Kouichi Yamaguchi è riconosciuto a livello internazionale per la sua ricerca pionieristica sulla fabbricazione e le applicazioni dei "punti quantici semiconduttori" (QD). "Sfruttiamo l'"auto-organizzazione" dei nanocristalli semiconduttori mediante la modalità di crescita dei cristalli "Stranski-Krasnov (SK) per la produzione ordinata, molto denso, e punti quantici altamente uniformi, " spiega Yamaguchi. "Il nostro approccio 'bottom-up' produce risultati molto migliori rispetto ai metodi fotolitografici convenzionali o 'top-down' ampiamente utilizzati per la fabbricazione di nanostrutture".

In particolare, gli elettroni nelle strutture di punti quantici sono confinati all'interno di scatole tridimensionali di dimensioni nanometriche. Nuove applicazioni dei "punti quantici", inclusi laser, marcatori biologici, qubit per il calcolo quantistico, e dispositivi fotovoltaici:derivano dalle proprietà optoelettroniche uniche dei QD quando irradiati con luce o sotto campi elettromagnetici esterni.

"Il nostro principale interesse per i QD è per la fabbricazione di celle solari ad alta efficienza, ", afferma Yamaguchi. "Passo dopo passo abbiamo spinto i limiti della crescita basata sull'"auto-organizzazione" dei QD e siamo riusciti a produrre prodotti altamente ordinati, densità ultra-elevate di QD."

La realizzazione di una densità di QD senza precedenti di 5 x 10 ¹¹ cm ^-2 nel 2011 è stata una delle principali pietre miliari nello sviluppo di QD semiconduttori basati sull'"auto-organizzazione" per celle solari da parte di Yamaguchi e dei suoi colleghi dell'Università di Electro-Communications (UEC). "Questa densità è stata uno dei progressi critici per ottenere dispositivi fotovoltaici basati su punti quantici ad alta efficienza, "dice Yamaguchi.

Nello specifico, Yamaguchi e il suo gruppo hanno utilizzato l'epitassia a fascio molecolare (MBE) per far crescere uno strato di InAs QD con una densità di 5 x 10 ¹¹ cm ^-2 su substrati di GaAsSb/GaAs (100). È importante sottolineare che la svolta che ha prodotto questa alta densità di QD altamente ordinati è stata la scoperta che la crescita di InAs a una temperatura del substrato relativamente bassa di 470 gradi Celsius su strati di GaAs irradiati da Sb ha soppresso la coalescenza o "maturazione" dei QD di InAs osservati a temperature più elevate. Pertanto, la combinazione dell'effetto tensioattivo Sb e della temperatura di crescita più bassa ha prodotto QD di InAs con un'altezza media di 2,02,5 nm.

Il potenziale per le applicazioni dei dispositivi fotovoltaici è stato esaminato inserendo un singolo strato di InAs QD in una struttura cellulare pin-GaAs. L'efficienza quantica esterna risultante di queste strutture di celle solari nell'intervallo di lunghezze d'onda da 900 a 1150 nm era superiore rispetto ai dispositivi con lo strato QD.

"Studi teorici suggeriscono che le celle solari QDs potrebbero produrre efficienze di conversione superiori al 50%, " spiega Yamaguchi. "Questo è un obiettivo molto impegnativo, ma speriamo che il nostro approccio innovativo sia un mezzo efficace per produrre tali celle solari ad alte prestazioni basate su QD. Abbiamo recentemente ottenuto QD InAs con una densità di 1 x 10 ¹² cm ^-2 ."