Kouichi Yamaguchi est internationalement reconnu pour ses recherches pionnières sur la fabrication et les applications des « points quantiques semi-conducteurs » (QD). "Nous exploitons "l'auto-organisation" des nanocristaux semi-conducteurs par le mode de croissance cristalline "Stranski-Krasnov (SK) pour produire des commandes ordonnées, très dense, et des points quantiques très uniformes, " explique Yamaguchi. "Notre approche 'bottom-up' donne de bien meilleurs résultats que les méthodes photolithographiques conventionnelles ou 'top-down' largement utilisées pour la fabrication de nano-structures."

Notamment, les électrons dans les structures de points quantiques sont confinés à l'intérieur de boîtes tridimensionnelles de taille nanométrique. Nouvelles applications des « points quantiques », y compris les lasers, marqueurs biologiques, qubits pour l'informatique quantique, et les dispositifs photovoltaïques - découlent des propriétés opto-électroniques uniques des QD lorsqu'ils sont irradiés avec de la lumière ou sous des champs électromagnétiques externes.

"Notre principal intérêt pour les QD est la fabrication de cellules solaires à haut rendement, " explique Yamaguchi. " Petit à petit, nous avons repoussé les limites de la croissance basée sur l'« auto-organisation » des QD et avons réussi à produire des produits hautement ordonnés, densités ultra-élevées de QDs."

La réalisation d'une densité de QDs inédite de 5 x 10 ¹¹ cm ^-2 en 2011 a été l'une des étapes majeures du développement de QD semi-conducteurs basés sur l'« auto-organisation » pour les cellules solaires par Yamaguchi et ses collègues de l'Université d'électrocommunications (UEC). "Cette densité a été l'une des avancées critiques pour la réalisation de dispositifs photovoltaïques à base de points quantiques à haut rendement, " dit Yamaguchi.

Spécifiquement, Yamaguchi et son groupe ont utilisé l'épitaxie par faisceau moléculaire (MBE) pour faire croître une couche de QD InAs avec une densité de 5 x 10 ¹¹ cm ^-2 sur des substrats GaAsSb/GaAs (100). Surtout, la percée qui a donné cette densité élevée de QD hautement ordonnés a été la découverte que la croissance d'InAs à une température de substrat relativement basse de 470 degrés Celsius sur des couches de GaAs irradiées par Sb supprimait la coalescence ou la "maturation" des QD d'InAs observées à des températures plus élevées. Ainsi, la combinaison de l'effet tensioactif Sb et d'une température de croissance plus basse a donné des QD d'InAs avec une hauteur moyenne de 2,02,5 nm.

Le potentiel des applications de dispositifs photovoltaïques a été examiné en prenant en sandwich une seule couche de QD InAs dans une structure de cellule pin-GaAs. L'efficacité quantique externe résultante de ces structures de cellules solaires dans la plage de longueurs d'onde de 900 à 1150 nm était supérieure à celle des dispositifs avec la couche QD.

"Des études théoriques suggèrent que les cellules solaires QDs pourraient produire des rendements de conversion supérieurs à 50 %, " explique Yamaguchi. " Il s'agit d'un objectif très ambitieux, mais nous espérons que notre approche innovante sera un moyen efficace de produire de telles cellules solaires haute performance basées sur la QD. Nous avons récemment obtenu des QD InAs avec une densité de 1 x 10 ¹² cm ^-2 ."