(57)【要約】【課題】  光電変換層を含み光電変換機能を有する光電変換ユニットの複数個が積層して配置され、しかも、複数個の光電変換ユニット間の電気的接続形態を選択することが可能で、光電変換層に接する電極の材料を各光電変換層に対し最適化することを可能にする構造を有し、しかも、液漏れのおそれのない積層構造を簡易にコンパクトに形成できる光電変換装置を提供すること。【解決手段】  ＩＴＯ電極２と受光発電層３とアルミニウム電極４からなる有機半導体太陽電池７を形成し、その上に、アルミニウム電極４と受光発電層５とＩＴＯ電極６とからなる有機半導体太陽電池８を積層して形成し、これら２つの有機半導体太陽電池を外部負荷９に対して並列に接続する。アルミニウム電極４は、全面に蒸着された膜厚１０ｎｍ程度の薄膜と、その上にメッシュ状にパターニングして蒸着したメッシュとで形成され、光透過性を有する。【選択図】          図１
2006066707.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体状の光電変換層を有する光電変換装置であって、光透過性の第１電極と、第１光電変換層と、光透過性の第２電極と、第２光電変換層と、光透過性の第３電極とが積層された構造を構造単位として有し、前記第１電極、前記第２電極および前記第３電極を含む電極のうち、所定の電極が並列に接続されている、光電変換装置。
【請求項２】
前記第１電極と前記第１光電変換層と前記第２電極と前記第２光電変換層と前記第３電極とがこの順に積層された構造体と、逆の順に積層された構造体との積層体を有する、請求項１に記載した光電変換装置。
【請求項３】
前記第１電極、前記第２電極および前記第３電極がそれぞれ並列に接続されている、請求項２に記載した光電変換装置。
【請求項４】
前記第１電極と前記第１光電変換層と前記第２電極と前記第２光電変換層と前記第３電極とがこの順に積層された構造体の複数個が積層された積層体を有し、前記複数の構造体間が絶縁されている、請求項１に記載した光電変換装置。
【請求項５】
前記第１電極、前記第２電極および前記第３電極がそれぞれ並列に接続されている、請求項４に記載した光電変換装置。
【請求項６】
前記第１光電変換層と前記第２光電変換層、および前記第１電極と前記第３電極が、それぞれ同じ材料からなり、前記第１電極と前記第３電極とが接続されている、請求項１に記載した光電変換装置。
【請求項７】
固体状の光電変換層を有する光電変換装置であって、光透過性の第１電極と、前記光電変換層と、光透過性の第２電極とがこの順で積層された構造を構造単位として有し、この構造単位の複数個が積層され、この積層体の積層方向に直列に接続されている、光電変換装置。
【請求項８】
前記第１及び前記第２光電変換層が有機半導体層からなる受光層であり、光電池として構成されている、請求項１〜７のいずれか１項に記載した光電変換装置。
【請求項９】
光入射側の反対側の端面に、光反射層が設けられている、請求項８に記載した光電変換装置。
【請求項１０】
前記有機半導体層が、光電子のドナーとアクセプタとが接合した混合物からなる、請求項８に記載した光電変換装置。
【請求項１１】
前記有機半導体層において、前記ドナーと前記アクセプタとの間にバルクヘテロ接合が形成されている、請求項１０に記載した光電変換装置。
【請求項１２】
互いに異なる波長の光を吸収する複数の前記受光層が積層されている、請求項８に記載した光電変換装置。
【請求項１３】
前記受光層に導入する色素によって、カラーフィルター機能をもつように構成された、請求項８に記載した光電変換装置。
【請求項１４】
前記第１及び前記第２光電変換層が有機半導体層からなる発光層であり、有機電界発光装置として構成されている、請求項１〜７のいずれか１項に記載した光電変換装置。
【請求項１５】
一方の端面に光反射層が設けられている、請求項１４に記載した光電変換装置。
【請求項１６】
互いに異なる波長の光を発光する複数の前記発光層が積層され、複数の発光の混色による光が出射される、請求項１４に記載した光電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光エネルギーを電気エネルギーに変換して起電力を発生させる光電池や、電気エネルギーを光エネルギーに変換して光を発生させる有機電界発光素子などの光電変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
化石燃料に代わるエネルギー源として、太陽光がもつ光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池が注目され、種々の研究が行われてきた。
【０００３】
シリコンなどの無機半導体材料のｐｎ接合を利用する太陽電池は、比較的高い光電変換効率を示し、現在最も普及しているが、高純度の半導体材料を製造する工程やｐｎ接合を形成する工程が必要であり、製造工程におけるエネルギー消費が大きく、設備コストも高いという問題点がある。
【０００４】
この課題を解決する方法として、光照射を受けてキャリアを発生させる光半導体を電解質溶液と接触させ、両者の界面で起こる光誘起電子移動とそれに続く電気化学反応とによって起電力を発生させる光化学電池が提案されている（A.Fujishima，K.Honda，Nature, 238, 37(1972)）。
【０００５】
さらに、グレーツェルらによって、表面に光増感色素を付着させた酸化物半導体を電解質溶液と接触させ、光増感色素の光吸収によって誘起される光誘起電子移動とそれに続く電気化学反応とによって起電力を発生させる色素増感型光化学電池が提案されており（特許公報第２６６４１９４号、J. Am. Chem. Soc. (1993), 115, 6382-6390、Nature(1991), 353, 737-740等参照。）、新世代の太陽電池として期待されている。
【０００６】
上記の光化学電池では、二酸化チタンなどの安価な酸化物半導体を用いて低コストで光電変換素子を製造できる利点があり、とくに色素増感型光化学電池では、用いる光増感色素を変えることで吸収する光の波長を選択したり、あるいは複数の光増感色素を組み合わせて広い波長領域の光を利用したりすることができる利点がある。
【０００７】
また、近年の有機半導体技術の進展にともない、有機半導体を用いた太陽電池が提案されている。図１２は、一般的な有機半導体太陽電池の構造を示す断面図（ａ）とその等価回路（ｂ）とである。この有機半導体太陽電池では、透明基板１０１の上にＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などからなる透明電極１０２、有機半導体高分子材料からなる光電変換層１０３、アルミニウムなどからなる対向電極１０４が積層され、光電変換層である有機半導体高分子層１０３が仕事関数の異なる２種の電極で挟まれた構造が基本構造になっている（昆野昭則，応用物理，71，(4)，425−427(2002)、Christoph J.Brabec，N.Serdar Sariciftci，Jan C.Hummelen，Adv.Funct.Mater.，11，15−26(2001)）。
【０００８】
有機半導体太陽電池の動作原理モデルとしては、有機半導体分子が光を吸収して励起子となり、励起エネルギーの移動によって内部電場のある界面で電荷分離が起こり、正孔は仕事関数の大きい電極へ、電子は仕事関数の小さい電極へ流れるというモデルが一般に用いられている。
【０００９】
有機半導体太陽電池は、安価な有機半導体材料を用い低コストのプロセスで製造できることや、フレキシブルなプラスチック基板上に形成でき、大面積化が容易であることなどの特徴を有する。また、用いる有機半導体材料を変えることで吸収する光の波長を選択したり、あるいは複数の有機半導体材料を組み合わせて広い波長領域の光を利用したりすることができる利点がある。さらに、機械的衝撃に対して安定であり、色素増感型光化学電池が液体の電解質層を必要とするのに対し、有機半導体太陽電池は固体であるため、取り扱いが容易である利点もある。
【００１０】
しかしながら、色素増感型光化学電池や有機半導体太陽電池では、達成されている光電変換効率がシリコン系の太陽電池に比べて低く、十分ではないという問題点がある。この原因の主なものとして、光電変換が有効に行われる光吸収領域の厚さが十分ではないことがある。すなわち、色素増感型光化学電池では、光電変換に結びつく光吸収が起こる領域は、光増感色素を付着させた酸化物半導体の表面に限られ、十分な光吸収を行わせることができない。また、有機半導体太陽電池では、有機半導体高分子層１０３の厚さを励起子の拡散長以下にする必要があり、膜抵抗の増大を抑えるために半導体高分子層１０３の膜厚を厚くすることができず、例えば１００ｎｍ程度に抑える必要がある。このため、十分な光吸収を行わせることができない。
【００１１】
この問題を解決するために、従来、これらの電池で用いられてきた、金属電極などの光を反射する部材を、光を透過する部材に代え、複数個の電池を積層し、光入射側前段の電池で吸収できなかった光を後段の電池で吸収することによって光の利用率を高め、結果として光電変換効率を向上させる提案がなされている。
【００１２】
図１３は、後述の特許文献１に開示されている光電変換素子の構成を示す断面図である。この光電変換素子は、主として、電解質層１１２ａおよび１１２ｂと、電解質層１１２の両側に設けられた半導体電極１１１ａおよび１１１ｂと、中央に設けられた対向電極１１４とで構成され、光入射側の半導体電極１１１ａと電解質層１１２ａと対向電極１１４とで１つの光電池１１０ａが構成され、反対側の半導体電極１１１ｂと電解質層１１２ｂと対向電極１１４とでもう１つの光電池１１０ｂが構成され、これら２つの光電池はダイオード１１４ａおよび１１４ｂを介して並列に接続されている。
【００１３】
この光電変換素子の特徴は、対向電極１１４が、例えば、金属製のワイヤを用いてメッシュ状に形成された電極であり、十分な光透過性を有するように構成されていることにある。このため、光入射側の光電池１１０ａの半導体電極１１１ａばかりではなく、反対側の光電池１１０ｂの半導体電極１１１ｂにも十分な光が照射され、光電池１１０ｂにおいても光電変換が行われるため、光電池１１０ａが単独で設けられている素子に比べて、光の利用効率が向上する。
【００１４】
図１４は、後述の特許文献２に開示されている有機半導体素子１２０の構成を示す断面図である。有機半導体素子１２０では、陽極１２１と陰極１２２との間に、空間電荷制限電流（ＳＣＬＣ；Space Charge Limited Current）を流すことによって様々な機能を発現する機能性有機薄膜層１２３と、フローティング状の導電体薄膜層１２４とが交互に積層されている。
【００１５】
導電体薄膜層１２４は、光透過性で、例えば、厚さが数ｎｍ〜数十ｎｍ程度の金属薄膜や、金属酸化物の薄膜や、アクセプタやドナーをドープするなどの方法で暗導電性を発現させた有機半導体薄膜であり、機能性有機薄膜層１２３とオーミック接続するものが望ましい。
【００１６】
有機半導体素子１２０では、例えば、機能性有機薄膜層１２３が電子と正孔の注入によって発光する発光層である場合には、１つの機能性有機薄膜層１２３と、それに上方および下方で接している２つの導電体薄膜層１２４（あるいは電極１または２）が１つの有機電界発光素子（以下、有機ＥＬ素子と呼ぶことがある。）として機能する。従って、機能性有機薄膜層１２３がｎ層積層されている場合には、１つの有機半導体素子１２０中にｎ個の有機ＥＬ素子が積層され、直列に接続されていることになる。
【００１７】
電極１と２に電圧を印加すると、各機能性有機薄膜層１２３に電子と正孔が注入され、光が出射される。この光は、導電体薄膜層１２４が光透過性であるため、導電体薄膜層１２４を透過し、有機半導体素子１２０の端面から取り出される。
【００１８】
図１４には、有機半導体素子１２０に外部電源１２５を接続し、電圧の印加または電流の注入によって有機ＥＬ素子として機能させる例を示したが、機能性有機薄膜層１２３が光エネルギーを電気エネルギーに変換して起電力を発生させる機能を有し、外部からの電圧の印加や電流の注入を行わずに、有機半導体素子１２０を有機半導体太陽電池として機能させる場合にも、図１４に示した有機半導体素子１２０の構造は有効であると、特許文献２には記載されている。
【００１９】
この場合、機能性有機薄膜層１２３と、それに上方および下方で接している２つの導電体薄膜層１２４（あるいは電極１または２）が１つの有機半導体太陽電池として機能する。従って、機能性有機薄膜層１２３がｎ層積層されている場合には、１つの有機半導体素子１２０中にｎ個の有機半導体太陽電池が積層され、直列に接続されていることになる。
【００２０】
この有機半導体素子１２０の一方の端面から光を入射させると、入射光の一部は光入射端の機能性有機薄膜層１２３によって吸収されて光電変換される一方、吸収されなかった光は、導電体薄膜層１２４が光透過性であるため、導電体薄膜層１２４を透過して隣の機能性有機薄膜層１２３に入射する。ここでも、入射光の一部は機能性有機薄膜層１２３によって吸収されて光電変換される一方、吸収されなかった光は、導電体薄膜層１２４を透過してさらに隣の機能性有機薄膜層１２３に入射する。
【００２１】
このように、有機半導体素子１２０では、前段の機能性有機薄膜層１２３によって吸収されなかった光は、後段の機能性有機薄膜層１２３に送られ、そこでも光電変換が行われるので、１つの機能性有機薄膜層１２３が単独で設けられている素子に比べて、光の利用率が向上する。
【００２２】
【特許文献１】特開２０００−２６０４９２（第４頁、図１）
【特許文献２】特開２００３−２６４０８５（第７、８及び１０−１２頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
しかしながら、特許文献１に記載されている光化学電池や色素増感型光化学電池では、電解質液を用いなくてはならないので、構造が複雑になり、加工の手間もかかる上、液漏れのおそれもある。また、電解質層両側に透明基板を設ける必要があり、この構造単位を積層すると厚みが大きくなりすぎるという問題もある。
【００２４】
特許文献２に記載されている有機半導体素子では、有機半導体高分子が固体であるので、簡易に積層構造を形成でき、液漏れのおそれもない。しかし、この有機半導体素子１２０では、機能性有機薄膜層１２３と導電体薄膜層１２４とが交互に積層された積層体の両端にのみ電極が設けられ、中間の導電体薄膜層１２４に接続端子を設ける構造になっていない。このため、下記の問題が生じる。
【００２５】
機能性有機薄膜層１２３と、それに上方および下方で接している２つの導電体薄膜層１２４（あるいは電極１または２）によって形成される、有機ＥＬ素子や有機半導体太陽電池などの有機機能素子は、直列接続以外の接続形式、例えば並列接続をとることができない。直列接続では、接続された各有機機能素子を流れる電流は同じでなければならないので、直列に接続されている有機機能素子の中で最も性能の低い素子によってその他の素子の性能が制限される不都合がある。例えば、有機半導体素子１２０を有機半導体太陽電池として応用する場合、その出力電流は、その有機半導体素子１２０中に含まれる最も発電性能の低い有機半導体太陽電池の出力電流と同じ大きさに制限される。また、電池の内部抵抗は各有機半導体太陽電池の内部抵抗の和になり、大きくなりすぎるという問題がある。
【００２６】
また、積層体中を流れる電流の方向は一方向に定まっており、その中で各導電体薄膜層１２４は両側を機機能性有機薄膜層１２３によって挟まれている。このため、各導電体薄膜層１２４は、一方の機能性有機薄膜層１２３に対しては正極（または陽極）として機能し、他方の機能性有機薄膜層１２３に対しては負極（または陰極）として機能しなければならず、仕事関数などが最適の各導電体薄膜層１２４をすべての機能性有機薄膜層１２３に対して設けることは、極めて難しく、実際的には不可能である。
【００２７】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、光電変換層を含み光電変換機能を有する光電変換ユニットの複数個が積層して配置され、しかも、複数個の光電変換ユニット間の電気的接続形態を選択することが可能で、光電変換層に接する電極の材料を各光電変換層に対し最適化することを可能にする構造を有し、しかも、液漏れのおそれのない積層構造を簡易にコンパクトに形成できる光電変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
即ち、本発明は、固体状の光電変換層を有する光電変換装置であって、光透過性の第１電極と、第１光電変換層と、光透過性の第２電極と、第２光電変換層と、光透過性の第３電極とが積層された構造を構造単位として有し、前記第１電極、前記第２電極および前記第３電極を含む電極のうち、所定の電極が並列に接続されている、第１の光電変換装置に係わり、また、固体状の光電変換層を有する光電変換装置であって、光透過性の第１電極と、前記光電変換層と、光透過性の第２電極とがこの順で積層された構造を構造単位として有し、この構造単位の複数個が積層され、この積層体の積層方向に直列に接続されている、第２の光電変換装置に係わるものである。
【発明の効果】
【００２９】
本発明の光電変換装置によれば、前記固体状の光電変換層を有しているので、液漏れのおそれがなく、簡易でコンパクトな積層構造を形成することができる。また、前記第１電極、前記第２電極および前記第３電極が光透過性であるため、電極によって光の透過が阻止されることがない。このため、前記光電変換装置が光電池として構成されている場合には、第１の光電変換装置では少なくとも１組の前記第１光電変換層と前記第２光電変換層とで光電変換が行われ、第２の光電変換装置では複数個の前記光電変換層で光電変換が行われるので、単独の光電変換層を用いる場合に比べ、光の利用率を高め、光電変換効率を向上させることができる。また、積層方向両端面のいずれの側からも入射光を取り込むことができ、利便性が向上する。前記光電変換装置が電界発光装置として構成されている場合には、第１の光電変換装置では少なくとも１組の前記第１光電変換層と前記第２光電変換層とで光電変換が行われ、第２の光電変換装置では複数個の前記光電変換層で光電変換が行われ、これらの光電変換層の発光光が合わせて出射されるので、光源の輝度が向上する。また、積層方向両端面のいずれの側からも出射光を取り出すことができ、利便性が向上する。
【００３０】
また、本発明の第１の光電変換装置では、前記第１電極と前記第１光電変換層と前記第２電極と前記第２光電変換層と前記第３電極とが積層された構造を構造単位としているので、前記第１電極と前記第１光電変換層と前記第２電極とで構成される光電変換ユニットと、前記第２電極と前記第２光電変換層と前記第３電極とで構成される光電変換ユニットとの積層構造を形成することができ、前記第１電極、前記第２電極および前記第３電極を含む電極のうち、所定の電極が並列に接続されているので、これらの光電変換ユニット同士を並列接続を含めた所定の接続形態で電気的に接続することができる。
【００３１】
この際、前記第１電極は前記第１光電変換層のみに接し、前記第３電極は前記第２光電変換層のみに接し、前記第１光電変換層と前記第２光電変換層とに接する前記第２電極も正極と負極（または陽極と陰極）とを兼ねることは通常ないので、前記第１光電変換層および前記第２光電変換層に対し仕事関数などが最適な材料をそれぞれの電極材料として選択することができる。なお、光電変換ユニットを並列に接続する装置では、１つの光電変換ユニットが絶縁状態で機能を停止しても他のユニットにその影響がおよばない利点がある。
【００３２】
また、本発明の第２の光電変換装置では、前記第１電極と前記光電変換層と前記第２電極とがこの順で積層された構造を構造単位とし、この構造単位の複数個が積層されているので、前記第１電極と前記光電変換層と前記第２電極とで構成される光電変換ユニットの積層構造を形成することができ、これらの光電変換ユニットが直列に接続されている。この際、特許文献２の導電体薄膜層とは異なり、前記第１電極と前記第２電極とは、前記光電変換層のみに接しているので、前記光電変換層に対し仕事関数などが最適な材料をそれぞれの電極材料として選択することができる。この構造は電極数は多くなるが、最も単純な構造の繰り返しで前記光電変換装置を構成することができるメリットがある。なお、光電変換ユニットを直列に接続する装置では、１つの光電変換ユニットが短絡状態で機能を停止しても、他のユニットに及ぶ影響を最小限にとどめ得る利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
本発明の第１の光電変換装置において、前記第１電極と前記第１光電変換層と前記第２電極と前記第２光電変換層と前記第３電極とがこの順に積層された構造体と、逆の順に積層された構造体との積層体を有するのがよい。この際、前記第１電極、前記第２電極および前記第３電極がそれぞれ並列に接続されているのがよい。このようにすると、前記第３電極を下部の光電変換ユニットと上部の光電変換ユニットとで共用することができ、少ない電極数で前記光電変換装置を構成することができ、前記光電変換層が占める割合を高めることができる。
【００３４】
また、前記第１電極と前記第１光電変換層と前記第２電極と前記第２光電変換層と前記第３電極とがこの順に積層された構造体の複数個が積層された積層体を有し、前記複数の構造体間が絶縁されているのがよい。この際、前記第１電極、前記第２電極および前記第３電極がそれぞれ並列に接続されているのがよい。この構造は上記の構造に比べて部品数がやや多くなるが、単純な構造の繰り返しで前記光電変換装置を構成できるメリットがある。
【００３５】
前記第１光電変換層と前記第２光電変換層、および前記第１電極と前記第３電極が、それぞれ同じ材料からなり、前記第１電極と前記第３電極とが接続されているのがよい。前記第１光電変換層と前記第２光電変換層、および前記第１電極と前記第３電極とが同じ材料からなる場合には、光起電力など、前記上部の光電変換ユニットと前記下部の光電変換ユニットの電気的特性が同じになるので、前記第１電極と前記第３電極とを直接、並列に接続することができ、配線構造が簡易になる。
【００３６】
本発明の第１および第２の光電変換装置において、前記第１及び前記第２光電変換層が有機半導体層からなる受光層であり、光電池として構成されているのがよい。
【００３７】
この際、光入射側の反対側の端面に、光反射層が設けられているのがよい。このようにすると、透過してしまった光をもう一度前記第１及び前記第２光電変換層にもどすことができ、光の利用率を高めることができる。
【００３８】
また、前記有機半導体層が、光電子のドナーとアクセプタとが接合した混合物からなり、とりわけ、ドナーとアクセプタとのバルクヘテロ接合が形成されるのがよい。ドナー層とアクセプタ層とが面で接する通常の接合とは異なり、バルクヘテロ接合では、ドナー層とアクセプタ層とが互いに相手側の層内に入り込み合う境界領域が形成され、この境界領域内を縦横にはり巡らすように複雑な形状の接合面が形成され、光吸収で生じた励起子が接合面に到達できる領域がこの境界領域全体に広がるため、光電変換効率が飛躍的に向上する（Peter Peumans, Soichi Uchida and Stephen R.Forrest，Nature，425，158-162 (2003)）。
【００３９】
ドナーとしては、π電子共役系を有する高分子や色素含有高分子などのｐ型半導体分子がよく、アクセプタとしてはｎ型の半導体高分子やフラーレンなどがよい。具体的には、有機高分子化合物のドナーであるポリ（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、フラーレン誘導体である６，６−フェニル−Ｃ６１ 酪酸メチルエステル（ＰＣＢＭ）との組み合わせなどを用いるのがよい。その他に、有機高分子化合物のドナーとアクセプタとである、ＭＥＨ−ＰＰＶとシアノ−ＰＰＶ（ＣＮ−ＰＰＶ）との組み合わせや、低分子量有機化合物のドナーとアクセプタとである銅フタロシアニン錯体（ＣｕＰｃ）と３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボキシリック−ビス−ベンズイミダゾール（ＰＴＣＢＩ）との組み合わせや、有機半導体ドナーと無機半導体アクセプタとであるポリ（３−ヘキシルチオフェン）（Ｐ３ＨＴ）とセレン化カドミウム（ＣdＳe）との組み合わせであるのもよい。
【００４０】
また、互いに異なる波長の光を吸収する複数の前記受光層が積層されているのがよい。このようにすると、光の利用率を高めることができる。
【００４１】
また、前記受光層に導入する色素によって、カラーフィルター機能をもつように構成されているのがよい。このようにすると、さまざまな色を形成し、デザインに使用することができる。
【００４２】
また、積層構造の膜厚を制御し、多重反射干渉によって、発電に利用する波長の光の表面反射を抑制し、あるいは積層構造内に光を閉じ込め、光の利用率を向上させ、より多くの光を発電に寄与させることができる。
【００４３】
或いは、前記第１及び前記第２光電変換層が有機半導体層からなる発光層であり、有機電界発光装置として構成されているのがよい。
【００４４】
この際、一方の端面に光反射層が設けられているのがよい。このようにすることで、光を一方に集め、輝度の高い有機電界発光装置を構成することができる。
【００４５】
また、互いに異なる波長の光を発光する複数の前記発光層が積層され、複数の発光の混色による光が出射されるのがよい。このようにすることで、さまざまな色を形成し、デザインに使用することができる。
【００４６】
次に、本発明の好ましい実施の形態を図面参照下に具体的かつ詳細に説明する。
【００４７】
実施の形態１
実施の形態１は、請求項１に記載した、前記光透過性の第１電極と、前記第１光電変換層と、前記光透過性の第２電極と、前記第２光電変換層と、前記光透過性の第３電極とが積層された構造単位の１単位からなり、請求項６に記載したように、前記受光層である前記第１光電変換層と前記第２光電変換層、および前記第１電極と前記第３電極とが同じ材料で形成され、前記第１電極と前記第３電極とが接続された光電変換装置を、請求項８に記載したように前記光電池として構成した例である。
【００４８】
図１は、実施の形態１に基づく光電池の構造を示す説明図である。図１（ａ）は、構造をわかりやすくするために光電池の一部を分解して示した斜視図であり、図１（ｂ）は光電池の断面図であり、図１（ｃ）はその等価回路図である。但し、図１（ａ）の斜視図では、透明基板１を図示省略している（後述の変形例を示す図２〜４でも同様である。）。
【００４９】
この光電池では、前記第１電極であるＩＴＯ（Indium Tin Oxide）電極２と前記第１光電変換層である受光発電層３と前記第２電極であるアルミニウム電極４からなる光電変換ユニットによって１つの有機半導体太陽電池７が形成され、また、前記第３電極であるＩＴＯ電極６と前記第２光電変換層である受光発電層５と前記第２電極であるアルミニウム電極４からなる光電変換ユニットによってもう１つの有機半導体太陽電池８が形成され、これら２つの有機半導体太陽電池が図１（ｃ）に示すように外部負荷９に対して並列に接続されている。
【００５０】
従来の一般的な有機半導体太陽電池を積層して配置できない原因は、図１２に示したように、アルミニウムなどの金属からなる対向電極１０４が全面に形成され、光が反射されてしまう構造になっていることにある。そこで実施の形態１では、アルミニウム電極４を光を透過する構造にすることで電池を積層することを可能とした。図１に示した光電池は、光透過性をもたせたアルミニウム電極４の両側を受光発電層３と５で挟み、その両外側を別種の光透過性を持つ電極、ここではＩＴＯ電極２と６で挟んだ上下対称の構造を有している。以下、作製方法も含めて、光電池の各部について説明する。
【００５１】
透明基板１は、ガラス基板などの透明基板である。光電池を低コスト化したり、曲面などに設置できるように柔軟性をもたせたりするためには、透明なプラスチックフィルム基板、例えばポリカーボネートやポリエチレンテレフタラートなどからなるプラスチック基板を用いるのがよい。
【００５２】
透明基板１の上には、前記光透過性の第１電極としてＩＴＯ薄膜からなるＩＴＯ電極２が形成されている。ＩＴＯ電極２は、例えば、スパッタリング法によって、厚さ１００ｎｍ、膜抵抗１０Ω、膜の抵抗率１×１０-4 Ω・ｃｍに形成されている。透明電極としては、ＩＴＯの他にアンチモンまたはフッ素をドープした酸化スズ（ＡＴＯまたはＦＴＯ）や酸化亜鉛などからなる透明導電膜を用いることができ、スパッタリング法や真空蒸着法などによって形成することができる。
【００５３】
ＩＴＯ電極２の上には、前記受光層である前記第１光電変換層として受光発電層３が形成されている。受光発電層３は、例えば、光を受光し光電子を放出するドナーと、その光電子を受け取り電荷分離を実現するアクセプタとが接合した混合物からなるのがよい。ドナーとしては、π電子共役系を有する高分子や色素含有高分子などのｐ型半導体分子がよく、アクセプタとしてはｎ型の半導体高分子やフラーレンなどがよい。
【００５４】
具体的には、ドナーとしてＭＥＨ−ＰＰＶを用い、アクセプタとしてＰＣＢＭを用いるのがよい。図２は、ＭＥＨ−ＰＰＶとＰＣＢＭの分子構造を示す説明図である。
【００５５】
例えば、ＭＥＨ−ＰＰＶとＰＣＢＭとを１：４の質量比でクロロベンゼンに溶解させた混合溶液（２ｗｔ％）をスピンコート法によりＩＴＯ電極２の上に塗布し、クロロベンゼンを蒸発させることで混合物薄膜を形成し、受光発電層３とする。受光発電層３は、上記の混合溶液を３０００ｒｐｍで３０秒間スピンコートすることによって、厚さ２００ｎｍほどに形成されているのがよい。
【００５６】
受光発電層３の上には、光透過性を有する電極としてアルミニウム電極４が形成されている。アルミニウム電極４は次に述べる２つの工程で形成される。
【００５７】
まず、受光発電層３の全面に蒸着によってアルミニウム薄膜４ａを形成する。アルミニウム薄膜４ａは、光が十分に透過するように、膜厚１０ｎｍ程度に薄く形成する。
【００５８】
次に、アルミニウム薄膜４ａの上に、メタルマスクを用いてメッシュ状にパターニングしながらアルミニウムメッシュ４ｂを蒸着する。アルミニウムメッシュ４ｂは、例えば、膜厚１００ｎｍ程度、線幅６０μｍ、ピッチ５００μｍとする。アルミニウムメッシュ４ｂは、網目部分の隙間によって光透過性を確保しながら、網の線材が十分な厚さに形成され、十分な導電性と強度とを有し、アルミニウム薄膜４ａの支持体としても機能する。
【００５９】
以上に説明したＩＴＯ電極２と受光発電層３とアルミニウム電極４とによって有機半導体太陽電池７が形成されている。
【００６０】
アルミニウム電極４の上には、受光発電層３と同様に受光発電層５が形成され、その上にＩＴＯ電極６が積層され、もう１つの有機半導体太陽電池８が形成されている。ＩＴＯ電極６をスパッタ法により形成する際には、スパッタリングによりＩＴＯ微粒子が受光発電層５を貫通しないように、初めはスパッタパワーをできるだけ小さく設定する。例えば、初め３０分間は８０Ｗでスパッタリングを行い、その後３０分間は１６０Ｗでスパッタリングを行う。
【００６１】
このようにして形成された光電池の一方の端面から光を入射させると、入射光の一部は光入射端の受光発電層３によって吸収されて光電変換される一方、吸収されなかった光は、アルミニウム電極４が光透過性であるため、アルミニウム電極４を透過して受光発電層５に入射する。ここでも、入射光の一部は受光発電層５によって吸収されて光電変換される。このように、前段の受光発電層３によって吸収されなかった光は、後段の受光発電層５に透過し、そこでも光電変換が行われるので、本実施の形態の光電池では、受光発電層３が単独で設けられている光電池に比べて、光の利用率が向上する。
【００６２】
この際、有機半導体太陽電池７または８では、電子は仕事関数の小さいアルミニウム電極４へ流れ、正孔は仕事関数の大きいＩＴＯ電極２または６へ流れるので、ＩＴＯ電極２および６が正極になり、アルミニウム電極４が負極になる。この結果、受光発電層３では電流は下向きに流れ、受光発電層５では電流は下向きに流れ、２つの受光発電層３と５では電流が流れる方向が逆向きになっている。アルミニウム電極４は、２つの受光発電層３と５に接しているが、いずれの層に対しても負極として機能しており、仕事関数の小さいアルミニウムの特性がいずれの層に対しても有効に生かされている。
【００６３】
ここでは、ＩＴＯからなる正極と、アルミニウムからなる負極とを設ける例を示したが、これに限られるものではない。より一般的には、本実施の形態の光電池の構造によれば、受光発電層３と５の特性に合わせて、仕事関数などが適切な電極材料を用いて正極および負極を形成することができるので、受光発電層３と５の性能を十分に発揮させることができる。この結果、有機半導体太陽電池の積層による光利用率の向上により、光電変換効率の向上を達成することができる。
【００６４】
これに対し、特許文献２に開示されている有機半導体素子による太陽電池では、前述したように、導電体薄膜層１２４は、これに接している一方の機能性有機薄膜層１２３に対しては正極として機能し、他方の機能性有機薄膜層１２３に対して負極として機能しなければならない。このため、接している２つの機能性有機薄膜層１２３の両方に対して適切な導電体薄膜層１２４の材料を選択することは非常に難しい。この結果、各機能性有機薄膜層１２３の性能を十分に発揮させることができず、積層することによって光利用率が向上するとしても、光電変換効率の向上を達成することは難しい。この点で、本実施の形態の光電池は、特許文献２に開示されている有機半導体素子とは本質的に異なっている。
【００６５】
なお、電極材料を選択する際に考慮する、仕事関数以外の選択基準として、光入射側とは反対の側の電極を除いて、光透過性の電極を形成できることや、大気中で安定であることなどを挙げることができる。
【００６６】
本実施の形態に基づく光電池では、受光発電層３と５、ＩＴＯ電極２と６が同じ材料で形成されているので、有機半導体太陽電池７と８の光起電力は同じになる。従って、図１（ｂ）および（ｃ）に示すように、ＩＴＯ電極２と６とを直接接続し、有機半導体太陽電池７と８とを外部負荷９に対し並列に接続することができ、配線構造が簡易になる。
【００６７】
なお、図１では下方から光が入射する場合を示したが、上方から光が入射するようにしてもよい。本実施の形態に基づく光電池では、積層方向両端面のいずれの側からも入射光を取り込むことができ、利便性が向上する。
【００６８】
図３は、実施の形態１の変形例を示す斜視図である。この光電池では、一方の端面に光反射層１１が設けられている。このようにすると、透過してしまった光をもう一度、受光発電層３と５にもどすことができ、光の利用率を高めることができる。
【００６９】
図４は、実施の形態１の他の変形例を示す斜視図である。この光電池では、ＩＴＯ電極２と６の代わりに、アルミニウムよりも仕事関数の大きい金属からなり、アルミニウム電極４と同様に、金属薄膜と金属メッシュで構成され、光透過性を有する金属電極１２と１３とが用いられている。仕事関数の大きい金属としては、例えば、金や白金などがよい。
【００７０】
図５は、実施の形態１のさらに他の変形例を示す斜視図である。この光電池では、アルミニウム電極４の代わりに、ＩＴＯよりも仕事関数の小さい金属酸化物、例えば酸化亜鉛ＺnＯからなる電極１４が用いられている。金属酸化物電極１４を形成する方法としては、熱ダメージの少ないスパッタ法がよい。
【００７１】
実施の形態２
実施の形態２は、請求項２と３に記載した、前記第１電極と前記第１光電変換層と前記第２電極と前記第２光電変換層と前記第３電極とがこの順に積層された構造体と、逆の順に積層された構造体との積層体を有し、前記第１電極、前記第２電極および前記第３電極がそれぞれ並列に接続されている光電変換装置のうち、その最小構成の装置を光電池として構成した例である。
【００７２】
図６（ａ）は、本実施の形態に基づく光電池の構造を示す断面図であり、図６（ｂ）は、その等価回路図である。
【００７３】
この光電池では、ＩＴＯなどの第１電極２１、受光発電層である第１光電変換層２２、アルミニウム電極などの第２電極２３、受光発電層である第２光電変換層２４、そしてＩＴＯなどの第３電極２５がこの順で積層された前記構造体の上に、上記の逆順に第３電極２５、第２光電変換層２６、第２電極２７、第１光電変換層２８、そして第１電極２９が積層された、前記逆の順に積層された構造体が形成されている。ここで、「第１」、「第２」、「第３」の修飾語は、例えば「第１」が付された電極同士は、材質やその上下に形成されている層構造が同じで、同等の機能を有することを示すことばとして用いるものとする（以下、同様。）。
【００７４】
前記構造体には、第１電極２１と第１光電変換層２２と第２電極２３とで構成される第１光電変換ユニット３１と、第２電極２３と第２光電変換層２４と第３電極２５とで構成される第２光電変換ユニット３２が含まれ、前記逆の順に積層された構造体には、第３電極２５と第２光電変換層２６と第２電極２７とで構成される第２光電変換ユニット３３と、第２電極２７と第１光電変換層２８と第１電極２９とで構成される第１光電変換ユニット３４が含まれるが、第１光電変換ユニット３１と第２光電変換ユニット３２とは第２電極２３を共用し、第２光電変換ユニット３２と第２光電変換ユニット３３とは第３電極２５を共用し、第２光電変換ユニット３３と第１光電変換ユニット３４とは第２電極２７を共用している。第１および第２光電変換ユニット３１、３４および３２，３３は、有機半導体太陽電池として機能する。
【００７５】
このように、本実施の形態に基づく光電池では、１つの電極の上下に位置する２つの光電変換ユニット間でその電極を共用できるように考慮されているので、光電変換ユニットを積層した場合に電極数を最少に抑えることができ、電極での反射や散乱による光損失を最少に抑えることができる。また、前記積層体の厚さが電極の厚みによって増加するのを抑え、前記積層体の厚さを同じとするなら、より多くの光電変換ユニットが含まれるようにすることができる。
【００７６】
また、第１電極２１と２９、および第３電極２５は仕事関数の大きい材料で形成し、第２電極２３と２７は仕事関数の小さい材料で形成し、仕事関数の大きい電極と仕事関数の小さい電極とが積層方向において交互に並ぶように配置されている。これを逆にして、第１電極および第３電極を仕事関数の小さい材料で形成し、第２電極を仕事関数の大きい材料で形成することも可能である。
【００７７】
このようにして形成された光電池の一方の端面から光を入射させると、入射光の一部は光入射端の第１光電変換層２２によって吸収されて光電変換される一方、吸収されなかった光は、第２電極２３が光透過性であるため、第２電極２３を透過して第２光電変換層２４に入射する。ここでも、入射光の一部は第２光電変換層２４によって吸収されて光電変換される。このように、前段の第１光電変換層２２によって吸収されなかった光は、後段の第２光電変換層２４や２６、あるいは第１光電変換層２８へ透過し、そこでも光電変換が行われるので、本実施の形態の光電池では、第１光電変換層２２が単独で設けられている光電池に比べて、光の利用率が向上する。
【００７８】
この際、各光電変換ユニット３１〜３４で、電子は仕事関数の小さい第２電極へ流れ、正孔は仕事関数の大きい第１電極あるいは第３電極へ流れるので、第１電極２１と２９、および第３電極２５はどの光電変換ユニットでも正極として機能し、第２電極２３と２７はどの光電変換ユニットでも負極として機能し、１つの電極が正極と負極を兼ねることはない。このように、どの光電変換ユニットでも、仕事関数の大きい電極は正極として機能し、仕事関数の小さい電極は負極として機能し、各電極の特性が有効に生かされている。
【００７９】
このような場合、実施の形態１と同様に、光電変換層の特性に合わせて、仕事関数などが適切な電極材料を選択して正極および負極を形成することができるので、光電変換層の性能を十分に発揮させることができる。この結果、有機半導体太陽電池の積層による光利用率の向上により、光電変換効率の向上を達成することができる。
【００８０】
これに対して、前述したように、特許文献２に開示されている有機半導体素子による太陽電池では、積層方向両端部にしか電極がないため、電流は積層体中を一方向に流れる他はなく、導電体薄膜層１２４は、これに接している一方の機能性有機薄膜層１２３に対しては正極として機能し、他方の機能性有機薄膜層１２３に対して負極として機能しなければならない。このため、接している２つの機能性有機薄膜層１２３の両方に対して適切な導電体薄膜層１２４の材料を選択することは非常に難しい。この結果、各機能性有機薄膜層１２３の性能を十分に発揮させることができず、積層することによって光利用率が向上するとしても、光電変換効率の向上を達成することは難しい。この点で、本実施の形態の光電池は、特許文献２に開示されている有機半導体素子とは本質的に異なっている。
【００８１】
本実施の形態の光電池では、光電変換ユニット３１と３４、および光電変換ユニット３２と３３とが同等に形成されているので、各組の光起電力は同じになる。従って、図６（ａ）および（ｂ）に示すように、第１電極２１と第１電極２９、および第２電極２３と第２電極２７とを直接接続し、光電変換ユニット３１と３４とを外部負荷３５に対し並列に接続し、光電変換ユニット３２と３３とを外部負荷３６に対し並列に接続するのがよい。
【００８２】
なお、図６では下方から光が入射する場合を示したが、上方から光が入射するようにしてもよい。本実施の形態に基づく光電池では、積層方向両端面のいずれの側からも入射光を取り込むことができ、利便性が向上する。
【００８３】
実施の形態３
実施の形態３は、請求項４と５に記載した、前記第１電極と前記第１光電変換層と前記第２電極と前記第２光電変換層と前記第３電極とがこの順に積層された構造体の複数個が積層された積層体を有し、これらの構造体間が絶縁され、前記第１電極、前記第２電極および前記第３電極がそれぞれ並列に接続されている光電変換装置のうち、その最小構成の装置を光電池として構成した例である。
【００８４】
図７（ａ）は、実施の形態３に基づく光電池の構造を示す断面図であり、図７（ｂ）は、その等価回路図である。
【００８５】
この光電池では、実施の形態２に基づく光電池で用いられていた前記逆の順に積層された構造体を用いず、ＩＴＯなどの第１電極４１、受光発電層である第１光電変換層４２、アルミニウム電極などの第２電極４３、受光発電層である第２光電変換層４４、そしてＩＴＯなどの第３電極４５がこの順で積層された前記構造体のみの繰り返しによって光電池を構成し、これらの構造体間は絶縁層４６で絶縁する。この構造は実施の形態２に基づく光電池の構造に比べると電極数がやや多くなるが、単純な構造の繰り返しで光電池を構成できるメリットがある。
【００８６】
本実施の形態に基づく光電池は、上記の点以外は実施の形態２に基づく光電池と本質的に同じであるので、下記に述べるように、実施の形態２に記載したと同様の特徴および作用効果を有する。
【００８７】
構造体には、第１電極４１と第１光電変換層４２と第２電極４３とで構成される第１光電変換ユニット４７と、第２電極４３と第２光電変換層４４と第３電極４５とで構成される第２光電変換ユニット４８とが含まれ、これらは有機半導体太陽電池として機能する。
【００８８】
このように、本実施の形態の光電池では、第１電極４１と第３電極４５は光電変換ユニット間で共用しないものの、第２電極４３は第１光電変換ユニット４７と第２光電変換ユニット４８とで共用しているので、電極数を少なく抑えることができ、電極での反射や散乱による光損失を最少に抑えることができる。また、前記積層体の厚さが電極の厚みによって増加するのを抑え、前記積層体の厚さを同じとするなら、より多くの光電変換ユニットが含まれるようにすることができる。
【００８９】
第１電極２１と第３電極２５は仕事関数の大きい材料で形成し、第２電極２３は仕事関数の小さい材料で形成する。これを逆にして、第１電極および第３電極を仕事関数の小さい材料で形成し、第２電極を仕事関数の大きい材料で形成することも可能である。
【００９０】
このようにして形成された光電池の一方の端面から光を入射させると、入射光の一部は光入射端の第１光電変換層４２によって吸収されて光電変換される一方、吸収されなかった光は、第２電極４３が光透過性であるため、第２電極４３を透過して第２光電変換層４４に入射する。ここでも、入射光の一部は第２光電変換層４４によって吸収されて光電変換される。このように、前段の第１光電変換層４２によって吸収されなかった光は、後段の第２光電変換層４４、あるいは後段の積層体へ透過し、そこでも光電変換が行われるので、本実施の形態の光電池では、第１光電変換層４２が単独で設けられている光電池に比べて、光の利用率が向上する。
【００９１】
この際、光電変換ユニット４７と４８では、電子は仕事関数の小さい第２電極へ流れ、正孔は仕事関数の大きい第１電極あるいは第３電極へ流れるので、第１電極４１と第３電極４５は正極として機能し、第２電極４３は負極として機能し、１つの電極が正極と負極を兼ねることはない。このように、どの光電変換ユニットでも、仕事関数の大きい電極は正極として機能し、仕事関数の小さい電極は負極として機能し、各電極の特性が有効に生かされている。
【００９２】
このような場合、実施の形態１および２と同様に、光電変換層の特性に合わせて、仕事関数などが適切な電極材料を選択して正極および負極を形成することができるので、光電変換層の性能を十分に発揮させることができる。この結果、有機半導体太陽電池の積層による光利用率の向上により、光電変換効率の向上を達成することができる。
【００９３】
本実施の形態の光電池では、積層された２つの構造体は同等であるから、各光電変換ユニット４７同士、および光電変換ユニット４８同士の光起電力は同じになる。従って、図７（ａ）および（ｂ）に示すように、第１電極４１同士、第２電極４３同士および第３電極４５同士をそれぞれ直接接続し、光電変換ユニット４７同士を外部負荷４９に対し並列に接続し、光電変換ユニット４８同士を外部負荷５０に対し並列に接続するのがよい。
【００９４】
なお、図７では下方から光が入射する場合を示したが、上方から光が入射するようにしてもよい。本実施の形態に基づく光電池では、積層方向両端面のいずれの側からも入射光を取り込むことができ、利便性が向上する。
【００９５】
実施の形態４
実施の形態４は、請求項７に記載した、前記光透過性の第１電極と、前記光電変換層と、前記光透過性の第２電極とがこの順で積層された構造を構造単位として有し、この構造単位の複数個が積層され、この積層体の積層方向に直列に接続されている光電変換装置を光電池として構成した例である。
【００９６】
図８（ａ）は、実施の形態４に基づく光電池の構造を示す断面図であり、図８（ｂ）は、その等価回路図である。
【００９７】
この光電池では、ＩＴＯなどの第１電極５１、受光発電層である光電変換層５２、アルミニウム電極などの第２電極５３がこの順で積層された構造を構造単位とし、この構造単位の繰り返しによって光電池を構成する。第１電極５１と光電変換層５２と第２電極５３とで構成される光電変換ユニットは、有機半導体太陽電池として機能する。
【００９８】
第１電極５１は仕事関数の大きい材料で形成し、第２電極５３は仕事関数の小さい材料で形成する。これを逆にして、第１電極を仕事関数の小さい材料で形成し、第２電極を仕事関数の大きい材料で形成してもよい。いずれにせよ、第１電極５１と第２電極５３とは、光電変換層５２のみに接しているので、光電変換層５２に対し仕事関数などが最適な材料をそれぞれの電極材料として選択することができる。
【００９９】
このようにして形成された光電池の一方の端面から光を入射させると、入射光の一部は光入射端の光電変換ユニット５４の光電変換層５２によって吸収されて光電変換される一方、吸収されなかった光は、第２電極５３および第１電極５１が光透過性であるため、これらを透過して次段の光電変換ユニット５５の光電変換層５２に入射する。ここでも、入射光の一部は光電変換層５２によって吸収されて光電変換される。このように、前段の光電変換層５２によって吸収されなかった光は、後段の光電変換層５２へ透過し、そこでも光電変換が行われるので、本実施の形態に基づく光電池では、光電変換層５２が単独で設けられている光電池に比べて、光の利用率を向上させ、光電変換効率の向上を達成することができる。
【０１００】
本実施の形態に基づく光電池の構造は、実施の形態１〜３に基づく光電池に比べると、電極数は多くなるが、最も単純な構造の繰り返しで前記光電変換装置を構成することができるメリットがある。なお、光電変換ユニットを直列に接続しているため、１つの光電変換ユニットが短絡状態で機能を停止しても、他のユニットに及ぶ影響を最小限にとどめ得る利点がある。
【０１０１】
なお、図８では下方から光が入射する場合を示したが、上方から光が入射するようにしてもよい。本実施の形態に基づく光電池では、積層方向両端面のいずれの側からも入射光を取り込むことができ、利便性が向上する。
【０１０２】
実施の形態５
実施の形態５は、請求項１に記載した、前記光透過性の第１電極と、前記第１光電変換層と、前記光透過性の第２電極と、前記第２光電変換層と、前記光透過性の第３電極とが積層された構造単位の１単位からなり、請求項６に記載したように、前記受光層である前記第１光電変換層と前記第２光電変換層、および前記第１電極と前記第３電極とが同じ材料で形成され、前記第１電極と前記第３電極とが接続された光電変換装置を、請求項１３に記載したように前記有機電界発光装置として構成した例である。
【０１０３】
図９は、実施の形態５に基づく有機電界発光装置の構造を示す断面図である。この装置では、前記第１電極であるＩＴＯ（Indium Tin Oxide）電極６２と前記第１光電変換層である発光層６３と前記第２電極であるアルミニウム電極６４からなる光電変換ユニットによって１つの有機ＥＬ素子６７が形成され、また、前記第３電極であるＩＴＯ電極６６と前記第２光電変換層である発光層６５と前記第２電極であるアルミニウム電極６４からなる光電変換ユニットによってもう１つの有機ＥＬ素子６８が形成され、これら２つの有機ＥＬ素子が外部電源６９に対して並列に接続されている。
【０１０４】
従来の一般的な有機ＥＬ素子を積層して配置できない原因は、アルミニウムなどの金属からなる電極が全面に形成され、光が反射されてしまう構造になっていることにある。そこで実施の形態５では、アルミニウム電極６４を実施の形態５に示した光を透過する構造にすることで電池を積層することを可能とした。
【０１０５】
実施の形態５に基づく有機電界発光装置の構造は、光電変換層の材料が異なり、外部負荷９の代わりに外部電源６９を接続すること以外は、図１に示した実施の形態１に基づく光電池と同じであるので、相違点に重点をおいて説明する。
【０１０６】
透明基板６１は、ガラス基板や、透明なプラスチックフィルム基板、例えばポリカーボネートやポリエチレンテレフタラートなどからなるプラスチック基板などである。透明基板６１の上には、前記光透過性の第１電極としてＩＴＯ薄膜からなるＩＴＯ電極６２が形成されている。
【０１０７】
ＩＴＯ電極２の上には、前記第１光電変換層として発光層６３が形成されている。発光層６３を形成する材料は、有機ＥＬ素子の発光層を形成する材料なら何でもよく、発光層６３は蒸着法や塗布法によって形成する。
【０１０８】
発光層６３の上には、光透過性を有する電極としてアルミニウム電極６４が形成されている。アルミニウム電極６４は、全面に蒸着された膜厚１０ｎｍ程度のアルミニウム薄膜と、その上にメタルマスクを用いてメッシュ状にパターニングしながら、例えば、膜厚１００ｎｍ程度、線幅６０μｍ、ピッチ５００μｍに蒸着したアルミニウムメッシュとで形成されている。
【０１０９】
以上に説明したＩＴＯ電極６２と発光層６３とアルミニウム電極６４とによって有機ＥＬ素子６７が形成されている。さらに、アルミニウム電極６４の上に、発光層６３と同様の発光層６５とＩＴＯ電極６６とが積層して形成され、ＩＴＯ電極６６と発光層６５とアルミニウム電極６４とによってもう１つの有機ＥＬ素子６８が形成されている。
【０１１０】
このようにして形成された有機電界発光装置に外部電源６９を接続する。この際、仕事関数の大きいＩＴＯ電極６２および６６に外部電源６９の正極を接続し、仕事関数の小さいアルミニウム電極６４に外部電源６９の正極を接続する。このようにすると、ＩＴＯ電極６２または６６からは、発光層６３または６５に正孔が注入され、アルミニウム電極６４からは、発光層６３または６５に電子が注入され、正孔と電子の結合による発光が発光層６３または６５で起こる。発光層６３または６５からの発光光は合わせて出射されるので、発光層が単独で設けられている有機電界発光装置に比べ、光源としての輝度が向上する。また、積層方向両端面のいずれの側からでも出射光を取り出すことができ、利便性が向上する。また、一方の端面に光反射層を設けておけば、他方の端面に光反射層を設けておけば、光を他方の端面に集めて出射でき、輝度の高い有機電界発光装置を構成することができる。
【０１１１】
アルミニウム電極６４は、２つの発光層６３と６５とに接しているが、いずれの層に対しても陰極として機能しており、仕事関数の小さいアルミニウムの特性がいずれの層に対しても有効に生かされている。
【０１１２】
ここでは、ＩＴＯからなる陽極と、アルミニウムからなる陰極とを設ける例を示したが、これに限られるものではない。一般的には、本実施の形態の有機電界発光装置の構造によれば、発光層６３と６５の特性に合わせて、仕事関数などが適切な電極材料を用いて陽極および陰極を形成することができるので、発光層６３と６５の性能を十分に発揮させることができる。この結果、有機ＥＬ素子の積層による輝度の向上を達成することができる。
【０１１３】
これに対し、特許文献２に開示されている有機半導体素子による有機エレクトロルミネッセンス素子では、前述したように、導電体薄膜層１２４は、これに接している一方の機能性有機薄膜層１２３に対しては陽極として機能し、他方の機能性有機薄膜層１２３に対して陰極として機能しなければならない。このため、接している２つの機能性有機薄膜層１２３の両方に対して適切な導電体薄膜層１２４の材料を選択することは非常に難しい。この結果、各機能性有機薄膜層１２３の性能を十分に発揮させることができず、積層することによって得られる効果は小さい。この点で、本実施の形態の有機電界発光装置は、特許文献２に開示されている有機半導体素子とは本質的に異なっている。
【０１１４】
また、本実施の形態の有機電界発光装置は、発光層６３と６５とに発光波長特性の異なる発光材料を用いることで、２つの発光光の混色によるマルチカラー光源とすることができる。さらに、発光層を３層以上とし、各発光層から赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の光を発光させ、ＲＧＢの混色によるフルカラー光源とすることもできる。
【０１１５】
実施の形態６
実施の形態６は、請求項１に記載した、前記光透過性の第１電極と、前記第１光電変換層と、前記光透過性の第２電極と、前記第２光電変換層と、前記光透過性の第３電極とが積層された構造単位の１単位に、第３光電変換層と前記光透過性の第２電極とを追加して設け、請求項１１に記載した、互いに異なる波長の光を吸収する複数の前記受光層が積層されている光電池を構成した例である。
【０１１６】
図１０は、実施の形態６に基づく光電池の構造を示す説明図である。この光電池では、ＩＴＯ電極７２と受光発電層７３とアルミニウム電極７４からなる光電変換ユニットによって有機半導体太陽電池８１が形成され、また、アルミニウム電極７４と受光発電層７５とＩＴＯ電極７６とからなる光電変換ユニットによって有機半導体太陽電池８２が積層して形成されている上に、受光発電層７７とアルミニウム電極７８とを追加して形成し、ＩＴＯ電極７６と受光発電層７７とアルミニウム電極７８とからなる光電変換ユニットによって有機半導体太陽電池８３が設けられている。そして受光発電層７３、７５および７７は、光を吸収するπ電子共役系を有する高分子や色素含有高分子を選択することによって、異なる光吸収特性をもつように作られている。
【０１１７】
このようにすると前段の受光発電層で吸収できなかった波長の光を、後段の受光発電層で吸収することができ、光の吸収率を高めることができ、光電変換効率を高めることができる。広い波長範囲の光を高い変換効率で光電変換するためには、各受光発電層が吸収する波長が互いに異なっていて、光の入射方向から遠い層の受光発電層ほど、より長波長の光を吸収するものであることが望ましい。
【０１１８】
例えば、受光発電層７７は青色近辺の光を吸収し、受光発電層７５は緑色近辺の光を吸収し、受光発電層７３は赤色近辺の光を吸収する等である。
【０１１９】
実施の形態７
実施の形態７は、請求項１に記載した、前記光透過性の第１電極と、前記第１光電変換層と、前記光透過性の第２電極と、前記第２光電変換層と、前記光透過性の第３電極とが積層された構造単位に、請求項１２に記載した、前記受光層に導入する色素によって、カラーフィルター機能をもつように構成された光電池を構成した例である。
【０１２０】
図１１（ａ）と（ｂ）に示すように、本実施の形態の光電池は、透明基板９１とＩＴＯ電極９２と受光発電層９３とアルミニウム電極９４と受光発電層９５とＩＴＯ電極９６とで構成され、光の入射面の形状が例えば正方形に形成されている。
【０１２１】
この光電池の受光発電層９３と受光発電層９５とに異なる色素を導入すると、その比率を変化させることによって、混色による様々な中間調の色を形成することができる。例えば、受光発電層９３に黄色系色素を導入し、受光発電層９５に赤色系色素を導入するものとすると、その比率を変化させることによって、黄色〜橙色〜赤橙色〜赤色というように様々な色を形成することができる。このようなカラーパネルをタイルのように敷きつめると、フルカラーのイメージを表現することができる。それに対し従来の受光発電層が１つしかない従来の光電池では、このような効果は望めない。
【０１２２】
以上、本発明を実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれらの例に何ら限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることは言うまでもない。
【０１２３】
例えば、実施形態１〜３で述べた並列接続と実施形態４で述べた直列接続とを混在させて併用することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１２４】
本発明の光電変換装置は、太陽光の光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池や、電気エネルギーを光エネルギーに変換して光を発生させる有機ＥＬ素子などに応用され、その高効率化や多機能化などの性能向上に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１２５】
【図１】本発明の実施の形態１に基づく光電池の構造を示す斜視図（ａ）と断面図（ｂ）、および等価回路図（ｃ）である。
【図２】同、受光発電層３を形成するＭＥＨ−ＰＰＶとＰＣＢＭとの分子構造を示す説明図である。
【図３】同、光電池の変形例を示す斜視図である。
【図４】同、光電池の他の変形例を示す斜視図である。
【図５】同、光電池のさらに他の変形例を示す斜視図である。
【図６】本発明の実施の形態２に基づく光電池の構造を示す断面図（ａ）と等価回路図である。
【図７】本発明の実施の形態３に基づく光電池の構造を示す断面図（ａ）と等価回路図である。
【図８】本発明の実施の形態４に基づく光電池の構造を示す断面図（ａ）と等価回路図である。
【図９】本発明の実施の形態５に基づく有機電界発光装置の構造を示す断面図（ａ）と等価回路図である。
【図１０】本発明の実施の形態６に基づく光電池の構造を示す断面図である。
【図１１】本発明の実施の形態７に基づく光電池の構造を示す説明図である。
【図１２】一般的な有機半導体太陽電池の構造を示す断面図（ａ）とその等価回路（ｂ）とである。
【図１３】特許文献１に開示されている光電変換素子の構成を示す断面図である。
【図１４】特許文献２に開示されている有機半導体素子の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１２６】
１…透明基板、２、６…ＩＴＯ電極、３、５…受光発電層、４…アルミニウム電極、
７、８…有機半導体太陽電池、９…外部負荷、１１…光反射層、１２、１３…金属電極、
１４…金属酸化物電極（酸化亜鉛ＺnＯなど）、
２１、２９…第１電極（ＩＴＯ電極など）、２２、２８…第１光電変換層（受光発電層）、２３、２７…第２電極（アルミニウム電極など）、
２４、２６…第２光電変換層（受光発電層）、２５…第３電極（ＩＴＯ電極など）、
３１、３４…第１光電変換ユニット、３２、３３…第２光電変換ユニット、
３５、３６…外部負荷、４１…第１電極（ＩＴＯ電極など）、
４２…第１光電変換層（受光発電層）、４３…第２電極（アルミニウム電極など）、
４４…第２光電変換層（受光発電層）、４５…第３電極（ＩＴＯ電極など）、
４６…絶縁層、４７…第１光電変換ユニット、４８…第２光電変換ユニット、
４９、５０…外部負荷、５１…第１電極（ＩＴＯ電極など）、５４…光電変換ユニット、
５５…外部負荷、６１…透明基板、６２、６６…ＩＴＯ電極、６３、６５…発光層、
６４…アルミニウム電極、６７、６８…有機ＥＬ素子、６９…外部電源、
７１…透明基板、７２、７６…ＩＴＯ電極、７３、７５、７７…受光発電層、
７４、７８…アルミニウム電極、１０１…透明基板、１０２…透明電極、
１０３…光電変換層（有機半導体高分子層）、１０４…対向電極、１０５…外部負荷、
１１０ａ、１１０ｂ…光電池、１１１ａ、１１１ｂ…半導体電極、
１１２ａ、１１２ｂ…電解質層、１１３…対向電極、１１４ａ、１１４ｂ…ダイオード、
１１５ａ、１１５ｂ…透明導電層、１１６ａ、１１６ｂ…透明基板、
１２１…陽極、１２２…陰極、１２３…機能性有機薄膜層、１２４…導電体薄膜層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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