Kouichi Yamaguchi wordt internationaal erkend vanwege zijn baanbrekende onderzoek naar de fabricage en toepassingen van 'halfgeleidende kwantumdots' (QD's). "We exploiteren de 'zelforganisatie' van halfgeleidende nanokristallen door de 'Stranski-Krasnov (SK) -modus van kristalgroei voor het produceren van geordende, zeer dicht, en zeer uniforme kwantumstippen, " legt Yamaguchi uit. "Onze 'bottom-up'-benadering levert veel betere resultaten op dan de conventionele fotolithografische of 'top-down'-methoden die algemeen worden gebruikt voor de fabricage van nanostructuren."

Opmerkelijk, elektronen in quantum dot-structuren zijn opgesloten in driedimensionale dozen van nanometerformaat. Nieuwe toepassingen van 'quantum dots', waaronder lasers, biologische markers, qubits voor kwantumcomputers, en fotovoltaïsche apparaten - ontstaan ​​door de unieke opto-elektronische eigenschappen van de QD's wanneer ze worden bestraald met licht of onder externe elektromagnetische velden.

"Onze belangrijkste interesse in QD's is de fabricage van hoogrenderende zonnecellen, ", zegt Yamaguchi. "Stap voor stap hebben we de grenzen van op 'zelforganisatie' gebaseerde groei van QD's verlegd en zijn we erin geslaagd zeer geordende, ultrahoge dichtheden van QD's."

De realisatie van een ongekende QDs-dichtheid van 5 x 10 ¹¹ cm ^-2 in 2011 was een van de belangrijkste mijlpalen in de ontwikkeling van op 'zelforganisatie' gebaseerde halfgeleidende QD's voor zonnecellen door Yamaguchi en zijn collega's van de University of Electro-Communications (UEC). "Deze dichtheid was een van de cruciale vorderingen voor het bereiken van op kwantumdots gebaseerde fotovoltaïsche apparaten met een hoog rendement, ' zegt Yamaguchi.

specifiek, Yamaguchi en zijn groep gebruikten moleculaire bundelepitaxie (MBE) om een ​​laag InAs QD's te laten groeien met een dichtheid van 5 x 10 ¹¹ cm ^-2 op GaAsSb/GaAs (100)-substraten. belangrijk, de doorbraak die deze hoge dichtheid van sterk geordende QD's opleverde, was de ontdekking dat InAs-groei bij een relatief lage substraattemperatuur van 470 graden Celsius op Sb-bestraalde GaAs-lagen de coalescentie of 'rijping' van InAs-QD's onderdrukte die werd waargenomen bij hogere temperaturen. Dus de combinatie van het Sb oppervlakteactieve effect en lagere groeitemperatuur leverde InAs QD's op met een gemiddelde hoogte van 2,02,5 nm.

Het potentieel voor toepassingen van fotovoltaïsche apparaten werd onderzocht door een enkele laag InAs QD's in een pin-GaAs-celstructuur te sandwichen. De resulterende externe kwantumefficiëntie van deze zonnecelstructuren in het golflengtebereik van 900 tot 1150 nm was hoger dan die van apparaten met de QD-laag.

"Theoretische studies suggereren dat QD's zonnecellen een conversie-efficiëntie van meer dan 50% kunnen opleveren, " legt Yamaguchi uit. "Dit is een zeer uitdagend doel, maar we hopen dat onze innovatieve aanpak een effectief middel zal zijn om dergelijke op QD gebaseerde hoogwaardige zonnecellen te produceren. We hebben onlangs InAs QD's bereikt met een dichtheid van 1 x 10 ¹² cm ^-2 ."