光電変換デバイス
【課題】高感度でかつ光信号への高い応答性を、有機光電変換材料を用いて実現できる光電変換デバイスを得ることを目的とする。
【解決手段】支持基板上に、第１の電極層と有機光電変換材料を含む光電変換層と第２の電極層とをこの順に配置し、入射する光エネルギーあるいは光信号を電気エネルギーあるいは電気信号に変換する光電変換デバイスであって、前記第１及び第２の電極層の少なくとも一方の電極層の面積は、前記光電変換層における前記第１及び第２の電極層の配置領域と重なる光電変換領域の面積よりも小さいことを特徴とする。
【解決手段】支持基板上に、第１の電極層と有機光電変換材料を含む光電変換層と第２の電極層とをこの順に配置し、入射する光エネルギーあるいは光信号を電気エネルギーあるいは電気信号に変換する光電変換デバイスであって、前記第１及び第２の電極層の少なくとも一方の電極層の面積は、前記光電変換層における前記第１及び第２の電極層の配置領域と重なる光電変換領域の面積よりも小さいことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換部に有機光電変換材料を用いた光電変換デバイスに関し、特に、光エネルギーを電気エネルギーに変換して発電する太陽電池や、光通信における可視光を含む光信号の受信装置に用いるのに好適な光電変換デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光を媒体として無線通信を行う場合の方法としては赤外光や電波を用いて行うことが一般的であった。それは、伝達効率が高いこと、電波では障害物を回り込んで遠くまで信号を伝達できることなどの利点があるためである。一方、可視光を用いた場合は光が目に見えるため信号の発信源を容易に知ることができること、受信者側にて信号を目で見て選択できること、特にセキュリティ上の観点から、送信者及び受信者を特定できることが利点として挙げられる。さらに、電波法による制限がなく、広域通信が可能である。
【０００３】
また、照明用として注目を浴びている半導体発光素子であるＬＥＤ光源を用いた信号伝達、つまりＬＥＤ光源の高速点滅によるデータ伝達が可能になりつつあり、高速通信の可能性も大きいと考えられている。このような可視光を用いた通信では、例えば非特許文献１に記載されているように、発信側では、可視光光源として主にＬＥＤ、蛍光灯などが用いられ、また受信側では、光電変換部としてフォトダイオードやＣＣＤ、ＣＭＯＳセンサーなどの光電変換デバイスが用いられている。
【０００４】
ところで、例えば、非特許文献２では、上記光電変換部に有機光電変換材料を用いた光電変換デバイスを適用した提案がなされている。有機光電変換材料を用いた光電変換デバイスは、従来の無機のフォトダイオード、ＣＣＤ、ＣＭＯＳなどのような半導体プロセスを必要とせずに、従来の無機のフォトダイオード、ＣＣＤ、ＣＭＯＳなどの光電変換デバイスと同様の機能を発現できる。
【０００５】
そして、有機光電変換材料を用いた光電変換デバイスは、塗布工程などの簡便なプロセスにより光電変換層の製造が可能となるので、大面積の光電変換デバイスの製造が容易になり、高感度及び高変換効率の光電変換デバイスが期待できる。そのため、有機光電変換材料を用いた光電変換デバイスは、非常に注目を集めているデバイスであり、特に太陽電池の分野において様々な研究が行われている。
【０００６】
有機光電変換材料を用いた光電変換デバイスは、一般に、一対の電極層に挟まれた有機光電変換層に外部からの光信号あるいは光エネルギーを取り込んで電子と正孔とを発生させ、電気信号あるいは電気エネルギーとして電極層へ取り出す構造になっている。これらの電極層として、一般的に、光を取り込む側の電極層には透明電極が用いられ、もう一方の電極層にはアルミニウムや銀などの金属薄膜が用いられる。
【非特許文献１】可視光通信の世界 ＬＥＤで拓く「あかりコミュニケーション」中川正雄監修 可視光通信コンソーシアム編 工業調査会 ＩＳＢＭ４−７６９３−１２５１−２
【非特許文献２】Ｇ．Ｙｕ、Ｙ．Ｃａｏ、Ｊ．Ｗａｎｇ、Ｊ．ＭｃＥｌｖａｉｎ ａｎｄ Ａ．Ｊ．Ｈｅｅｇｅｒ、Ｓｙｎｔｈ．Ｍｅｔ．１０２、９０４（１９９９）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の有機光電変換材料を用いた光電変換デバイスは、コスト面、製造面でメリットがあり、感度を大きくするために光電変換領域を大面積にすることは容易である。しかし、有機光電変換材料を含む光電変換層が２層の電極層で挟まれた構造になっているので、光通信における受信デバイスとして用いる場合、デバイスの静電容量が大きくなってしまい光信号の応答性能が悪くなり、高速通信ができなくなるという問題がある。つまり、有機光電変換材料を用いた光電変換デバイスでは、光電変換デバイスの感度つまり面積と、応答性能とがトレードオフの関係にあるので、双方を同時に高めることは困難である。
【０００８】
また、入力される光信号あるいは光エネルギーは、電極層で一部が吸収されて減少するので、十分な光信号あるいは光エネルギーが有機光電変換材料を含む光電変換層まで到達することができず、高感度あるいは高変換効率の光電変換デバイスを得ることができなかった。
【０００９】
さらに、有機光電変換材料を含む光電変換層への電気抵抗値が大きくなれば同様に光信号の応答性能が悪くなるので、高速通信ができなくなる。そのため、電極層の低抵抗化も必要である。
【００１０】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、高感度でかつ光信号への高い応答性を、有機光電変換材料を用いて実現できる光電変換デバイスを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した目的を達成するために、本発明の光電変換デバイスは、基板上に、第１の電極層と、第２の電極層と、前記第１の電極層と前記第２の電極層の間に配置される光電変換層を配置し、入射光を電気信号に変換する光電変換デバイスであって、前記第１の電極層と前記光電変換層の接触面が有する第１の面積は、前記第２の電極層と前記光電変換層の接触面が有する第２の面積よりも小さいことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、第１の電極層と光電変換層の接触面が有する第１の面積が第２の電極層と光電変換層の接触面が有する第２の面積よりも小さいので、第１の電極層と第２の電極層の間に形成される静電容量を低減することができる。また、光を第１の電極層側から光電変換層へ入射する場合に、当該第１の電極層の無い領域を透過する光の減衰量は、当該第１の電極層を透過する光の減衰量よりも少ないので、光電変換層へ入射する光量を増加させることができる。したがって、有機光電変換材料を用いた光電変換デバイスの、光電変換の感度と応答性能とを高めることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
第１の発明は、基板上に、第１の電極層と、第２の電極層と、前記第１の電極層と前記第２の電極層の間に配置される光電変換層を配置し、入射光を電気信号に変換する光電変換デバイスであって、前記第１の電極層と前記光電変換層の接触面が有する第１の面積は、前記第２の電極層と前記光電変換層の接触面が有する第２の面積よりも小さいことを特徴とする光電変換デバイスである。
【００１４】
この構成によれば、第１の電極層と光電変換層の接触面が有する第１の面積が第２の電極層と光電変換層の接触面が有する第２の面積よりも小さいので、第１の電極層と第２の電極層の間に形成される静電容量を低減することができる。また、光を第１の電極層側から光電変換層へ入射する場合に、当該第１の電極層の無い領域を透過する光の減衰量は、当該第１の電極層を透過する光の減衰量よりも少ないので、光電変換層へ入射する光量を増加させることができる。したがって、有機光電変換材料を用いた光電変換デバイスの、光電変換の感度と応答性能とを高めることができるという効果を奏する。
【００１５】
第２の発明は、前記基板は、光を透過する機能を有することを特徴とする光電変換デバイスである。
【００１６】
この構成によれば、基板が光を透過するので、光電変換層に到達する光量をより増加させることができる。したがって、有機光電変換材料を用いた光電変換デバイスの、光電変換の感度と応答性能とをより高めることができるという効果を奏する。
【００１７】
第３の発明は、前記第１の電極層は、光を透過する機能を有することを特徴とする光電変換デバイスである。
【００１８】
この構成によれば、第１の電極層が光を透過するので、光電変換層に到達する光量をより増加させることができる。したがって、有機光電変換材料を用いた光電変換デバイスの、光電変換の感度と応答性能とをより高めることができるという効果を奏する。
【００１９】
第４の発明は、前記第１の電極層が、前記第２の電極層と前記光電変換層の接触面内に分散して複数個設けられ、全てが電気的に接続されていることを特徴とする光電変換デバイスである。
【００２０】
この構成によれば、前記第２の電極層と前記光電変換層の接触面内に複数の光電変換素子を形成できるので、光電変換の効率を高めることができる。また、第１の電極が形成されていない部分が生じるので、静電容量を低減させることも可能である。なお、第１の電極の数は、光電変換デバイスが用いられる用途に応じて変更しても良い。
【００２１】
第５の発明は、前記第１の電極層と前記光電変換層との間に、正孔あるいは電子が移動する機能を有する電荷移動層が配置されていることを特徴とする光電変換デバイスである。
【００２２】
この構成によれば、光電変換層で発生した正孔あるいは電子を、第１の電極層に効率良く導くことができるので、高感度及び高変換効率の光電変換デバイスを得ることができるという効果を奏する。
【００２３】
第６の発明は、前記基板と前記第１の電極層との間の少なくとも一部に、電荷を移動する機能を有する電荷導電層が設けられていることを特徴とする光電変換デバイスである。
【００２４】
この構成によれば、光電変換層で発生した正孔あるいは電子を、第１の電極層に効率良く導くことができるので、高感度及び高変換効率の光電変換デバイスを得ることができるという効果を奏する。
【００２５】
第７の発明は、前記第１の電極層と前記光電変換層との間の少なくとも一部に、電荷を移動する機能を有する電荷導電層が設けられていることを特徴とする光電変換デバイスである。
【００２６】
この構成によれば、光電変換デバイスの電気抵抗を低くすることができ、光信号への応答性能を良くすることができる。
【００２７】
第８の発明は、前記第１の電極層と前記電荷移動層との間の少なくとも一部に、電荷を移動する機能を有する電荷導電層が設けられていることを特徴とする光電変換デバイスである。
【００２８】
この構成によれば、光電変換デバイスの電気抵抗を低くすることができ、光信号への応答性能を良くすることができる。
【００２９】
第９の発明は、λｉ＝光入射側の電極層の単位面積あたりの光透過率、λｍ＝電荷導電層の単位面積あたりの光透過率、Ｓ＝光電変換する領域の面積、α＝光電変換する領域の面積に対して面積が小さい電極層の面積の割合（α＜１）、β＝光電変換する領域の面積に対して面積が小さい電極層と電荷導電層が積層された面積の割合（β≦α＜１）としたとき、Ｓ×λｉ≦Ｓ×（α−β）×λｉ＋Ｓ×β（λｍ×λｉ）＋（１−α）Ｓを満たすことを特徴とする光電変換デバイスである。
【００３０】
この構成によれば、光電変換層に到達する光エネルギーあるいは光信号が大きくなるので、より高感度及び高変換効率の光電変換デバイスを得ることができるという効果を奏する。
【００３１】
本発明は、端的には、光電変換部に有機光電変換材料を用いて、光エネルギーを電気エネルギーに変換して発電する太陽電池に用いるのに適し、また、光通信における可視光を含む光信号の受信装置に用いるのに適した光電変換特性を有する光電変換デバイスを実現することを企図している。
【００３２】
ここでは、図１〜図４を参照して、利用分野の一例として光通信における可視光を含む光信号の受信装置の構成例等と応答性について説明する。なお、図１は、本発明に係る光電変換デバイスの利用分野の一例（可視光通信）を示す図である。図２は、本発明に係る光電変換デバイスの利用装置の一例を示す図である。図３は、図２に示す利用装置の構成例を示すブロック図である。図４は、光通信で使用する場合の光電変換デバイスにおける静電容量あるいは電気抵抗と応答性能との関係を示す特性図である。
【００３３】
図１において、光源（例えば室内の蛍光灯やＬＥＤなど照明）１から射出される可視光２は、制御装置３により変調されている。この変調された可視光２が室内にある携帯型の端末装置４に照射される。端末装置４は、入射した可視光２を音声など電気信号に変換する機能を有している。
【００３４】
端末装置４は、図２に示すように、可視光２を受光（受信）するための受光部５と、音声や画像、文字などのデータを出力させる出力部６とを備えている。受光部５に、本発明に係る光電変換デバイスが適用される。
【００３５】
この端末装置４では、図３に示すように、受光部５が到達した可視光２に含まれる信号を受信し、Ｉ−Ｖ変換部７、バンドパスフィルタ８、増幅器９、復調回路１０を通じて出力部６へと送られ、出力信号１１として取り出される。
【００３６】
次に、図４において、横軸は時間Ｔ（ｓ）、縦軸Ｖ0は光電変換デバイスの変換信号の出力振幅である。図４では、応答性能が早い出力波形１２ａと応答性能が遅い出力波形１２ｂとが示されている。
【００３７】
応答性能が早い出力波形１２ａの時定数はτ１であり、応答性能が遅い出力波形１２ｂの時定数はτ２である。出力波形の約６３％で定義される時定数（τ）は、光電変換デバイスの静電容量（Ｃ）と電気抵抗（Ｒ）との間に、τ＝Ｃ×Ｒの関係がある。この関係から、静電容量（Ｃ）あるいは電気抵抗（Ｒ）が大きいと、時定数（τ）が大きくなり、応答性能が遅くなる。つまり、可視光通信の通信速度が遅くなることが解る。
【００３８】
そこで、本滅明は、以下に示すように、光電変換デバイスの静電容量と電気抵抗の一方または双方を低くする構成を実現している。また、併せて、高感度の変換特性を有する構成を実現している。以下に図面を参照して、本発明に係る光電変換デバイスの好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、本発明は以下に説明する実施の形態に限定されるものではない。
【００３９】
（実施の形態１）
図５は、本発明の実施の形態１による光電変換デバイスの構成を示す図であり、図５（ａ）は平面概略図、図５（ｂ）は図５（ａ）に示すＡ−Ａ’断面概略図、図５（ｃ）は図５（ａ）に示すＢ−Ｂ’断面概略図である。なお、図５では、本発明の理解を容易にするため、主な構成要素のみを図示してある。
【００４０】
図５に示すように、本実施の形態１による光電変換デバイスは、支持基板１５上に、電極層１６ａ、有機光電変換材料を含む光電変換層（以降、単に「光電変換層」という）１７、電極層１６ｂがこの順に積層されている。
【００４１】
入射光１４は、例えば可視光である。それ故、光電変換層１７は、今の例では、可視光の範囲の波長を主に光電変換する機能を有する。
【００４２】
入射光１４は、図５では、支持基板１５の側から入射しているが、逆に、電極層１６ｂ側から入射しても良い。支持基板１５の側から入射している図５に示す場合は、支持基板１５及び電極層１６ａに光を透過する機能を持たせている。電極層１６ｂ側から入射する場合は、同様に、電極層１６ｂに光を透過する機能を持たせれば良い。
【００４３】
電極層１６ａ，１６ｂは、一方が陰極となり、他方が陽極となる。電極層１６ｂは、配置領域の全面が電極として機能するが、電極層１６ａは、配置領域内に格子状に配置される□で示す正方形をした各小面積領域のみが電極として機能する。つまり、格子状に配置される正方形をした各小面積が電極層１６ａである。小面積の全電極層１６ａは、全て電気的に接続されている。
【００４４】
図５（ａ）に示すように、小面積の電極層１６ａの配置領域は、電極層１６ｂの形成面積と等しく、電極層１６ｂと同様に長四角の形状をしていて、互いに十字状に交差して配置されている。光電変換領域１３は、光電変換層１７において、小面積の電極層１６ａの配置領域と電極層１６ｂとが交差している全領域である。
【００４５】
このように、小面積の多数の電極層１６ａが、光電変換領域１３に対して適宜な間隔で分散して配置される形態になっている。この電極層配置形態においては、小面積の各電極層１６ａの相互間は静電容量に寄与しないスペース（非電極）となり、このスペース部分の面積に相当する静電容量が低減される。
【００４６】
これによって、光電変換領域１３の全面積に相当する静電容量よりも小さい静電容量が得られる。図５では、電極層１６ｂは、全面が電極となる構成であるが、電極層１６ａと同様の構成とすれば、一層、小さい静電容量が得られる。したがって、光信号に対する応答性能の優れた光電変換デバイスを得ることができる。
【００４７】
そして、図５に示すように、支持基板１５側から光を取り入れる構成とする場合、支持基板１５側に配置される小面積の電極層１６ａを作り付ける素材には、光を透過する素材が用いられる。そのため、支持基板１５側からの入射光１４は、小面積の電極層１６ａの配置領域では、小面積の多数の電極層１６ａと、上記スペース部分とを透過する。このとき、透過光の減衰量は、電極層１６ａの方が上記スペース部分よりも大きい。
【００４８】
そうすると、小面積の多数の電極層１６ａで生ずる透過光の減衰量を上記スペース部分での減衰の少ない透過光が補う形で、入射光１４が光電変換層１７に到達するので、むしろ入射光１４の透過率を高めることができる。これによって、光電変換層１７での電荷の発生効率を上げることができ、光電変換の感度が優れた光電変換デバイスを得ることができる。
【００４９】
換言すれば、電極層１６ｂ側から光を取り入れる構成では、電極層１６ｂの全面で透過光の減衰が起こり、入射光１４の透過率が一段と下がるので、光電変換の感度の点では、図５に示すように支持基板１５側から光を取り入れる構成とする方が好ましいと言える。勿論、電極層１６ｂも電極層１６ａと同様の構成にする場合は、入射光１４はいずれの方から取り込んでも、入射光１４の透過率を高めることができることは言うまでもない。
【００５０】
また、小面積の多数の電極層１６ａの配置領域は、図５に示す例では、光電変換領域１３を上下方向にはみ出して延在している。このはみ出し領域内に光電変換層１７が存在する。そうすると、はみ出し領域への入射光１４によって、光電変換層１７では光電変換作用により正孔あるいは電子が発生するが、その発生した正孔あるいは電子は、はみ出し領域内の電極層１６ａに到達する。つまり、光電変換領域１３の外で発生した正孔あるいは電子を逃がすことなく捕捉できるので、効率良く光電変換させることができる。したがって、より高感度及び高変換効率の光電変換デバイスを得ることができる。
【００５１】
なお、光電変換領域１３に設けられる電極層ａの数は、光電変換デバイスの用途に応じて変更することが望ましい。
【００５２】
図６は、図５に示す光電変換デバイスにおける光電変換動作を説明する図である。図６では、図５に示す光電変換領域１３の一部を拡大して示してある。図６に示すように、外部からの入射光１４が支持基板１５及び小面積の各電極層１６ａを透過して光電変換層１７に到達し、プラス電荷１８とマイナス電荷１９とを発生させると、それぞれの電荷が２つの電極である電極層１６ａ及び電極層１６ｂへと移動することにより光電変換が行われる。
【００５３】
図６では、電極層１６ａが陰極であり、電極層１６ｂが陽極であるとしているので、プラス電荷１８が電極層１６ａへ、マイナス電荷１９が電極層１６ｂへと流れた場合を示している。図６に示す光電変換では、光電変換層１７としてプラス電荷１８の移動度の大きいものが望まれる。
【００５４】
また、小面積の各電極層１６ａあるいは電極層１６ｂのパターンのデザインによって、光電変換領域１３の面積に対して電極層１６ａの面積が９０％〜１％レベル、好ましくは５０％〜１０％レベルに減ずることで静電容量も同等の量に減ずることができる。静電容量は、より少なくすることが好ましいが、極端に電極層１６ａあるいは電極層１６ｂの面積を減ずると、光電変換層１７で発生した電荷の光電変換層１３内での移動距離が長くなってしまう。そうすると、移動する間にプラス電荷１８とマイナス電荷１９とが再結合してしまうため、ある程度の面積の電極層１６ａあるいは電極層１６ｂとする必要がある。特に、小面積の各電極層１６ａ相互間のスペース幅は、光電変換層１７におけるプラス電荷１８あるいはマイナス電荷１９の移動度にも依存するが１０ｍｍ以下が望ましい。
【００５５】
次に、図７は、従来の光電変換デバイスの構成例を示し、図７（ａ）は平面概略図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）に示すＡ−Ａ’断面概略図、図７（ｃ）は図７（ａ）に示すＢ−Ｂ’断面概略図である。なお、図７では、説明の便宜から、図５に示した要素と同一名称要素には、図５で用いた符号と同じ符号を付してある。
【００５６】
図７に示すように、従来の光電変換デバイスは、光電変換領域１３に対して、電極層１６ａは、電極層１６ｂと同様に全面が電極となる形で配置される。そのため、光電変換領域１３の全面積に渡り、電極層１６ａと電極層１６ｂとで挟まれたコンデンサーが構成されるので、従来の光電変換デバイスは、光電変換領域１３の全面積に相当する静電容量を有してしまう。
【００５７】
これに対して、図５に示す本実施の形態１による光電変換デバイスでは、電極層１６ａを正方形の小さい面積のもので構成し、その小さい面積の多数の電極層１６ａが格子状に分散して配置されるので、小面積の各電極層１６ａの相互間は静電容量を構成しないスペースとなり、このスペース部分の面積に相当する静電容量が低減される。よって、本実施の形態１による光電変換デバイスは、より応答性能の優れた光電変換デバイスとなっている。
【００５８】
次に、図８は、図５に示す光電変換デバイスに対する比較例を示し、図８（ａ）は平面概略図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）に示すＡ−Ａ’断面概略図、図８（ｃ）は図８（ａ）に示すＢ−Ｂ’断面概略図である。なお、図８では、図７と同様に説明の便宜から、図５に示した要素と同一名称要素には、図５で用いた符号と同じ符号を付してある。
【００５９】
静電容量を低減する方策として、例えば図８に示すように、電極層１６ａを、短冊状に配置する構成が考えられる。しかし、この構成では、光電変換領域１３の外側に配置される短冊状の電極層１６ａが、光電変換層１７で光電変換作用により発生した正孔あるいは電子を引き込むので、発生した正孔あるいは電子が光電変換領域１３の外に逃げてしまい効率良く光電変換させることができない。
【００６０】
この点、本実施の形態１による光電変換デバイスでは、多数の電極層１６ａは、短冊状に形成した電極よりも小面積となるので、光電変換層で発生した正孔あるいは電子が電極に引き込まれることが抑制されるので、正孔あるいは電子が光電変換領域１３の外に漏れることを抑制することが可能になる。よって、光電変換領域１３の外側に配置される電極層１６ａが捕捉した正孔あるいは電子も変換対象とすることができ、効率良く光電変換させることができる。
【００６１】
以上のように、本実施の形態１によれば、有機光電変換材料を含む光電変換層を挟んで対向配置される一対の電極層の少なくとも一方の電極層の面積を光電変換領域の面積に対して小さくしたので、一対の電極層の間に形成される静電容量は光電変換領域の全面積に電極層がある場合と比較して小さくなり、光信号への応答性能を良くすることができる。
【００６２】
また、小面積の電極層は光を透過する機能を有する構成とすることができる。この場合は、小面積の電極層の配置領域では、その小面積の電極層での透過光の減衰量が、小面積の電極層が設けられていないスペース部分での透過光が補うので、入射光の透過率を高めることができ、電荷の発生効率を上げ、高感度及び高変換効率の光電変換デバイスを得ることができる。
【００６３】
また、支持基板側から光を取り入れる構成が可能となるので、ガラス板や透明樹脂板などの光を透過する機能を有する支持基板上に光電変換デバイスを構成することができ、より簡単な構造の光電変換デバイスを構成することができる。
【００６４】
加えて、光電変換デバイスを支持基板上に形成する構成とすることができるので、光電変換デバイスは、支持基板上に順次電極層、有機光電変換材料を含む光電変換層などを成膜することで作製可能となり、より簡便に光電変換デバイス作製が可能となる。
【００６５】
（実施の形態２）
図９は、本発明の実施の形態２による光電変換デバイスの構成を示す図であり、図９（ａ）は平面概略図、図９（ｂ）は図９（ａ）に示すＡ−Ａ’断面概略図、図９（ｃ）は図９（ａ）に示すＢ−Ｂ’断面概略図である。なお、図９では、図５（実施の形態１）で示した構成と同一ないしは同等である構成要素に同一の符号を付してある。ここでは、本実施の形態２に関わる部分を中心に説明する。
【００６６】
図９に示すように、本実施の形態２による光電変換デバイスは、図５（実施の形態１）で示した構成において、小面積の多数の電極層１６ａの配置領域と光電変換層１７との間に、光電変換層１７よりも広い面積の電荷移動層２０が設けられている。
【００６７】
電荷移動層２０は、正孔あるいは電子が移動する領域である。この電荷移動層２０は、電極層１６ａが陽極であれば正孔の移動度が低い材料で成膜され、電極層１６ａが陰極であれば電子の移動度が低い材料で成膜されている。これによって、光電変換層１７で発生した正孔あるいは電子を、電極層１６ａに効率良く導く役割を果たすので、高感度及び高変換効率の光電変換デバイスを得ることができる。
【００６８】
図１０は、図９に示す光電変換デバイスにおける光電変換動作を説明する図である。図１０では、図９に示す光電変換領域１３の一部を拡大して示してある。図１０に示すように、外部からの入射光１４が支持基板１５及び小さい面積の各電極層１６ａを透過して光電変換層１７に到達し、プラス電荷１８とマイナス電荷１９とを発生させると、それぞれの電荷が２つの電極である電極層１６ａ及び電極層１６ｂへと移動することにより光電変換が行われる。
【００６９】
図１０では、電極層１６ａが陰極であり、電極層１６ｂが陽極であるとしているので、プラス電荷１８が電極層１６ａへ、マイナス電荷１９が電極層１６ｂへと流れた場合を示している。この場合は、電荷移動層２０は、電子の移動度が低い材料で成膜されているので、プラス電荷１８を電極層１６ａに速やかに移動させることができ、高感度及び高変換効率を実現できる。
【００７０】
次に、製造方法の一例を示す。
【００７１】
支持基板１５として用いる無アルカリガラス基板上に、スパッタリング法により、膜厚１６０ｎｍのＩＴＯ膜を形成し、その後、ＩＴＯ膜上にレジスト材をスピンコート法により塗布して厚さ１０μｍのレジスト膜を形成し、マスク露光、現像してレジスト膜を所定の形状にパターン形成した。
【００７２】
次に、このガラス基板を６０℃で５０％の塩酸中に浸漬して、レジスト膜が形成されていない部分のＩＴＯ膜をエッチングした後、レジスト膜も除去し、格子状の小面積ＩＴＯつまり電極層１６ａをパターニングした。
【００７３】
続いて電荷移動層２０を、基板面にＰＥＤＯＴを０．４５μｍのフィルターを通して滴下し、スピンコート法によって均一に塗布し、それを２００℃のクリーンオーブン中で３０分間加熱することで、形成した。
【００７４】
次に、約１００ｎｍの光電変換層１７を、ポリ（２−メトキシ−５−（２’−エチルヘキシルオキシ）−１，４−フェニレンビニレン）（ＭＥＨ−ＰＰＶ）と［５，６］−フェニル Ｃ６１ ブチリックアシッドメチルエステル（［５，６］−ＰＣＢＭ）との重量比１：４のクロロベンゼン溶液をスピンコート法によって塗布し、１００℃のクリーンオーブン中で３０分間加熱処理することで、形成した。
【００７５】
続いて電極層１６ｂを、０．２７ｍＰａ（＝２×１０-6Ｔｏｒｒ）以下の真空度まで減圧した抵抗加熱蒸着装置内で、ＬｉＦを２ｎｍ及びＡｌを約１００ｎｍの膜厚で成膜して形成した。
【００７６】
最後に、光電変換領域１３を含む光電変換層１７の外部酸素や水分による劣化を防止するための封止手段として、デバイス上にカバーガラス板を光硬化性エポキシ樹脂で接着することで封止部を形成した。
【００７７】
以上のように、実施の形態２によれば、正孔あるいは電子が移動する機能を有する電荷移動層を小面積の電極層の配置領域と光電変換層との間に介在させ、該電荷移動層での正孔あるいは電子の移動度を小面積の電極層の極性に応じて定めるので、光電変換層に発生した電子あるいは正孔を小面積の電極層に導く際に、速やかに移動させることができ、より高感度及び高変換効率の光電変換デバイスを得ることができる。
【００７８】
（実施の形態３）
図１１は、本発明の実施の形態３による光電変換デバイスの構成を示す図であり、図１１（ａ）は平面概略図、図１１（ｂ）は図１１（ａ）に示すＡ−Ａ’断面概略図、図１１（ｃ）は図１１（ａ）に示すＢ−Ｂ’断面概略図である。なお、図１１では、図５（実施の形態１）で示した構成と同一ないしは同等である構成要素に同一の符号を付してある。ここでは、本実施の形態３に関わる部分を中心に説明する。
【００７９】
図１１（ｂ）（ｃ）に示すように、本実施の形態３による光電変換デバイスは、図５（実施の形態１）で示した構成において、支持基板１５と電極層１６ａとの間に、電荷導電層２１が設けられている。
【００８０】
この電荷導電層２１は、電気抵抗の低い材料で構成されている。これによって、低い電気抵抗が確保でき、光信号への応答性能を良くすることができる。なお、図１１では、電荷導電層２１は、電極層１６ａの配置領域と同等の面積領域に設けられているが、電極層１６ａの配置領域の一部分のみに設けられていても良い。
【００８１】
次に、製造方法の一例を示す。
【００８２】
支持基板１５として用いる無アルカリガラス基板上に、０．２７ｍＰａ（＝２×１０-6Ｔｏｒｒ）以下の真空度まで減圧した抵抗加熱蒸着装置内で、マスクを介してＡｌを約１００ｎｍの膜厚で成膜して電荷導電層２１をパターン形成した。
【００８３】
次に、スパッタリング法により、膜厚１６０ｎｍのＩＴＯ膜を形成し、その後、ＩＴＯ膜上にレジスト材をスピンコート法により塗布して厚さ１０μｍのレジスト膜を形成し、マスク露光、現像してレジスト膜を所定の形状にパターン形成した。次に、このガラス基板を６０℃で５０％の塩酸中に浸漬して、レジスト膜が形成されていない部分のＩＴＯ膜をエッチングした後、レジスト膜も除去し、格子状のＩＴＯつまり電極層１６ａをパターニングした。
【００８４】
次に、約１００ｎｍの光電変換層１７を、ポリ（２−メトキシ−５−（２’−エチルヘキシルオキシ）−１，４−フェニレンビニレン）（ＭＥＨ−ＰＰＶ）と［５，６］−フェニル Ｃ６１ ブチリックアシッドメチルエステル（［５，６］−ＰＣＢＭ）との重量比１：４のクロロベンゼン溶液をスピンコート法によって塗布し、１００℃のクリーンオーブン中で３０分間加熱処理することで、形成した。
【００８５】
続いて電極層１６ｂを、０．２７ｍＰａ（＝２×１０-6Ｔｏｒｒ）以下の真空度まで減圧した抵抗加熱蒸着装置内で、ＬｉＦを２ｎｍ及びＡｌを約１００ｎｍの膜厚で成膜して形成した。
【００８６】
最後に、光電変換領域１３を含む光電変換層１７の外部酸素や水分による劣化を防止するための封止手段として、デバイス上にカバーガラス板を光硬化性エポキシ樹脂で接着することで封止部を形成した。
【００８７】
以上のように、本実施の形態３によれば、支持基板と小面積の電極層との間に、低抵抗の電荷導電層を設けてあるので、低い電気抵抗値を確保でき、光信号への応答性能に優れた光電変換デバイスが得られる。なお、本実施の形態３では、実施の形態１への適用例を示すが、実施の形態２にも同様に適用することができる。
【００８８】
（実施の形態４）
図１２は、本発明の実施の形態４による光電変換デバイスの構成を示す図であり、図１２（ａ）は平面概略図、図１２（ｂ）は図１２（ａ）に示すＡ−Ａ’断面概略図、図１２（ｃ）は図１２（ａ）に示すＢ−Ｂ’断面概略図である。なお、図１２では、図５（実施の形態１）で示した構成と同一ないしは同等である構成要素に同一の符号を付してある。ここでは、本実施の形態４に関わる部分を中心に説明する。
【００８９】
図１２（ｂ）（ｃ）に示すように、本実施の形態４による光電変換デバイスは、図５（実施の形態１）で示した構成において、小面積の多数の電極層１６ａの配置領域と光電変換層１７との間に、電荷導電層２１が設けられている。
【００９０】
この電荷導電層２１は、電気抵抗の低い材料で構成されている。これによって、低い電気抵抗が確保でき、光信号への応答性能を良くすることができる。なお、図１２では、電荷導電層２１は、小面積の多数の電極層１６ａの配置領域と同等の領域に設けられているが、電極層１６ａの配置領域の一部分のみに設けられていても良い。
【００９１】
以上のように、本実施の形態４によれば、小面積の多数の電極層の配置領域と光電変換層との間に、低抵抗の電荷導電層を設けてあるので、低い電気抵抗値を確保でき、光信号への応答性能に優れた光電変換デバイスが得られる。なお、本実施の形態４では、実施の形態１への適用例を示すが、実施の形態２にも同様に適用することができる。
【００９２】
（実施の形態５）
図１３は、本発明の実施の形態５による光電変換デバイスの構成を示す図であり、図１３（ａ）は平面概略図、図１３（ｂ）は図１３（ａ）に示すＡ−Ａ’断面概略図、図１３（ｃ）は図１３（ａ）に示すＢ−Ｂ’断面概略図である。なお、図１３では、図９（実施の形態２）で示した構成と同一ないしは同等である構成要素に同一の符号を付してある。ここでは、本実施の形態５に関わる部分を中心に説明する。
【００９３】
図１３（ｂ）（ｃ）に示すように、本実施の形態５による光電変換デバイスは、図９（実施の形態２）で示した構成において、小面積の多数の電極層１６ａの配置領域と電荷移動層２０との間に、電荷導電層２１が設けられている。
【００９４】
この電荷導電層２１は、電気抵抗の低い材料で構成されている。これによって、低い電気抵抗が確保でき、光信号への応答性能を良くすることができる。なお、図１３では、電荷導電層２１は、電極層１６ａの配置領域と同等の領域に設けられているが、電極層１６ａの配置領域の一部分のみに設けられていても良い。
【００９５】
以上のように、本実施の形態５によれば、小面積の多数の電極層の配置領域と電荷移動層との間に、低抵抗の電荷導電層を設けてあるので、低い電気抵抗値を確保でき、光信号への応答性能に優れた光電変換デバイスが得られる。
【００９６】
（実施の形態６）
図１４は、本発明の実施の形態６による光電変換デバイスの構成を示す図であり、図１４（ａ）は平面概略図、図１４（ｂ）は図１４（ａ）に示すＡ−Ａ’断面概略図、図１４（ｃ）は図１４（ａ）に示すＢ−Ｂ’断面概略図である。なお、図１４では、図５（実施の形態１）で示した構成と同一ないしは同等である構成要素に同一の符号を付してある。ここでは、本実施の形態６に関わる部分を中心に説明する。
【００９７】
図１４に示すように、本実施の形態６による光電変換デバイスは、図５（実施の形態１）で示した構成において、電極層１６ｂに代えて電極層１６ｂ’が設けられている。
【００９８】
電極層１６ｂ’は、小面積の電極層１６ａが格子状に配置される領域と交差する全範囲において、各電極層１６ａ相互間のスペース部分に対応する領域が非電極となる形態で、その小面積非電極部分が格子状に形成されている。
【００９９】
以上のように、本実施の形態６によれば、光電変換領域を挟む２つの電極層の静電容量に寄与する面積を小さくすることができるので、一層静電容量を低減させることができ、応答性能の優れた光電変換デバイスを得ることができる。
【０１００】
（実施の形態７）
図１５は、本発明の実施の形態７による光電変換デバイスの構成を示す図であり、図１５（ａ）は平面概略図、図１５（ｂ）は図１５（ａ）に示すＡ−Ａ’断面概略図、図１５（ｃ）は図１５（ａ）に示すＢ−Ｂ’断面概略図である。なお、図１５では、図５（実施の形態１）で示した構成と同一ないしは同等である構成要素に同一の符号を付してある。ここでは、本実施の形態７に関わる部分を中心に説明する。
【０１０１】
図１５に示すように、本実施の形態７による光電変換デバイスは、入射光１４が実施の形態１とは異なり、電極層１６ｂ側から導入される。つまり、電極層１６ｂは、光を透過する機能を有する素材で構成されている。
【０１０２】
本実施の形態７による光電変換デバイスによっても、実施の形態１と同様の作用・効果が得られる。なお、本実施の形態７では、実施の形態１への適用例を示すが、実施の形態２〜６にも同様に適用することができる。
【０１０３】
ここで、実施の形態４（図１２）、実施の形態５（図１３）では、光電変換層１７に到達する光エネルギーあるいは光信号を確保するために、光電変換領域１３への平均の光透過率が光電変換領域の面積と同等の面積の電極層を仮定したときの平均の光透過率よりも大きくなるように、光入射側の電極層（１６ａまたは１６ｂ）の単位面積あたりの光透過率、電荷導電層２１の単位面積あたりの光透過率、光電変換領域１３の面積、電極層１６ａの配置領域に対する電荷導電層２１の面積の割合を、以下に示す条件で選定している。
【０１０４】
即ち、λｉを光入射側の電極層（１６ａまたは１６ｂ）の単位面積あたりの光透過率とし、λｍを電荷導電層２１の単位面積あたりの光透過率とし、Ｓを光電変換領域１３の面積とし、αを光電変換領域の面積に対する小面積電極層１６ａの面積の割合（α＜１）とし、βを電極層１６ａの配置領域に対する電荷導電層２１の面積の割合（β≦α＜１）としたとき、
Ｓ×λｉ≦Ｓ×（α−β）×λｉ＋Ｓ×β（λｍ×λｉ）＋（１−α）Ｓ
なる条件を満たすように定めてある。
【０１０５】
このような構成の光電変換デバイスでは、従来の光電変換領域の全面積に渡って電極層が構成された場合と比較して、光電変換層に到達する光エネルギーあるいは光信号が大きくなり、より高感度及び高変換効率の光電変換デバイスを得ることができる。
【０１０６】
次に、以上の各実施の形態で示した各構成要素について具体的に説明する。
【０１０７】
光電変換領域１３は、外部からの光信号あるいは光エネルギーを電気信号あるいは電気エネルギーに変換する機能を有する領域である。
【０１０８】
入射光１４の波長範囲としては、可視領域の波長を含む３８０ｎｍ程度から７８０ｎｍ程度、紫外領域の波長である２００ｎｍ程度から３８０ｎｍ程度、赤外領域の波長である７８０ｎｍ程度から２５００ｎｍ程度である。
【０１０９】
支持基板１５としては、機械的、熱的強度を有し、光電変換デバイスを保持できる強度があれば良い。なお、支持基板１５は、光の入射面として用いる場合は、入射光１４を取り入れる機能、つまり、透明または半透明など光を有効に透過する機能を必要とする。また、支持基板１５は、絶縁性を有するものであることが好ましいが、特に限定されるものではなく、光電変換の動作を妨げない範囲で、あるいは用途によって導電性を有していても良い。
【０１１０】
支持基板１５の材料としては、光を透過する機能が必要な場合は、透明または半透明の無機酸化ガラス（ソーダ石英ガラス、バリウム・ストロンチウム含有ガラス、鉛ガラス、アルミノケイ酸ガラス、ホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラス、石英ガラス等）や無機ガラス（無機フッ化物ガラス等）、あるいは透明または半透明の高分子材料（ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート、ポリエーテルスルフォン、ポリフッ化ビニル、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリアクリレート、非晶質ポリオレフィン、フッ素系樹脂等）、あるいは透明または半透明のＡｓ2Ｓ3、Ａｓ40Ｓ10、Ｓ40Ｇｅ10などのカルコゲノイドガラス、ＺｎＯ、Ｎｂ2Ｏ5、Ｔａ2Ｏ5、ＳｉＯ、Ｓｉ3Ｎ4、ＨｆＯ2、ＴｉＯ2などの金属酸化物及び窒化物などの材料、あるいは顔料等を含んだ材料や、表面に絶縁処理を施した金属材料から適宜選択して用いることができ、複数の基板材料を積層した積層基板を用いることもできる。
【０１１１】
支持基板１５の材料としては、さらに、用途によっては特定波長のみを透過する材料、光−光変換機能を有し特定の波長の光に変換する材料などであっても良い。光を透過する機能が不要な場合は特に材料を指定しない。
【０１１２】
電極層１６ａ，１６ｂに用いる材料は、光を透過する機能が必要な場合は発生した電荷を外部に効率良く取り出すものであれば良い。そのような材料としては、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ2）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の金属酸化物、あるいは、ＳｎＯ：Ｓｂ（アンチモン）、ＺｎＯ：Ａｌ（アルミニウム）、ＩＺＯ（Ｉｎ2Ｏ3：ＺｎＯ）といった混合物からなる透明導電膜、あるいは透明度を損なわない程度の厚さのＡｌ（アルミニウム）、Ｃｕ（銅）、Ｔｉ（チタン）、Ａｇ（銀）といった金属薄膜、これらの金属の混合薄膜、積層薄膜といった金属薄膜、あるいはポリピロール等の導電性高分子等を用いることができる。
【０１１３】
また、電極層１６ａ，１６ｂの材料としては、比較的高抵抗の塗布型ＩＴＯ、さらにはポリチオフェン（ｐｏｌｙ（ｅｔｈｙｌｅｎｅｄｉｏｘｙ）ｔｉｏｐｈｅｎｅ、以下、ＰＥＤＯＴと略する）、ポリフェニレンビニレン（以下、ＰＰＶと略する）、ポリフルオレン等の導電性高分子化合物を用いることもできる。
【０１１４】
電極層１６ａ，１６ｂの厚さは、十分な透明性を持たせるために５００ｎｍ以下の厚さにすることが望ましい。そして、光を透過する機能が不要な場合は上記の材料をより厚く成膜することでも対応可能である。
【０１１５】
また、電極層１６ａ，１６ｂの材料としては、複数の前述電極材料を積層したものでも良い。例えば、発生した電荷を外部に効率良く取り出すことができる、Ａｌ（アルミニウム）、Ｉｎ（インジウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｔｉ（チタン）、Ａｇ（銀）、Ｃａ（カルシウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）等の金属、あるいはこれらの金属の酸化物やフッ化物及びその合金、積層体等を用いることができる。
【０１１６】
電極層１６ａ，１６ｂの作製方法としては、真空蒸着法、抵抗加熱蒸着、電子ビーム蒸着、スパッタ法または電界重合法等の各種の重合法を適用できる。溶媒に可溶な材料を用いる場合は、溶媒に材料を溶かした溶液をスピンコート法等のウェットプロセスを用いることも可能であり、使用する材料、構成等に合ったものを任意に選択することが可能である。
【０１１７】
また、電極層１６ａ，１６ｂは、十分な導電性を持たせるため、または基板表面の凹凸による不均一な透過や反射を防ぐために、１ｎｍ以上の厚さにすることが好ましい。そして、電極層１６ａの無い部分を作製するパターニング方法としては、マスクを用いた真空蒸着法や、抵抗加熱蒸着、電子ビーム蒸着、スパッタ法、フォトリソグラフィ、インクジェット法、スプレー法、印刷法、などを用いることができる。
【０１１８】
このとき、電極層１６ａ，１６ｂの無い部分のスペース幅は、１０ｍｍ以下、好適には１ｍｍ以下が望ましい。この電極層１６ａ，１６ｂの無い部分のスペース幅は、小さいほど、有機光電変換材料を含む光電変換層１７で光電変換作用により発生した正孔あるいは電子を電極層１６ａ，１６ｂにできるだけ短い距離で移動させることができ、より高感度及び高変換効率の光電変換デバイスが得られることが解っている。
【０１１９】
次に、有機光電変換材料を含む光電変換層１７は、電子供与性有機材料及び電子受容性有機材料を含むものが代表的なものである。
【０１２０】
まず、電子供与性有機材料の例としては、フェニレンビニレン及びその誘導体、フルオレン及びその誘導体、特に骨格にキノリン基またはピリジン基を有するフルオレン系コポリマー（Ｐ０Ｆ６６、Ｐ１Ｆ６６、ＰＦＰＶ）、フルオレン含有アリールアミンポリマーカルバゾール及びその誘導体、インドール及びその誘導体、ピレン及びその誘導体、ピロール及びその誘導体、ピコリン及びその誘導体、チオフェン及びその誘導体、アセチレン及びその誘導体、ジアセチレン及びその誘導体、等の重合体やその誘導体が用いられる。
【０１２１】
また、電子供与性有機材料としては、デンドリマーとして総称される一群の高分子材料が用いられる。但し、高分子材料に限定されるものではない。即ち、高分子材料以外の電子供与性有機材料としては、例えば、ポルフィン、テトラフェニルポルフィン銅、フタロシアニン、銅フタロシアニン、チタニウムフタロシアニンオキサイド等のポリフィリン化合物や、１，１−ビス｛４−（ジ−Ｐ−トリルアミノ）フェニル｝シクロヘキサン、４，４’，４’’−トリメチルトリフェニルアミン、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラキス（Ｐ−トリル）−Ｐ−フェニレンジアミン、１−（Ｎ，Ｎ−ジ−Ｐ−トリルアミノ）ナフタレン、４，４’−ビス（ジメチルアミノ）−２−２’−ジメチルトリフェニルメタン、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラフェニル−４，４’−ジアミノビフェニル、Ｎ、Ｎ’−ジフェニル−Ｎ、Ｎ’−ジ−ｍ−トリル−４、４’−ジアミノビフェニル、Ｎ−フェニルカルバゾ−ル等の芳香族第三級アミンや、４−ジ−Ｐ−トリルアミノスチルベン、４−（ジ−Ｐ−トリルアミノ）−４’−〔４−（ジ−Ｐ−トリルアミノ）スチリル〕スチルベン等のスチルベン化合物や、トリアゾール及びその誘導体、オキサジザゾール及びその誘導体、イミダゾール及びその誘導体、ポリアリールアルカン及びその誘導体、ピラゾリン及びその誘導体、ピラゾロン及びその誘導体、フェニレンジアミン及びその誘導体、アニールアミン及びその誘導体、アミノ置換カルコン及びその誘導体、オキサゾール及びその誘導体、スチリルアントラセン及びその誘導体、フルオレノン及びその誘導体、ヒドラゾン及びその誘導体体、シラザン及びその誘導体、ポリシラン系アニリン系共重合体、高分子オリゴマー、スチリルアミン化合物、芳香族ジメチリディン系化合物、ポリ３−メチルチオフェン等の低分子材料も用いることができる。なお、有機材料であれば、化学的に修飾して有機材料への光の吸収波長特性を調整することも可能である。
【０１２２】
そして、電子受容性有機材料の例としては、前述した電子供与性有機材料と同様の低分子及び高分子材料の他、１，３−ビス（４−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル−１，３，４−オキサジアゾリル）フェニレン（ＯＸＤ−７）等のオキサジアゾール及びその誘導体、フルオレン及びその誘導体、アントラキノジメタン及びその誘導体、ジフェニルキノン及びその誘導体、フラーレン及びその誘導体、特にＰＣＢＭ（［６，６］−ｐｈｅｎｙｌ Ｃ６１ ｂｕｔｙｒｉｃ ａｃｉｄ ｍｅｔｈｙｌ ｅｓｔｅｒ）、カーボンナノチューブ及びその誘導体、等を繰り返し単位として有する重合体及び他のモノマーとの共重合体、またデンドリマーとして総称される一群の高分子材料が用いられる。なお、有機材料であれば、化学的に修飾して有機材料への光の吸収波長特性を調整することも可能である。
【０１２３】
有機光電変換材料を含む光電変換層１７の作製方法としては、真空蒸着法、スパッタリング法等の各種真空プロセスや、スピンコート法、ウェットプロセスなど、どのようなものであっても良く、使用する材料、構成等に合ったものを任意に選択することが可能である。また、インクジェット法なども用いることができる。また、外部からの水分や酸素などによる劣化が懸念される材料を用いる場合は、ガラスカバーやフィルムカバー、樹脂カバーなどの封止手段を用いてデバイス全体あるいは一部を外部と遮断する構成が好適である。
【０１２４】
電荷移動層２０に用いる材料しては、正孔あるいは電子の移動度が高く成膜性の良いものが好ましい。
【０１２５】
電荷移動層２０に用いる正孔移動度の高い材料としては、Ｎ，Ｎ’−ジフェニル−Ｎ，Ｎ’−ビス（３−メチルフェニル）−１、１’−ジフェニル−４，４’−ジアミン、ポルフィン、テトラフェニルポルフィン銅、フタロシアニン、銅フタロシアニン、チタニウムフタロシアニンオキサイドなどのポリフィリン化合物や、１，１−ビス｛４−（ジ−Ｐ−トリルアミノ）フェニル｝シクロヘキサン、４，４’，４’’−トリメチルトリフェニルアミン、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラキス（Ｐ−トリル）−Ｐ−フェニレンジアミン、１−（Ｎ，Ｎ−ジ−Ｐ−トリルアミノ）ナフタレン、４，４’−ビス（ジメチルアミノ）−２−２’−ジメチルトリフェニルメタン、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラフェニル−４，４’−ジアミノビフェニル、Ｎ、Ｎ’−ジフェニル−Ｎ、Ｎ’−ジ−ｍ−トリル−４、４’−ジアミノビフェニル、Ｎ−フェニルカルバゾ−ルなどの芳香族第三級アミンや、４−ジ−Ｐ−トリルアミノスチルベン、４−（ジ−Ｐ−トリルアミノ）−４’−〔４−（ジ−Ｐ−トリルアミノ）スチリル〕スチルベンなどのスチルベン化合物や、トリアゾール誘導体や、オキサジザゾール誘導体や、イミダゾール誘導体や、ポリアリールアルカン誘導体や、ピラゾリン誘導体や、ピラゾロン誘導体や、フェニレンジアミン誘導体や、アニールアミン誘導体や、アミノ置換カルコン誘導体や、オキサゾール誘導体や、スチリルアントラセン誘導体や、フルオレノン誘導体や、ヒドラゾン誘導体や、シラザン誘導体や、ポリシラン系アニリン系共重合体や、高分子オリゴマーや、スチリルアミン化合物や、芳香族ジメチリディン系化合物や、ポリ−３，４エチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）、テトラジヘクシルフルオレニルビフェニル（ＴＦＢ）あるいはポリ３−メチルチオフェン（ＰＭｅＴ）といったポリチオフェン誘導体などの有機材料が用いられる。また、ポリカーボネートなどの高分子中に低分子の正孔輸送層用の有機材料を分散させた、高分子分散系の正孔輸送層も用いられる。またＭｏＯ3、Ｖ2Ｏ5、ＷＯ3、ＴｉＯ2、ＳｉＯ、ＭｇＯなどの無機酸化物を用いることもある。
【０１２６】
また、電荷移動層２０に用いる電子移動度の高い材料としては、１，３−ビス（４−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル−１，３，４−オキサジアゾリル）フェニレン（ＯＸＤ−７）などのオキサジアゾール誘導体、アントラキノジメタン誘導体、ジフェニルキノン誘導体、シロール誘導体からなるポリマー材料など、あるいは、ビス（２−メチル−８−キノリノレート）−（パラ−フェニルフェノレート）Ａｌ（ＢＡｌｑ）、バソフプロイン（ＢＣＰ）などが用いられる。
【０１２７】
電荷移動層２０の作製方法としては、真空蒸着法、抵抗加熱蒸着、電子ビーム蒸着、スパッタ法または電界重合法などの各種の重合法により形成する。溶媒に可溶な材料を用いる場合は、溶媒に材料を溶かした溶液をスピンコート法等のウェットプロセス等を用いることも可能であり、使用する材料、構成等に合ったものを任意に選択することが可能である。また、インクジェット法、スプレー法、印刷法、なども用いることができる。
【０１２８】
電荷導電層２１の材料としては、低抵抗の材料であれば良く、特に規定されるものではないが、好適に光を透過する機能が必要な場合は、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の金属酸化物、あるいは、ＳｎＯ：Ｓｂ（アンチモン）、ＺｎＯ：Ａｌ（アルミニウム）、ＩＺＯ（Ｉｎ2Ｏ3：ＺｎＯ）といった混合物からなる透明導電膜や、あるいは透明度を損なわない程度の厚さのＡｌ（アルミニウム）、Ｃｕ（銅）、Ｔｉ（チタン）、Ａｇ（銀）、Ａｕ（金）、といった金属薄膜や、これらの金属の混合薄膜、積層薄膜といった金属薄膜を用いることができる。また、光を透過する機能が不要な場合は上記の材料をより厚く成膜することでも対応可能である。
【０１２９】
電荷導電層２１の作製方法としては、真空蒸着法、抵抗加熱蒸着、電子ビーム蒸着、スパッタ法等により形成する。電荷導電層２１のパターニング方法としては、マスクを用いた真空蒸着法、抵抗加熱蒸着、電子ビーム蒸着、スパッタ法やフォトリソグラフィなどの方法を用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１３０】
本発明に係る光電変換デバイスは、高感度で、かつ光信号への高い応答性を、有機光電変換材料を用いて実現できる光電変換デバイスとして有用であり、特に、太陽電池や、可視光を含む光通信における受信装置に用いるのに適している。
【図面の簡単な説明】
【０１３１】
【図１】本発明に係る光電変換デバイスの利用分野の一例（可視光通信）を示す図
【図２】本発明に係る光電変換デバイスの利用装置の一例を示す図
【図３】図２に示す利用装置の構成例を示すブロック図
【図４】光通信で使用する場合の光電変換デバイスにおける静電容量あるいは電気抵抗と応答性能との関係を示す特性図
【図５】本発明の実施の形態１による光電変換デバイスの構成を示す平面概略図及び断面概略図
【図６】図５に示す光電変換デバイスにおける光電変換動作を説明する図
【図７】従来の光電変換デバイスの構成例を示す平面概略図及び断面概略図
【図８】図５に示す光電変換デバイスに対する比較例を示す平面概略図及び断面概略図
【図９】本発明の実施の形態２による光電変換デバイスの構成を示す平面概略図及び断面概略図
【図１０】図９に示す光電変換デバイスにおける光電変換動作を説明する図
【図１１】本発明の実施の形態３による光電変換デバイスの構成を示す平面概略図及び断面概略図
【図１２】本発明の実施の形態４による光電変換デバイスの構成を示す平面概略図及び断面概略図
【図１３】本発明の実施の形態５による光電変換デバイスの構成を示す平面概略図及び断面概略図
【図１４】本発明の実施の形態６による光電変換デバイスの構成を示す平面概略図及び断面概略図
【図１５】本発明の実施の形態７による光電変換デバイスの構成を示す平面概略図及び断面概略図
【符号の説明】
【０１３２】
１ 光源
２ 可視光
３ 制御装置
４ 端末装置
５ 受光部
６ 出力部
７ Ｉ−Ｖ変換部
８ バンドパスフィルタ
９ 増幅器
１０ 復調回路
１１ 出力信号
１２ａ 応答性能が早い出力波形
１２ｂ 応答性能が遅い出力波形
１３ 光電変換領域
１４ 入射光
１５ 支持基板
１６ａ，１６ｂ，１６ｂ’ 電極層
１７ 有機光電変換材料を含む光電変換層
１８ プラス電荷
１９ マイナス電荷
２０ 電荷移動層
２１ 電荷導電層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換部に有機光電変換材料を用いた光電変換デバイスに関し、特に、光エネルギーを電気エネルギーに変換して発電する太陽電池や、光通信における可視光を含む光信号の受信装置に用いるのに好適な光電変換デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光を媒体として無線通信を行う場合の方法としては赤外光や電波を用いて行うことが一般的であった。それは、伝達効率が高いこと、電波では障害物を回り込んで遠くまで信号を伝達できることなどの利点があるためである。一方、可視光を用いた場合は光が目に見えるため信号の発信源を容易に知ることができること、受信者側にて信号を目で見て選択できること、特にセキュリティ上の観点から、送信者及び受信者を特定できることが利点として挙げられる。さらに、電波法による制限がなく、広域通信が可能である。
【０００３】
また、照明用として注目を浴びている半導体発光素子であるＬＥＤ光源を用いた信号伝達、つまりＬＥＤ光源の高速点滅によるデータ伝達が可能になりつつあり、高速通信の可能性も大きいと考えられている。このような可視光を用いた通信では、例えば非特許文献１に記載されているように、発信側では、可視光光源として主にＬＥＤ、蛍光灯などが用いられ、また受信側では、光電変換部としてフォトダイオードやＣＣＤ、ＣＭＯＳセンサーなどの光電変換デバイスが用いられている。
【０００４】
ところで、例えば、非特許文献２では、上記光電変換部に有機光電変換材料を用いた光電変換デバイスを適用した提案がなされている。有機光電変換材料を用いた光電変換デバイスは、従来の無機のフォトダイオード、ＣＣＤ、ＣＭＯＳなどのような半導体プロセスを必要とせずに、従来の無機のフォトダイオード、ＣＣＤ、ＣＭＯＳなどの光電変換デバイスと同様の機能を発現できる。
【０００５】
そして、有機光電変換材料を用いた光電変換デバイスは、塗布工程などの簡便なプロセスにより光電変換層の製造が可能となるので、大面積の光電変換デバイスの製造が容易になり、高感度及び高変換効率の光電変換デバイスが期待できる。そのため、有機光電変換材料を用いた光電変換デバイスは、非常に注目を集めているデバイスであり、特に太陽電池の分野において様々な研究が行われている。
【０００６】
有機光電変換材料を用いた光電変換デバイスは、一般に、一対の電極層に挟まれた有機光電変換層に外部からの光信号あるいは光エネルギーを取り込んで電子と正孔とを発生させ、電気信号あるいは電気エネルギーとして電極層へ取り出す構造になっている。これらの電極層として、一般的に、光を取り込む側の電極層には透明電極が用いられ、もう一方の電極層にはアルミニウムや銀などの金属薄膜が用いられる。
【非特許文献１】可視光通信の世界 ＬＥＤで拓く「あかりコミュニケーション」中川正雄監修 可視光通信コンソーシアム編 工業調査会 ＩＳＢＭ４−７６９３−１２５１−２
【非特許文献２】Ｇ．Ｙｕ、Ｙ．Ｃａｏ、Ｊ．Ｗａｎｇ、Ｊ．ＭｃＥｌｖａｉｎ ａｎｄ Ａ．Ｊ．Ｈｅｅｇｅｒ、Ｓｙｎｔｈ．Ｍｅｔ．１０２、９０４（１９９９）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の有機光電変換材料を用いた光電変換デバイスは、コスト面、製造面でメリットがあり、感度を大きくするために光電変換領域を大面積にすることは容易である。しかし、有機光電変換材料を含む光電変換層が２層の電極層で挟まれた構造になっているので、光通信における受信デバイスとして用いる場合、デバイスの静電容量が大きくなってしまい光信号の応答性能が悪くなり、高速通信ができなくなるという問題がある。つまり、有機光電変換材料を用いた光電変換デバイスでは、光電変換デバイスの感度つまり面積と、応答性能とがトレードオフの関係にあるので、双方を同時に高めることは困難である。
【０００８】
また、入力される光信号あるいは光エネルギーは、電極層で一部が吸収されて減少するので、十分な光信号あるいは光エネルギーが有機光電変換材料を含む光電変換層まで到達することができず、高感度あるいは高変換効率の光電変換デバイスを得ることができなかった。
【０００９】
さらに、有機光電変換材料を含む光電変換層への電気抵抗値が大きくなれば同様に光信号の応答性能が悪くなるので、高速通信ができなくなる。そのため、電極層の低抵抗化も必要である。
【００１０】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、高感度でかつ光信号への高い応答性を、有機光電変換材料を用いて実現できる光電変換デバイスを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した目的を達成するために、本発明の光電変換デバイスは、基板上に、第１の電極層と、第２の電極層と、前記第１の電極層と前記第２の電極層の間に配置される光電変換層を配置し、入射光を電気信号に変換する光電変換デバイスであって、前記第１の電極層と前記光電変換層の接触面が有する第１の面積は、前記第２の電極層と前記光電変換層の接触面が有する第２の面積よりも小さいことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、第１の電極層と光電変換層の接触面が有する第１の面積が第２の電極層と光電変換層の接触面が有する第２の面積よりも小さいので、第１の電極層と第２の電極層の間に形成される静電容量を低減することができる。また、光を第１の電極層側から光電変換層へ入射する場合に、当該第１の電極層の無い領域を透過する光の減衰量は、当該第１の電極層を透過する光の減衰量よりも少ないので、光電変換層へ入射する光量を増加させることができる。したがって、有機光電変換材料を用いた光電変換デバイスの、光電変換の感度と応答性能とを高めることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
第１の発明は、基板上に、第１の電極層と、第２の電極層と、前記第１の電極層と前記第２の電極層の間に配置される光電変換層を配置し、入射光を電気信号に変換する光電変換デバイスであって、前記第１の電極層と前記光電変換層の接触面が有する第１の面積は、前記第２の電極層と前記光電変換層の接触面が有する第２の面積よりも小さいことを特徴とする光電変換デバイスである。
【００１４】
この構成によれば、第１の電極層と光電変換層の接触面が有する第１の面積が第２の電極層と光電変換層の接触面が有する第２の面積よりも小さいので、第１の電極層と第２の電極層の間に形成される静電容量を低減することができる。また、光を第１の電極層側から光電変換層へ入射する場合に、当該第１の電極層の無い領域を透過する光の減衰量は、当該第１の電極層を透過する光の減衰量よりも少ないので、光電変換層へ入射する光量を増加させることができる。したがって、有機光電変換材料を用いた光電変換デバイスの、光電変換の感度と応答性能とを高めることができるという効果を奏する。
【００１５】
第２の発明は、前記基板は、光を透過する機能を有することを特徴とする光電変換デバイスである。
【００１６】
この構成によれば、基板が光を透過するので、光電変換層に到達する光量をより増加させることができる。したがって、有機光電変換材料を用いた光電変換デバイスの、光電変換の感度と応答性能とをより高めることができるという効果を奏する。
【００１７】
第３の発明は、前記第１の電極層は、光を透過する機能を有することを特徴とする光電変換デバイスである。
【００１８】
この構成によれば、第１の電極層が光を透過するので、光電変換層に到達する光量をより増加させることができる。したがって、有機光電変換材料を用いた光電変換デバイスの、光電変換の感度と応答性能とをより高めることができるという効果を奏する。
【００１９】
第４の発明は、前記第１の電極層が、前記第２の電極層と前記光電変換層の接触面内に分散して複数個設けられ、全てが電気的に接続されていることを特徴とする光電変換デバイスである。
【００２０】
この構成によれば、前記第２の電極層と前記光電変換層の接触面内に複数の光電変換素子を形成できるので、光電変換の効率を高めることができる。また、第１の電極が形成されていない部分が生じるので、静電容量を低減させることも可能である。なお、第１の電極の数は、光電変換デバイスが用いられる用途に応じて変更しても良い。
【００２１】
第５の発明は、前記第１の電極層と前記光電変換層との間に、正孔あるいは電子が移動する機能を有する電荷移動層が配置されていることを特徴とする光電変換デバイスである。
【００２２】
この構成によれば、光電変換層で発生した正孔あるいは電子を、第１の電極層に効率良く導くことができるので、高感度及び高変換効率の光電変換デバイスを得ることができるという効果を奏する。
【００２３】
第６の発明は、前記基板と前記第１の電極層との間の少なくとも一部に、電荷を移動する機能を有する電荷導電層が設けられていることを特徴とする光電変換デバイスである。
【００２４】
この構成によれば、光電変換層で発生した正孔あるいは電子を、第１の電極層に効率良く導くことができるので、高感度及び高変換効率の光電変換デバイスを得ることができるという効果を奏する。
【００２５】
第７の発明は、前記第１の電極層と前記光電変換層との間の少なくとも一部に、電荷を移動する機能を有する電荷導電層が設けられていることを特徴とする光電変換デバイスである。
【００２６】
この構成によれば、光電変換デバイスの電気抵抗を低くすることができ、光信号への応答性能を良くすることができる。
【００２７】
第８の発明は、前記第１の電極層と前記電荷移動層との間の少なくとも一部に、電荷を移動する機能を有する電荷導電層が設けられていることを特徴とする光電変換デバイスである。
【００２８】
この構成によれば、光電変換デバイスの電気抵抗を低くすることができ、光信号への応答性能を良くすることができる。
【００２９】
第９の発明は、λｉ＝光入射側の電極層の単位面積あたりの光透過率、λｍ＝電荷導電層の単位面積あたりの光透過率、Ｓ＝光電変換する領域の面積、α＝光電変換する領域の面積に対して面積が小さい電極層の面積の割合（α＜１）、β＝光電変換する領域の面積に対して面積が小さい電極層と電荷導電層が積層された面積の割合（β≦α＜１）としたとき、Ｓ×λｉ≦Ｓ×（α−β）×λｉ＋Ｓ×β（λｍ×λｉ）＋（１−α）Ｓを満たすことを特徴とする光電変換デバイスである。
【００３０】
この構成によれば、光電変換層に到達する光エネルギーあるいは光信号が大きくなるので、より高感度及び高変換効率の光電変換デバイスを得ることができるという効果を奏する。
【００３１】
本発明は、端的には、光電変換部に有機光電変換材料を用いて、光エネルギーを電気エネルギーに変換して発電する太陽電池に用いるのに適し、また、光通信における可視光を含む光信号の受信装置に用いるのに適した光電変換特性を有する光電変換デバイスを実現することを企図している。
【００３２】
ここでは、図１〜図４を参照して、利用分野の一例として光通信における可視光を含む光信号の受信装置の構成例等と応答性について説明する。なお、図１は、本発明に係る光電変換デバイスの利用分野の一例（可視光通信）を示す図である。図２は、本発明に係る光電変換デバイスの利用装置の一例を示す図である。図３は、図２に示す利用装置の構成例を示すブロック図である。図４は、光通信で使用する場合の光電変換デバイスにおける静電容量あるいは電気抵抗と応答性能との関係を示す特性図である。
【００３３】
図１において、光源（例えば室内の蛍光灯やＬＥＤなど照明）１から射出される可視光２は、制御装置３により変調されている。この変調された可視光２が室内にある携帯型の端末装置４に照射される。端末装置４は、入射した可視光２を音声など電気信号に変換する機能を有している。
【００３４】
端末装置４は、図２に示すように、可視光２を受光（受信）するための受光部５と、音声や画像、文字などのデータを出力させる出力部６とを備えている。受光部５に、本発明に係る光電変換デバイスが適用される。
【００３５】
この端末装置４では、図３に示すように、受光部５が到達した可視光２に含まれる信号を受信し、Ｉ−Ｖ変換部７、バンドパスフィルタ８、増幅器９、復調回路１０を通じて出力部６へと送られ、出力信号１１として取り出される。
【００３６】
次に、図４において、横軸は時間Ｔ（ｓ）、縦軸Ｖ0は光電変換デバイスの変換信号の出力振幅である。図４では、応答性能が早い出力波形１２ａと応答性能が遅い出力波形１２ｂとが示されている。
【００３７】
応答性能が早い出力波形１２ａの時定数はτ１であり、応答性能が遅い出力波形１２ｂの時定数はτ２である。出力波形の約６３％で定義される時定数（τ）は、光電変換デバイスの静電容量（Ｃ）と電気抵抗（Ｒ）との間に、τ＝Ｃ×Ｒの関係がある。この関係から、静電容量（Ｃ）あるいは電気抵抗（Ｒ）が大きいと、時定数（τ）が大きくなり、応答性能が遅くなる。つまり、可視光通信の通信速度が遅くなることが解る。
【００３８】
そこで、本滅明は、以下に示すように、光電変換デバイスの静電容量と電気抵抗の一方または双方を低くする構成を実現している。また、併せて、高感度の変換特性を有する構成を実現している。以下に図面を参照して、本発明に係る光電変換デバイスの好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、本発明は以下に説明する実施の形態に限定されるものではない。
【００３９】
（実施の形態１）
図５は、本発明の実施の形態１による光電変換デバイスの構成を示す図であり、図５（ａ）は平面概略図、図５（ｂ）は図５（ａ）に示すＡ−Ａ’断面概略図、図５（ｃ）は図５（ａ）に示すＢ−Ｂ’断面概略図である。なお、図５では、本発明の理解を容易にするため、主な構成要素のみを図示してある。
【００４０】
図５に示すように、本実施の形態１による光電変換デバイスは、支持基板１５上に、電極層１６ａ、有機光電変換材料を含む光電変換層（以降、単に「光電変換層」という）１７、電極層１６ｂがこの順に積層されている。
【００４１】
入射光１４は、例えば可視光である。それ故、光電変換層１７は、今の例では、可視光の範囲の波長を主に光電変換する機能を有する。
【００４２】
入射光１４は、図５では、支持基板１５の側から入射しているが、逆に、電極層１６ｂ側から入射しても良い。支持基板１５の側から入射している図５に示す場合は、支持基板１５及び電極層１６ａに光を透過する機能を持たせている。電極層１６ｂ側から入射する場合は、同様に、電極層１６ｂに光を透過する機能を持たせれば良い。
【００４３】
電極層１６ａ，１６ｂは、一方が陰極となり、他方が陽極となる。電極層１６ｂは、配置領域の全面が電極として機能するが、電極層１６ａは、配置領域内に格子状に配置される□で示す正方形をした各小面積領域のみが電極として機能する。つまり、格子状に配置される正方形をした各小面積が電極層１６ａである。小面積の全電極層１６ａは、全て電気的に接続されている。
【００４４】
図５（ａ）に示すように、小面積の電極層１６ａの配置領域は、電極層１６ｂの形成面積と等しく、電極層１６ｂと同様に長四角の形状をしていて、互いに十字状に交差して配置されている。光電変換領域１３は、光電変換層１７において、小面積の電極層１６ａの配置領域と電極層１６ｂとが交差している全領域である。
【００４５】
このように、小面積の多数の電極層１６ａが、光電変換領域１３に対して適宜な間隔で分散して配置される形態になっている。この電極層配置形態においては、小面積の各電極層１６ａの相互間は静電容量に寄与しないスペース（非電極）となり、このスペース部分の面積に相当する静電容量が低減される。
【００４６】
これによって、光電変換領域１３の全面積に相当する静電容量よりも小さい静電容量が得られる。図５では、電極層１６ｂは、全面が電極となる構成であるが、電極層１６ａと同様の構成とすれば、一層、小さい静電容量が得られる。したがって、光信号に対する応答性能の優れた光電変換デバイスを得ることができる。
【００４７】
そして、図５に示すように、支持基板１５側から光を取り入れる構成とする場合、支持基板１５側に配置される小面積の電極層１６ａを作り付ける素材には、光を透過する素材が用いられる。そのため、支持基板１５側からの入射光１４は、小面積の電極層１６ａの配置領域では、小面積の多数の電極層１６ａと、上記スペース部分とを透過する。このとき、透過光の減衰量は、電極層１６ａの方が上記スペース部分よりも大きい。
【００４８】
そうすると、小面積の多数の電極層１６ａで生ずる透過光の減衰量を上記スペース部分での減衰の少ない透過光が補う形で、入射光１４が光電変換層１７に到達するので、むしろ入射光１４の透過率を高めることができる。これによって、光電変換層１７での電荷の発生効率を上げることができ、光電変換の感度が優れた光電変換デバイスを得ることができる。
【００４９】
換言すれば、電極層１６ｂ側から光を取り入れる構成では、電極層１６ｂの全面で透過光の減衰が起こり、入射光１４の透過率が一段と下がるので、光電変換の感度の点では、図５に示すように支持基板１５側から光を取り入れる構成とする方が好ましいと言える。勿論、電極層１６ｂも電極層１６ａと同様の構成にする場合は、入射光１４はいずれの方から取り込んでも、入射光１４の透過率を高めることができることは言うまでもない。
【００５０】
また、小面積の多数の電極層１６ａの配置領域は、図５に示す例では、光電変換領域１３を上下方向にはみ出して延在している。このはみ出し領域内に光電変換層１７が存在する。そうすると、はみ出し領域への入射光１４によって、光電変換層１７では光電変換作用により正孔あるいは電子が発生するが、その発生した正孔あるいは電子は、はみ出し領域内の電極層１６ａに到達する。つまり、光電変換領域１３の外で発生した正孔あるいは電子を逃がすことなく捕捉できるので、効率良く光電変換させることができる。したがって、より高感度及び高変換効率の光電変換デバイスを得ることができる。
【００５１】
なお、光電変換領域１３に設けられる電極層ａの数は、光電変換デバイスの用途に応じて変更することが望ましい。
【００５２】
図６は、図５に示す光電変換デバイスにおける光電変換動作を説明する図である。図６では、図５に示す光電変換領域１３の一部を拡大して示してある。図６に示すように、外部からの入射光１４が支持基板１５及び小面積の各電極層１６ａを透過して光電変換層１７に到達し、プラス電荷１８とマイナス電荷１９とを発生させると、それぞれの電荷が２つの電極である電極層１６ａ及び電極層１６ｂへと移動することにより光電変換が行われる。
【００５３】
図６では、電極層１６ａが陰極であり、電極層１６ｂが陽極であるとしているので、プラス電荷１８が電極層１６ａへ、マイナス電荷１９が電極層１６ｂへと流れた場合を示している。図６に示す光電変換では、光電変換層１７としてプラス電荷１８の移動度の大きいものが望まれる。
【００５４】
また、小面積の各電極層１６ａあるいは電極層１６ｂのパターンのデザインによって、光電変換領域１３の面積に対して電極層１６ａの面積が９０％〜１％レベル、好ましくは５０％〜１０％レベルに減ずることで静電容量も同等の量に減ずることができる。静電容量は、より少なくすることが好ましいが、極端に電極層１６ａあるいは電極層１６ｂの面積を減ずると、光電変換層１７で発生した電荷の光電変換層１３内での移動距離が長くなってしまう。そうすると、移動する間にプラス電荷１８とマイナス電荷１９とが再結合してしまうため、ある程度の面積の電極層１６ａあるいは電極層１６ｂとする必要がある。特に、小面積の各電極層１６ａ相互間のスペース幅は、光電変換層１７におけるプラス電荷１８あるいはマイナス電荷１９の移動度にも依存するが１０ｍｍ以下が望ましい。
【００５５】
次に、図７は、従来の光電変換デバイスの構成例を示し、図７（ａ）は平面概略図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）に示すＡ−Ａ’断面概略図、図７（ｃ）は図７（ａ）に示すＢ−Ｂ’断面概略図である。なお、図７では、説明の便宜から、図５に示した要素と同一名称要素には、図５で用いた符号と同じ符号を付してある。
【００５６】
図７に示すように、従来の光電変換デバイスは、光電変換領域１３に対して、電極層１６ａは、電極層１６ｂと同様に全面が電極となる形で配置される。そのため、光電変換領域１３の全面積に渡り、電極層１６ａと電極層１６ｂとで挟まれたコンデンサーが構成されるので、従来の光電変換デバイスは、光電変換領域１３の全面積に相当する静電容量を有してしまう。
【００５７】
これに対して、図５に示す本実施の形態１による光電変換デバイスでは、電極層１６ａを正方形の小さい面積のもので構成し、その小さい面積の多数の電極層１６ａが格子状に分散して配置されるので、小面積の各電極層１６ａの相互間は静電容量を構成しないスペースとなり、このスペース部分の面積に相当する静電容量が低減される。よって、本実施の形態１による光電変換デバイスは、より応答性能の優れた光電変換デバイスとなっている。
【００５８】
次に、図８は、図５に示す光電変換デバイスに対する比較例を示し、図８（ａ）は平面概略図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）に示すＡ−Ａ’断面概略図、図８（ｃ）は図８（ａ）に示すＢ−Ｂ’断面概略図である。なお、図８では、図７と同様に説明の便宜から、図５に示した要素と同一名称要素には、図５で用いた符号と同じ符号を付してある。
【００５９】
静電容量を低減する方策として、例えば図８に示すように、電極層１６ａを、短冊状に配置する構成が考えられる。しかし、この構成では、光電変換領域１３の外側に配置される短冊状の電極層１６ａが、光電変換層１７で光電変換作用により発生した正孔あるいは電子を引き込むので、発生した正孔あるいは電子が光電変換領域１３の外に逃げてしまい効率良く光電変換させることができない。
【００６０】
この点、本実施の形態１による光電変換デバイスでは、多数の電極層１６ａは、短冊状に形成した電極よりも小面積となるので、光電変換層で発生した正孔あるいは電子が電極に引き込まれることが抑制されるので、正孔あるいは電子が光電変換領域１３の外に漏れることを抑制することが可能になる。よって、光電変換領域１３の外側に配置される電極層１６ａが捕捉した正孔あるいは電子も変換対象とすることができ、効率良く光電変換させることができる。
【００６１】
以上のように、本実施の形態１によれば、有機光電変換材料を含む光電変換層を挟んで対向配置される一対の電極層の少なくとも一方の電極層の面積を光電変換領域の面積に対して小さくしたので、一対の電極層の間に形成される静電容量は光電変換領域の全面積に電極層がある場合と比較して小さくなり、光信号への応答性能を良くすることができる。
【００６２】
また、小面積の電極層は光を透過する機能を有する構成とすることができる。この場合は、小面積の電極層の配置領域では、その小面積の電極層での透過光の減衰量が、小面積の電極層が設けられていないスペース部分での透過光が補うので、入射光の透過率を高めることができ、電荷の発生効率を上げ、高感度及び高変換効率の光電変換デバイスを得ることができる。
【００６３】
また、支持基板側から光を取り入れる構成が可能となるので、ガラス板や透明樹脂板などの光を透過する機能を有する支持基板上に光電変換デバイスを構成することができ、より簡単な構造の光電変換デバイスを構成することができる。
【００６４】
加えて、光電変換デバイスを支持基板上に形成する構成とすることができるので、光電変換デバイスは、支持基板上に順次電極層、有機光電変換材料を含む光電変換層などを成膜することで作製可能となり、より簡便に光電変換デバイス作製が可能となる。
【００６５】
（実施の形態２）
図９は、本発明の実施の形態２による光電変換デバイスの構成を示す図であり、図９（ａ）は平面概略図、図９（ｂ）は図９（ａ）に示すＡ−Ａ’断面概略図、図９（ｃ）は図９（ａ）に示すＢ−Ｂ’断面概略図である。なお、図９では、図５（実施の形態１）で示した構成と同一ないしは同等である構成要素に同一の符号を付してある。ここでは、本実施の形態２に関わる部分を中心に説明する。
【００６６】
図９に示すように、本実施の形態２による光電変換デバイスは、図５（実施の形態１）で示した構成において、小面積の多数の電極層１６ａの配置領域と光電変換層１７との間に、光電変換層１７よりも広い面積の電荷移動層２０が設けられている。
【００６７】
電荷移動層２０は、正孔あるいは電子が移動する領域である。この電荷移動層２０は、電極層１６ａが陽極であれば正孔の移動度が低い材料で成膜され、電極層１６ａが陰極であれば電子の移動度が低い材料で成膜されている。これによって、光電変換層１７で発生した正孔あるいは電子を、電極層１６ａに効率良く導く役割を果たすので、高感度及び高変換効率の光電変換デバイスを得ることができる。
【００６８】
図１０は、図９に示す光電変換デバイスにおける光電変換動作を説明する図である。図１０では、図９に示す光電変換領域１３の一部を拡大して示してある。図１０に示すように、外部からの入射光１４が支持基板１５及び小さい面積の各電極層１６ａを透過して光電変換層１７に到達し、プラス電荷１８とマイナス電荷１９とを発生させると、それぞれの電荷が２つの電極である電極層１６ａ及び電極層１６ｂへと移動することにより光電変換が行われる。
【００６９】
図１０では、電極層１６ａが陰極であり、電極層１６ｂが陽極であるとしているので、プラス電荷１８が電極層１６ａへ、マイナス電荷１９が電極層１６ｂへと流れた場合を示している。この場合は、電荷移動層２０は、電子の移動度が低い材料で成膜されているので、プラス電荷１８を電極層１６ａに速やかに移動させることができ、高感度及び高変換効率を実現できる。
【００７０】
次に、製造方法の一例を示す。
【００７１】
支持基板１５として用いる無アルカリガラス基板上に、スパッタリング法により、膜厚１６０ｎｍのＩＴＯ膜を形成し、その後、ＩＴＯ膜上にレジスト材をスピンコート法により塗布して厚さ１０μｍのレジスト膜を形成し、マスク露光、現像してレジスト膜を所定の形状にパターン形成した。
【００７２】
次に、このガラス基板を６０℃で５０％の塩酸中に浸漬して、レジスト膜が形成されていない部分のＩＴＯ膜をエッチングした後、レジスト膜も除去し、格子状の小面積ＩＴＯつまり電極層１６ａをパターニングした。
【００７３】
続いて電荷移動層２０を、基板面にＰＥＤＯＴを０．４５μｍのフィルターを通して滴下し、スピンコート法によって均一に塗布し、それを２００℃のクリーンオーブン中で３０分間加熱することで、形成した。
【００７４】
次に、約１００ｎｍの光電変換層１７を、ポリ（２−メトキシ−５−（２’−エチルヘキシルオキシ）−１，４−フェニレンビニレン）（ＭＥＨ−ＰＰＶ）と［５，６］−フェニル Ｃ６１ ブチリックアシッドメチルエステル（［５，６］−ＰＣＢＭ）との重量比１：４のクロロベンゼン溶液をスピンコート法によって塗布し、１００℃のクリーンオーブン中で３０分間加熱処理することで、形成した。
【００７５】
続いて電極層１６ｂを、０．２７ｍＰａ（＝２×１０-6Ｔｏｒｒ）以下の真空度まで減圧した抵抗加熱蒸着装置内で、ＬｉＦを２ｎｍ及びＡｌを約１００ｎｍの膜厚で成膜して形成した。
【００７６】
最後に、光電変換領域１３を含む光電変換層１７の外部酸素や水分による劣化を防止するための封止手段として、デバイス上にカバーガラス板を光硬化性エポキシ樹脂で接着することで封止部を形成した。
【００７７】
以上のように、実施の形態２によれば、正孔あるいは電子が移動する機能を有する電荷移動層を小面積の電極層の配置領域と光電変換層との間に介在させ、該電荷移動層での正孔あるいは電子の移動度を小面積の電極層の極性に応じて定めるので、光電変換層に発生した電子あるいは正孔を小面積の電極層に導く際に、速やかに移動させることができ、より高感度及び高変換効率の光電変換デバイスを得ることができる。
【００７８】
（実施の形態３）
図１１は、本発明の実施の形態３による光電変換デバイスの構成を示す図であり、図１１（ａ）は平面概略図、図１１（ｂ）は図１１（ａ）に示すＡ−Ａ’断面概略図、図１１（ｃ）は図１１（ａ）に示すＢ−Ｂ’断面概略図である。なお、図１１では、図５（実施の形態１）で示した構成と同一ないしは同等である構成要素に同一の符号を付してある。ここでは、本実施の形態３に関わる部分を中心に説明する。
【００７９】
図１１（ｂ）（ｃ）に示すように、本実施の形態３による光電変換デバイスは、図５（実施の形態１）で示した構成において、支持基板１５と電極層１６ａとの間に、電荷導電層２１が設けられている。
【００８０】
この電荷導電層２１は、電気抵抗の低い材料で構成されている。これによって、低い電気抵抗が確保でき、光信号への応答性能を良くすることができる。なお、図１１では、電荷導電層２１は、電極層１６ａの配置領域と同等の面積領域に設けられているが、電極層１６ａの配置領域の一部分のみに設けられていても良い。
【００８１】
次に、製造方法の一例を示す。
【００８２】
支持基板１５として用いる無アルカリガラス基板上に、０．２７ｍＰａ（＝２×１０-6Ｔｏｒｒ）以下の真空度まで減圧した抵抗加熱蒸着装置内で、マスクを介してＡｌを約１００ｎｍの膜厚で成膜して電荷導電層２１をパターン形成した。
【００８３】
次に、スパッタリング法により、膜厚１６０ｎｍのＩＴＯ膜を形成し、その後、ＩＴＯ膜上にレジスト材をスピンコート法により塗布して厚さ１０μｍのレジスト膜を形成し、マスク露光、現像してレジスト膜を所定の形状にパターン形成した。次に、このガラス基板を６０℃で５０％の塩酸中に浸漬して、レジスト膜が形成されていない部分のＩＴＯ膜をエッチングした後、レジスト膜も除去し、格子状のＩＴＯつまり電極層１６ａをパターニングした。
【００８４】
次に、約１００ｎｍの光電変換層１７を、ポリ（２−メトキシ−５−（２’−エチルヘキシルオキシ）−１，４−フェニレンビニレン）（ＭＥＨ−ＰＰＶ）と［５，６］−フェニル Ｃ６１ ブチリックアシッドメチルエステル（［５，６］−ＰＣＢＭ）との重量比１：４のクロロベンゼン溶液をスピンコート法によって塗布し、１００℃のクリーンオーブン中で３０分間加熱処理することで、形成した。
【００８５】
続いて電極層１６ｂを、０．２７ｍＰａ（＝２×１０-6Ｔｏｒｒ）以下の真空度まで減圧した抵抗加熱蒸着装置内で、ＬｉＦを２ｎｍ及びＡｌを約１００ｎｍの膜厚で成膜して形成した。
【００８６】
最後に、光電変換領域１３を含む光電変換層１７の外部酸素や水分による劣化を防止するための封止手段として、デバイス上にカバーガラス板を光硬化性エポキシ樹脂で接着することで封止部を形成した。
【００８７】
以上のように、本実施の形態３によれば、支持基板と小面積の電極層との間に、低抵抗の電荷導電層を設けてあるので、低い電気抵抗値を確保でき、光信号への応答性能に優れた光電変換デバイスが得られる。なお、本実施の形態３では、実施の形態１への適用例を示すが、実施の形態２にも同様に適用することができる。
【００８８】
（実施の形態４）
図１２は、本発明の実施の形態４による光電変換デバイスの構成を示す図であり、図１２（ａ）は平面概略図、図１２（ｂ）は図１２（ａ）に示すＡ−Ａ’断面概略図、図１２（ｃ）は図１２（ａ）に示すＢ−Ｂ’断面概略図である。なお、図１２では、図５（実施の形態１）で示した構成と同一ないしは同等である構成要素に同一の符号を付してある。ここでは、本実施の形態４に関わる部分を中心に説明する。
【００８９】
図１２（ｂ）（ｃ）に示すように、本実施の形態４による光電変換デバイスは、図５（実施の形態１）で示した構成において、小面積の多数の電極層１６ａの配置領域と光電変換層１７との間に、電荷導電層２１が設けられている。
【００９０】
この電荷導電層２１は、電気抵抗の低い材料で構成されている。これによって、低い電気抵抗が確保でき、光信号への応答性能を良くすることができる。なお、図１２では、電荷導電層２１は、小面積の多数の電極層１６ａの配置領域と同等の領域に設けられているが、電極層１６ａの配置領域の一部分のみに設けられていても良い。
【００９１】
以上のように、本実施の形態４によれば、小面積の多数の電極層の配置領域と光電変換層との間に、低抵抗の電荷導電層を設けてあるので、低い電気抵抗値を確保でき、光信号への応答性能に優れた光電変換デバイスが得られる。なお、本実施の形態４では、実施の形態１への適用例を示すが、実施の形態２にも同様に適用することができる。
【００９２】
（実施の形態５）
図１３は、本発明の実施の形態５による光電変換デバイスの構成を示す図であり、図１３（ａ）は平面概略図、図１３（ｂ）は図１３（ａ）に示すＡ−Ａ’断面概略図、図１３（ｃ）は図１３（ａ）に示すＢ−Ｂ’断面概略図である。なお、図１３では、図９（実施の形態２）で示した構成と同一ないしは同等である構成要素に同一の符号を付してある。ここでは、本実施の形態５に関わる部分を中心に説明する。
【００９３】
図１３（ｂ）（ｃ）に示すように、本実施の形態５による光電変換デバイスは、図９（実施の形態２）で示した構成において、小面積の多数の電極層１６ａの配置領域と電荷移動層２０との間に、電荷導電層２１が設けられている。
【００９４】
この電荷導電層２１は、電気抵抗の低い材料で構成されている。これによって、低い電気抵抗が確保でき、光信号への応答性能を良くすることができる。なお、図１３では、電荷導電層２１は、電極層１６ａの配置領域と同等の領域に設けられているが、電極層１６ａの配置領域の一部分のみに設けられていても良い。
【００９５】
以上のように、本実施の形態５によれば、小面積の多数の電極層の配置領域と電荷移動層との間に、低抵抗の電荷導電層を設けてあるので、低い電気抵抗値を確保でき、光信号への応答性能に優れた光電変換デバイスが得られる。
【００９６】
（実施の形態６）
図１４は、本発明の実施の形態６による光電変換デバイスの構成を示す図であり、図１４（ａ）は平面概略図、図１４（ｂ）は図１４（ａ）に示すＡ−Ａ’断面概略図、図１４（ｃ）は図１４（ａ）に示すＢ−Ｂ’断面概略図である。なお、図１４では、図５（実施の形態１）で示した構成と同一ないしは同等である構成要素に同一の符号を付してある。ここでは、本実施の形態６に関わる部分を中心に説明する。
【００９７】
図１４に示すように、本実施の形態６による光電変換デバイスは、図５（実施の形態１）で示した構成において、電極層１６ｂに代えて電極層１６ｂ’が設けられている。
【００９８】
電極層１６ｂ’は、小面積の電極層１６ａが格子状に配置される領域と交差する全範囲において、各電極層１６ａ相互間のスペース部分に対応する領域が非電極となる形態で、その小面積非電極部分が格子状に形成されている。
【００９９】
以上のように、本実施の形態６によれば、光電変換領域を挟む２つの電極層の静電容量に寄与する面積を小さくすることができるので、一層静電容量を低減させることができ、応答性能の優れた光電変換デバイスを得ることができる。
【０１００】
（実施の形態７）
図１５は、本発明の実施の形態７による光電変換デバイスの構成を示す図であり、図１５（ａ）は平面概略図、図１５（ｂ）は図１５（ａ）に示すＡ−Ａ’断面概略図、図１５（ｃ）は図１５（ａ）に示すＢ−Ｂ’断面概略図である。なお、図１５では、図５（実施の形態１）で示した構成と同一ないしは同等である構成要素に同一の符号を付してある。ここでは、本実施の形態７に関わる部分を中心に説明する。
【０１０１】
図１５に示すように、本実施の形態７による光電変換デバイスは、入射光１４が実施の形態１とは異なり、電極層１６ｂ側から導入される。つまり、電極層１６ｂは、光を透過する機能を有する素材で構成されている。
【０１０２】
本実施の形態７による光電変換デバイスによっても、実施の形態１と同様の作用・効果が得られる。なお、本実施の形態７では、実施の形態１への適用例を示すが、実施の形態２〜６にも同様に適用することができる。
【０１０３】
ここで、実施の形態４（図１２）、実施の形態５（図１３）では、光電変換層１７に到達する光エネルギーあるいは光信号を確保するために、光電変換領域１３への平均の光透過率が光電変換領域の面積と同等の面積の電極層を仮定したときの平均の光透過率よりも大きくなるように、光入射側の電極層（１６ａまたは１６ｂ）の単位面積あたりの光透過率、電荷導電層２１の単位面積あたりの光透過率、光電変換領域１３の面積、電極層１６ａの配置領域に対する電荷導電層２１の面積の割合を、以下に示す条件で選定している。
【０１０４】
即ち、λｉを光入射側の電極層（１６ａまたは１６ｂ）の単位面積あたりの光透過率とし、λｍを電荷導電層２１の単位面積あたりの光透過率とし、Ｓを光電変換領域１３の面積とし、αを光電変換領域の面積に対する小面積電極層１６ａの面積の割合（α＜１）とし、βを電極層１６ａの配置領域に対する電荷導電層２１の面積の割合（β≦α＜１）としたとき、
Ｓ×λｉ≦Ｓ×（α−β）×λｉ＋Ｓ×β（λｍ×λｉ）＋（１−α）Ｓ
なる条件を満たすように定めてある。
【０１０５】
このような構成の光電変換デバイスでは、従来の光電変換領域の全面積に渡って電極層が構成された場合と比較して、光電変換層に到達する光エネルギーあるいは光信号が大きくなり、より高感度及び高変換効率の光電変換デバイスを得ることができる。
【０１０６】
次に、以上の各実施の形態で示した各構成要素について具体的に説明する。
【０１０７】
光電変換領域１３は、外部からの光信号あるいは光エネルギーを電気信号あるいは電気エネルギーに変換する機能を有する領域である。
【０１０８】
入射光１４の波長範囲としては、可視領域の波長を含む３８０ｎｍ程度から７８０ｎｍ程度、紫外領域の波長である２００ｎｍ程度から３８０ｎｍ程度、赤外領域の波長である７８０ｎｍ程度から２５００ｎｍ程度である。
【０１０９】
支持基板１５としては、機械的、熱的強度を有し、光電変換デバイスを保持できる強度があれば良い。なお、支持基板１５は、光の入射面として用いる場合は、入射光１４を取り入れる機能、つまり、透明または半透明など光を有効に透過する機能を必要とする。また、支持基板１５は、絶縁性を有するものであることが好ましいが、特に限定されるものではなく、光電変換の動作を妨げない範囲で、あるいは用途によって導電性を有していても良い。
【０１１０】
支持基板１５の材料としては、光を透過する機能が必要な場合は、透明または半透明の無機酸化ガラス（ソーダ石英ガラス、バリウム・ストロンチウム含有ガラス、鉛ガラス、アルミノケイ酸ガラス、ホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラス、石英ガラス等）や無機ガラス（無機フッ化物ガラス等）、あるいは透明または半透明の高分子材料（ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート、ポリエーテルスルフォン、ポリフッ化ビニル、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリアクリレート、非晶質ポリオレフィン、フッ素系樹脂等）、あるいは透明または半透明のＡｓ2Ｓ3、Ａｓ40Ｓ10、Ｓ40Ｇｅ10などのカルコゲノイドガラス、ＺｎＯ、Ｎｂ2Ｏ5、Ｔａ2Ｏ5、ＳｉＯ、Ｓｉ3Ｎ4、ＨｆＯ2、ＴｉＯ2などの金属酸化物及び窒化物などの材料、あるいは顔料等を含んだ材料や、表面に絶縁処理を施した金属材料から適宜選択して用いることができ、複数の基板材料を積層した積層基板を用いることもできる。
【０１１１】
支持基板１５の材料としては、さらに、用途によっては特定波長のみを透過する材料、光−光変換機能を有し特定の波長の光に変換する材料などであっても良い。光を透過する機能が不要な場合は特に材料を指定しない。
【０１１２】
電極層１６ａ，１６ｂに用いる材料は、光を透過する機能が必要な場合は発生した電荷を外部に効率良く取り出すものであれば良い。そのような材料としては、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ2）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の金属酸化物、あるいは、ＳｎＯ：Ｓｂ（アンチモン）、ＺｎＯ：Ａｌ（アルミニウム）、ＩＺＯ（Ｉｎ2Ｏ3：ＺｎＯ）といった混合物からなる透明導電膜、あるいは透明度を損なわない程度の厚さのＡｌ（アルミニウム）、Ｃｕ（銅）、Ｔｉ（チタン）、Ａｇ（銀）といった金属薄膜、これらの金属の混合薄膜、積層薄膜といった金属薄膜、あるいはポリピロール等の導電性高分子等を用いることができる。
【０１１３】
また、電極層１６ａ，１６ｂの材料としては、比較的高抵抗の塗布型ＩＴＯ、さらにはポリチオフェン（ｐｏｌｙ（ｅｔｈｙｌｅｎｅｄｉｏｘｙ）ｔｉｏｐｈｅｎｅ、以下、ＰＥＤＯＴと略する）、ポリフェニレンビニレン（以下、ＰＰＶと略する）、ポリフルオレン等の導電性高分子化合物を用いることもできる。
【０１１４】
電極層１６ａ，１６ｂの厚さは、十分な透明性を持たせるために５００ｎｍ以下の厚さにすることが望ましい。そして、光を透過する機能が不要な場合は上記の材料をより厚く成膜することでも対応可能である。
【０１１５】
また、電極層１６ａ，１６ｂの材料としては、複数の前述電極材料を積層したものでも良い。例えば、発生した電荷を外部に効率良く取り出すことができる、Ａｌ（アルミニウム）、Ｉｎ（インジウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｔｉ（チタン）、Ａｇ（銀）、Ｃａ（カルシウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）等の金属、あるいはこれらの金属の酸化物やフッ化物及びその合金、積層体等を用いることができる。
【０１１６】
電極層１６ａ，１６ｂの作製方法としては、真空蒸着法、抵抗加熱蒸着、電子ビーム蒸着、スパッタ法または電界重合法等の各種の重合法を適用できる。溶媒に可溶な材料を用いる場合は、溶媒に材料を溶かした溶液をスピンコート法等のウェットプロセスを用いることも可能であり、使用する材料、構成等に合ったものを任意に選択することが可能である。
【０１１７】
また、電極層１６ａ，１６ｂは、十分な導電性を持たせるため、または基板表面の凹凸による不均一な透過や反射を防ぐために、１ｎｍ以上の厚さにすることが好ましい。そして、電極層１６ａの無い部分を作製するパターニング方法としては、マスクを用いた真空蒸着法や、抵抗加熱蒸着、電子ビーム蒸着、スパッタ法、フォトリソグラフィ、インクジェット法、スプレー法、印刷法、などを用いることができる。
【０１１８】
このとき、電極層１６ａ，１６ｂの無い部分のスペース幅は、１０ｍｍ以下、好適には１ｍｍ以下が望ましい。この電極層１６ａ，１６ｂの無い部分のスペース幅は、小さいほど、有機光電変換材料を含む光電変換層１７で光電変換作用により発生した正孔あるいは電子を電極層１６ａ，１６ｂにできるだけ短い距離で移動させることができ、より高感度及び高変換効率の光電変換デバイスが得られることが解っている。
【０１１９】
次に、有機光電変換材料を含む光電変換層１７は、電子供与性有機材料及び電子受容性有機材料を含むものが代表的なものである。
【０１２０】
まず、電子供与性有機材料の例としては、フェニレンビニレン及びその誘導体、フルオレン及びその誘導体、特に骨格にキノリン基またはピリジン基を有するフルオレン系コポリマー（Ｐ０Ｆ６６、Ｐ１Ｆ６６、ＰＦＰＶ）、フルオレン含有アリールアミンポリマーカルバゾール及びその誘導体、インドール及びその誘導体、ピレン及びその誘導体、ピロール及びその誘導体、ピコリン及びその誘導体、チオフェン及びその誘導体、アセチレン及びその誘導体、ジアセチレン及びその誘導体、等の重合体やその誘導体が用いられる。
【０１２１】
また、電子供与性有機材料としては、デンドリマーとして総称される一群の高分子材料が用いられる。但し、高分子材料に限定されるものではない。即ち、高分子材料以外の電子供与性有機材料としては、例えば、ポルフィン、テトラフェニルポルフィン銅、フタロシアニン、銅フタロシアニン、チタニウムフタロシアニンオキサイド等のポリフィリン化合物や、１，１−ビス｛４−（ジ−Ｐ−トリルアミノ）フェニル｝シクロヘキサン、４，４’，４’’−トリメチルトリフェニルアミン、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラキス（Ｐ−トリル）−Ｐ−フェニレンジアミン、１−（Ｎ，Ｎ−ジ−Ｐ−トリルアミノ）ナフタレン、４，４’−ビス（ジメチルアミノ）−２−２’−ジメチルトリフェニルメタン、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラフェニル−４，４’−ジアミノビフェニル、Ｎ、Ｎ’−ジフェニル−Ｎ、Ｎ’−ジ−ｍ−トリル−４、４’−ジアミノビフェニル、Ｎ−フェニルカルバゾ−ル等の芳香族第三級アミンや、４−ジ−Ｐ−トリルアミノスチルベン、４−（ジ−Ｐ−トリルアミノ）−４’−〔４−（ジ−Ｐ−トリルアミノ）スチリル〕スチルベン等のスチルベン化合物や、トリアゾール及びその誘導体、オキサジザゾール及びその誘導体、イミダゾール及びその誘導体、ポリアリールアルカン及びその誘導体、ピラゾリン及びその誘導体、ピラゾロン及びその誘導体、フェニレンジアミン及びその誘導体、アニールアミン及びその誘導体、アミノ置換カルコン及びその誘導体、オキサゾール及びその誘導体、スチリルアントラセン及びその誘導体、フルオレノン及びその誘導体、ヒドラゾン及びその誘導体体、シラザン及びその誘導体、ポリシラン系アニリン系共重合体、高分子オリゴマー、スチリルアミン化合物、芳香族ジメチリディン系化合物、ポリ３−メチルチオフェン等の低分子材料も用いることができる。なお、有機材料であれば、化学的に修飾して有機材料への光の吸収波長特性を調整することも可能である。
【０１２２】
そして、電子受容性有機材料の例としては、前述した電子供与性有機材料と同様の低分子及び高分子材料の他、１，３−ビス（４−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル−１，３，４−オキサジアゾリル）フェニレン（ＯＸＤ−７）等のオキサジアゾール及びその誘導体、フルオレン及びその誘導体、アントラキノジメタン及びその誘導体、ジフェニルキノン及びその誘導体、フラーレン及びその誘導体、特にＰＣＢＭ（［６，６］−ｐｈｅｎｙｌ Ｃ６１ ｂｕｔｙｒｉｃ ａｃｉｄ ｍｅｔｈｙｌ ｅｓｔｅｒ）、カーボンナノチューブ及びその誘導体、等を繰り返し単位として有する重合体及び他のモノマーとの共重合体、またデンドリマーとして総称される一群の高分子材料が用いられる。なお、有機材料であれば、化学的に修飾して有機材料への光の吸収波長特性を調整することも可能である。
【０１２３】
有機光電変換材料を含む光電変換層１７の作製方法としては、真空蒸着法、スパッタリング法等の各種真空プロセスや、スピンコート法、ウェットプロセスなど、どのようなものであっても良く、使用する材料、構成等に合ったものを任意に選択することが可能である。また、インクジェット法なども用いることができる。また、外部からの水分や酸素などによる劣化が懸念される材料を用いる場合は、ガラスカバーやフィルムカバー、樹脂カバーなどの封止手段を用いてデバイス全体あるいは一部を外部と遮断する構成が好適である。
【０１２４】
電荷移動層２０に用いる材料しては、正孔あるいは電子の移動度が高く成膜性の良いものが好ましい。
【０１２５】
電荷移動層２０に用いる正孔移動度の高い材料としては、Ｎ，Ｎ’−ジフェニル−Ｎ，Ｎ’−ビス（３−メチルフェニル）−１、１’−ジフェニル−４，４’−ジアミン、ポルフィン、テトラフェニルポルフィン銅、フタロシアニン、銅フタロシアニン、チタニウムフタロシアニンオキサイドなどのポリフィリン化合物や、１，１−ビス｛４−（ジ−Ｐ−トリルアミノ）フェニル｝シクロヘキサン、４，４’，４’’−トリメチルトリフェニルアミン、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラキス（Ｐ−トリル）−Ｐ−フェニレンジアミン、１−（Ｎ，Ｎ−ジ−Ｐ−トリルアミノ）ナフタレン、４，４’−ビス（ジメチルアミノ）−２−２’−ジメチルトリフェニルメタン、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラフェニル−４，４’−ジアミノビフェニル、Ｎ、Ｎ’−ジフェニル−Ｎ、Ｎ’−ジ−ｍ−トリル−４、４’−ジアミノビフェニル、Ｎ−フェニルカルバゾ−ルなどの芳香族第三級アミンや、４−ジ−Ｐ−トリルアミノスチルベン、４−（ジ−Ｐ−トリルアミノ）−４’−〔４−（ジ−Ｐ−トリルアミノ）スチリル〕スチルベンなどのスチルベン化合物や、トリアゾール誘導体や、オキサジザゾール誘導体や、イミダゾール誘導体や、ポリアリールアルカン誘導体や、ピラゾリン誘導体や、ピラゾロン誘導体や、フェニレンジアミン誘導体や、アニールアミン誘導体や、アミノ置換カルコン誘導体や、オキサゾール誘導体や、スチリルアントラセン誘導体や、フルオレノン誘導体や、ヒドラゾン誘導体や、シラザン誘導体や、ポリシラン系アニリン系共重合体や、高分子オリゴマーや、スチリルアミン化合物や、芳香族ジメチリディン系化合物や、ポリ−３，４エチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）、テトラジヘクシルフルオレニルビフェニル（ＴＦＢ）あるいはポリ３−メチルチオフェン（ＰＭｅＴ）といったポリチオフェン誘導体などの有機材料が用いられる。また、ポリカーボネートなどの高分子中に低分子の正孔輸送層用の有機材料を分散させた、高分子分散系の正孔輸送層も用いられる。またＭｏＯ3、Ｖ2Ｏ5、ＷＯ3、ＴｉＯ2、ＳｉＯ、ＭｇＯなどの無機酸化物を用いることもある。
【０１２６】
また、電荷移動層２０に用いる電子移動度の高い材料としては、１，３−ビス（４−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル−１，３，４−オキサジアゾリル）フェニレン（ＯＸＤ−７）などのオキサジアゾール誘導体、アントラキノジメタン誘導体、ジフェニルキノン誘導体、シロール誘導体からなるポリマー材料など、あるいは、ビス（２−メチル−８−キノリノレート）−（パラ−フェニルフェノレート）Ａｌ（ＢＡｌｑ）、バソフプロイン（ＢＣＰ）などが用いられる。
【０１２７】
電荷移動層２０の作製方法としては、真空蒸着法、抵抗加熱蒸着、電子ビーム蒸着、スパッタ法または電界重合法などの各種の重合法により形成する。溶媒に可溶な材料を用いる場合は、溶媒に材料を溶かした溶液をスピンコート法等のウェットプロセス等を用いることも可能であり、使用する材料、構成等に合ったものを任意に選択することが可能である。また、インクジェット法、スプレー法、印刷法、なども用いることができる。
【０１２８】
電荷導電層２１の材料としては、低抵抗の材料であれば良く、特に規定されるものではないが、好適に光を透過する機能が必要な場合は、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の金属酸化物、あるいは、ＳｎＯ：Ｓｂ（アンチモン）、ＺｎＯ：Ａｌ（アルミニウム）、ＩＺＯ（Ｉｎ2Ｏ3：ＺｎＯ）といった混合物からなる透明導電膜や、あるいは透明度を損なわない程度の厚さのＡｌ（アルミニウム）、Ｃｕ（銅）、Ｔｉ（チタン）、Ａｇ（銀）、Ａｕ（金）、といった金属薄膜や、これらの金属の混合薄膜、積層薄膜といった金属薄膜を用いることができる。また、光を透過する機能が不要な場合は上記の材料をより厚く成膜することでも対応可能である。
【０１２９】
電荷導電層２１の作製方法としては、真空蒸着法、抵抗加熱蒸着、電子ビーム蒸着、スパッタ法等により形成する。電荷導電層２１のパターニング方法としては、マスクを用いた真空蒸着法、抵抗加熱蒸着、電子ビーム蒸着、スパッタ法やフォトリソグラフィなどの方法を用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１３０】
本発明に係る光電変換デバイスは、高感度で、かつ光信号への高い応答性を、有機光電変換材料を用いて実現できる光電変換デバイスとして有用であり、特に、太陽電池や、可視光を含む光通信における受信装置に用いるのに適している。
【図面の簡単な説明】
【０１３１】
【図１】本発明に係る光電変換デバイスの利用分野の一例（可視光通信）を示す図
【図２】本発明に係る光電変換デバイスの利用装置の一例を示す図
【図３】図２に示す利用装置の構成例を示すブロック図
【図４】光通信で使用する場合の光電変換デバイスにおける静電容量あるいは電気抵抗と応答性能との関係を示す特性図
【図５】本発明の実施の形態１による光電変換デバイスの構成を示す平面概略図及び断面概略図
【図６】図５に示す光電変換デバイスにおける光電変換動作を説明する図
【図７】従来の光電変換デバイスの構成例を示す平面概略図及び断面概略図
【図８】図５に示す光電変換デバイスに対する比較例を示す平面概略図及び断面概略図
【図９】本発明の実施の形態２による光電変換デバイスの構成を示す平面概略図及び断面概略図
【図１０】図９に示す光電変換デバイスにおける光電変換動作を説明する図
【図１１】本発明の実施の形態３による光電変換デバイスの構成を示す平面概略図及び断面概略図
【図１２】本発明の実施の形態４による光電変換デバイスの構成を示す平面概略図及び断面概略図
【図１３】本発明の実施の形態５による光電変換デバイスの構成を示す平面概略図及び断面概略図
【図１４】本発明の実施の形態６による光電変換デバイスの構成を示す平面概略図及び断面概略図
【図１５】本発明の実施の形態７による光電変換デバイスの構成を示す平面概略図及び断面概略図
【符号の説明】
【０１３２】
１ 光源
２ 可視光
３ 制御装置
４ 端末装置
５ 受光部
６ 出力部
７ Ｉ−Ｖ変換部
８ バンドパスフィルタ
９ 増幅器
１０ 復調回路
１１ 出力信号
１２ａ 応答性能が早い出力波形
１２ｂ 応答性能が遅い出力波形
１３ 光電変換領域
１４ 入射光
１５ 支持基板
１６ａ，１６ｂ，１６ｂ’ 電極層
１７ 有機光電変換材料を含む光電変換層
１８ プラス電荷
１９ マイナス電荷
２０ 電荷移動層
２１ 電荷導電層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、第１の電極層と、第２の電極層と、前記第１の電極層と前記第２の電極層の間に配置される光電変換層を配置し、入射光を電気信号に変換する光電変換デバイスであって、
前記第１の電極層と前記光電変換層の接触面が有する第１の面積は、前記第２の電極層と前記光電変換層の接触面が有する第２の面積よりも小さいことを特徴とする光電変換デバイス。
【請求項２】
前記基板は、光を透過する機能を有することを特徴とする請求項１に記載の光電変換デバイス。
【請求項３】
前記第１の電極層は、光を透過する機能を有することを特徴とする請求項１または２に記載の光電変換デバイス。
【請求項４】
前記第１の電極層は、前記第２の電極層と前記光電変換層の接触面内に分散して複数個設けられ、全てが電気的に接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の光電変換デバイス。
【請求項５】
前記第１の電極層と前記光電変換層との間に、正孔あるいは電子が移動する機能を有する電荷移動層が配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の光電変換デバイス。
【請求項６】
前記基板と前記第１の電極層との間の少なくとも一部に、電荷を移動する機能を有する電荷導電層が設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の光電変換デバイス。
【請求項７】
前記第１の電極層と前記光電変換層との間の少なくとも一部に、電荷を移動する機能を有する電荷導電層が設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の光電変換デバイス。
【請求項８】
前記第１の電極層と前記電荷移動層との間の少なくとも一部に、電荷を移動する機能を有する電荷導電層が設けられていることを特徴とする請求項５に記載の光電変換デバイス。
【請求項９】
λｉ＝光入射側の電極層の単位面積あたりの光透過率
λｍ＝電荷導電層の単位面積あたりの光透過率
Ｓ＝光電変換する領域の面積
α＝光電変換する領域の面積に対して面積が小さい電極層の面積の割合（α＜１）
β＝光電変換する領域の面積に対して面積が小さい電極層と電荷導電層が積層された面積の割合（β≦α＜１）
としたとき、
Ｓ×λｉ≦Ｓ×（α−β）×λｉ＋Ｓ×β（λｍ×λｉ）＋（１−α）Ｓ
を満たすことを特徴とする請求項８または９に記載の光電変換デバイス。
【請求項１】
基板上に、第１の電極層と、第２の電極層と、前記第１の電極層と前記第２の電極層の間に配置される光電変換層を配置し、入射光を電気信号に変換する光電変換デバイスであって、
前記第１の電極層と前記光電変換層の接触面が有する第１の面積は、前記第２の電極層と前記光電変換層の接触面が有する第２の面積よりも小さいことを特徴とする光電変換デバイス。
【請求項２】
前記基板は、光を透過する機能を有することを特徴とする請求項１に記載の光電変換デバイス。
【請求項３】
前記第１の電極層は、光を透過する機能を有することを特徴とする請求項１または２に記載の光電変換デバイス。
【請求項４】
前記第１の電極層は、前記第２の電極層と前記光電変換層の接触面内に分散して複数個設けられ、全てが電気的に接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の光電変換デバイス。
【請求項５】
前記第１の電極層と前記光電変換層との間に、正孔あるいは電子が移動する機能を有する電荷移動層が配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の光電変換デバイス。
【請求項６】
前記基板と前記第１の電極層との間の少なくとも一部に、電荷を移動する機能を有する電荷導電層が設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の光電変換デバイス。
【請求項７】
前記第１の電極層と前記光電変換層との間の少なくとも一部に、電荷を移動する機能を有する電荷導電層が設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の光電変換デバイス。
【請求項８】
前記第１の電極層と前記電荷移動層との間の少なくとも一部に、電荷を移動する機能を有する電荷導電層が設けられていることを特徴とする請求項５に記載の光電変換デバイス。
【請求項９】
λｉ＝光入射側の電極層の単位面積あたりの光透過率
λｍ＝電荷導電層の単位面積あたりの光透過率
Ｓ＝光電変換する領域の面積
α＝光電変換する領域の面積に対して面積が小さい電極層の面積の割合（α＜１）
β＝光電変換する領域の面積に対して面積が小さい電極層と電荷導電層が積層された面積の割合（β≦α＜１）
としたとき、
Ｓ×λｉ≦Ｓ×（α−β）×λｉ＋Ｓ×β（λｍ×λｉ）＋（１−α）Ｓ
を満たすことを特徴とする請求項８または９に記載の光電変換デバイス。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１０−２１９３８１（Ｐ２０１０−２１９３８１Ａ）
【公開日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−６５７６７（Ｐ２００９−６５７６７）
【出願日】平成２１年３月１８日（２００９．３．１８）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月１８日（２００９．３．１８）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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