで、1MeV電子線をQD太陽電池へ照射し、発電特性の変化を調べた。本研究では、分子ビームエピタキシャル(MBE)法によりGaAs基板上に作製したPIN構造InGaAs QD太陽電池を用いた。QDを30層積層させた太陽電池の初期の変換効率は、7.0%(表面反射防止膜なし、 AM1.5, 25$$^{circ}$$C)である。室温にて1MeV電子線を1$$times$$10$$^{13}$$/cm$$^{2}$$照射し、照射前後での量子効率を測定した。比較のためQD構造を持たない単接合のGaAs太陽電池への照射も併せて行った。その結果、QD太陽電池,単接合GaAs太陽電池ともに照射により発電特性の低下が見られたが、QD構造に特有な長波長側での量子効率の増加に関しては電子線照射によっても減少は見られないことが判明した。従来の太陽電池では照射による少数キャリアの拡散長低下が原因で、長波長側の量子効率が顕著に減少して発電特性が低下するが、今回QD太陽電池で、長波長側の量子効率に減少が見られなかったことは、QD太陽電池が優れた耐放射線性を示すことを示し、宇宙用としての応用が期待できる結果といえる。

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

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

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

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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