Kouichi Yamaguchi är internationellt erkänd för sin banbrytande forskning om tillverkning och tillämpningar av "halvledande kvantprickar" (QDs). "Vi utnyttjar "självorganiseringen" av halvledande nanokristaller genom "Stranski-Krasnov (SK)"-sättet för kristalltillväxt för att producera ordnade, mycket tät, och mycket enhetliga kvantprickar, " förklarar Yamaguchi. "Vår 'bottom-up'-metod ger mycket bättre resultat än de konventionella fotolitografiska eller 'top-down'-metoderna som ofta används för tillverkning av nanostrukturer."

I synnerhet, elektroner i kvantprickstrukturer är inneslutna i nanometerstora tredimensionella lådor. Nya tillämpningar av "quantum dots" - inklusive lasrar, biologiska markörer, qubits för kvantberäkning, och fotovoltaiska enheter – härrör från de unika optoelektroniska egenskaperna hos QD:erna när de bestrålas med ljus eller under externa elektromagnetiska fält.

"Vårt främsta intresse för QD är för tillverkning av högeffektiva solceller, ", säger Yamaguchi. "Steg för steg har vi tänjt på gränserna för "självorganisering"-baserad tillväxt av QDs och lyckats producera välordnade, ultrahöga densiteter av QDs."

Förverkligandet av en aldrig tidigare skådad QD-densitet på 5 x 10 ¹¹ centimeter ^-2 2011 var en av de viktigaste milstolparna i utvecklingen av "självorganisering"-baserade halvledande QD för solceller av Yamaguchi och hans kollegor vid University of Electro-Communications (UEC). "Denna täthet var ett av de avgörande framstegen för att uppnå högeffektiva kvantprickbaserade fotovoltaiska enheter, säger Yamaguchi.

Specifikt, Yamaguchi och hans grupp använde molekylär strålepitaxi (MBE) för att odla ett lager av InAs QDs med en densitet på 5 x 10 ¹¹ centimeter ^-2 på GaAsSb/GaAs (100) substrat. Viktigt, genombrottet som gav denna höga densitet av högt ordnade QDs var upptäckten att InAs-tillväxt vid en relativt låg substrattemperatur på 470 grader Celsius på Sb-bestrålade GaAs-skikt undertryckte koalescens eller "mognad" av InAs QDs som observerades vid högre temperaturer. Således gav kombinationen av Sb -ytaktivt effekt och lägre tillväxttemperatur InAs QD med en medelhöjd på 2,02,5 nm.

Potentialen för applikationer för fotovoltaiska enheter undersöktes genom att lägga ett enda lager av InAs QDs i en pin-GaAs cellstruktur. Den resulterande externa kvanteffektiviteten för dessa solcellsstrukturer i våglängdsområdet 900 till 1150 nm var högre än enheter med QD-skiktet.

"Teoretiska studier tyder på att QDs solceller kan ge omvandlingseffektivitet över 50%, " förklarar Yamaguchi. "Detta är ett mycket utmanande mål men vi hoppas att vårt innovativa tillvägagångssätt kommer att vara ett effektivt sätt att producera sådana QD-baserade högpresterande solceller. Vi har nyligen uppnått InAs QDs med en densitet på 1 x 10 ¹² centimeter ^-2 . "