(57)【要約】【課題】光電変換効率を下げることなく暗電流を抑制することができる有機光電変換素子および有機光電変換素子を用いた撮像装置を提供することである。【解決手段】実施形態の有機光電変換素子は、正極と、第１電荷輸送層と、有機光電変換層と、第２電荷輸送層と、負極とを順に持つ。第１電荷輸送層は、有機光電変換層のＬＵＭＯ準位以上のＬＵＭＯ準位を有する第１電荷輸送材料を含む。第２電荷輸送層は、有機光電変換層のＨＯＭＯ準位以下のＨＯＭＯ準位を有する第２電荷輸送材料を含む。第１電荷輸送層は電子トラップ・散乱材料を含み、電子トラップ・散乱材料のＨＯＭＯ準位は、第１電荷輸送材料のＨＯＭＯ準位に対して−０．５ｅＶ以下又は＋０．５ｅＶ以上の準位であり、かつ、電子トラップ・散乱材料のＬＵＭＯ準位は、第１電荷輸送材料のＬＵＭＯ準位に対して−０．５ｅＶ以上＋０．５ｅＶ以下の準位である。【選択図】図１
2015195333.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極と負極の間に挟まれた有機光電変換層と、
前記正極と前記有機光電変換層との間に挟まれ、前記有機光電変換層のＬＵＭＯ準位以上のＬＵＭＯ準位を有する第１電荷輸送材料を構成材料とする第１電荷輸送層と、
前記負極と前記有機光電変換層との間に挟まれ、前記有機光電変換層のＨＯＭＯ準位以下のＨＯＭＯ準位を有する第２電荷輸送材料を構成材料とする第２電荷輸送層とを備え、
前記第１電荷輸送層がさらに電子トラップ・散乱材料を含み、
前記電子トラップ・散乱材料のＨＯＭＯ準位は、前記第１電荷輸送材料のＨＯＭＯ準位に対して−０．５ｅＶ以下又は＋０．５ｅＶ以上の準位であり、かつ、前記電子トラップ・散乱材料のＬＵＭＯ準位は、前記第１電荷輸送材料のＬＵＭＯ準位に対して−０．５ｅＶ以上＋０．５ｅＶ以下の準位である有機光電変換素子。
【請求項２】
正極と負極の間に挟まれた有機光電変換層と、
前記正極と前記有機光電変換層との間に挟まれ、前記有機光電変換層のＬＵＭＯ準位以上のＬＵＭＯ準位を有する第１電荷輸送材料を構成材料とする第１電荷輸送層と、
前記負極と前記有機光電変換層との間に挟まれ、前記有機光電変換層のＨＯＭＯ準位以下のＨＯＭＯ準位を有する第２電荷輸送材料を構成材料とする第２電荷輸送層とを備え、
前記第２電荷輸送層がさらに正孔トラップ・散乱材料を含み、
前記正孔トラップ・散乱材料のＨＯＭＯ準位は、前記第２電荷輸送材料のＨＯＭＯ準位に対して−０．５ｅＶ以上＋０．５ｅＶ以下の準位であり、かつ、前記正孔トラップ・散乱材料のＬＵＭＯ準位は、前記第２電荷輸送材料のＬＵＭＯ準位に対して−０．５ｅＶ以下又は＋０．５ｅＶ以上の準位である有機光電変換素子。
【請求項３】
前記第２電荷輸送層がさらに正孔トラップ・散乱材料を含み、
前記正孔トラップ・散乱材料とのＨＯＭＯ準位は、前記第２電荷輸送材料のＨＯＭＯ準位に対して−０．５ｅＶ以上＋０．５ｅＶ以下の準位であり、かつ、前記正孔トラップ・散乱材料のＬＵＭＯ準位は、前記第２電荷輸送材料のＬＵＭＯ準位に対して−０．５ｅＶ以下又は＋０．５ｅＶ以上の準位である請求項１に記載の有機光電変換素子。
【請求項４】
前記電子トラップ・散乱材料が、前記第１電荷輸送層において重量比１〜５０％の割合で含有されている請求項１または請求項３のいずれかに記載の有機光電変換素子。
【請求項５】
前記正孔トラップ・散乱材料が、前記第２電荷輸送層において重量比１〜５０％の割合で含有されている請求項２または請求項３のいずれかに記載の有機光電変換素子。
【請求項６】
前記正極のエネルギー準位が、前記第１電荷輸送材料のＬＵＭＯ準位より１．３ｅＶ以上低い請求項１〜５のいずれか一項に記載の有機光電変換素子。
【請求項７】
前記負極のエネルギー準位が、前記第２電荷輸送材料のＨＯＭＯ準位より１．３ｅＶ以上高い請求項１〜６のいずれか一項に記載の有機光電変換素子。
【請求項８】
前記第１電荷輸送材料のＬＵＭＯ準位が、前記有機光電変換層のＬＵＭＯ準位より高い請求項１〜７のいずれか一項に記載の有機光電変換素子。
【請求項９】
前記第２電荷輸送材料のＨＯＭＯ準位が、前記有機光電変換層のＨＯＭＯ準位より低い請求項１〜８のいずれか一項に記載の有機光電変換素子。
【請求項１０】
複数の請求項１〜９のいずれか一項に記載の有機光電変換素子と、前記有機光電変換素子のそれぞれに電圧を印加する電圧印加部と、前記有機光電変換素子のそれぞれにおいて光電変換された信号を読み込む信号処理部とを備えた撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、有機光電変換素子および撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
有機光電変換素子では、光電変換効率や応答速度向上のために外部から電圧を印加することが多い。しかし、外部から電圧を印加すると、電極からの正孔注入もしくは電子注入による暗電流が増えてしまう。暗電流はセンサー等におけるノイズとなるため、有機光電変換素子の感度を下げてしまうという問題があった。そのため、暗電流を抑制するために様々な検討が行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−８８０３３号公報
【特許文献２】特開２０１２−１９２３５号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｙ．Ｑｉｕ．ｅｔ  ａｌ．Ｔｈｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  Ｃ  ２０１２，１１６，ｐ１９７４８−ｐ１９７５４.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、光電変換効率を下げることなく暗電流を抑制することができる有機光電変換素子および撮像装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態の有機光電変換素子は、正極と、負極と、有機光電変換層と、第１電荷輸送層と、第２電荷輸送層とを持つ。有機光電変換層は、正極と負極との間に挟まれる。第１電荷輸送層は、正極と有機光電変換層との間に挟まれ、有機光電変換層のＬＵＭＯ準位以上のＬＵＭＯ準位を有する第１電荷輸送材料を構成材料とする。第２電荷輸送層は、負極と有機光電変換層との間に挟まれ、有機光電変換層のＨＯＭＯ準位以下のＨＯＭＯ準位を有する第２電荷輸送材料を構成材料とする。第１電荷輸送層は、さらに電子トラップ・散乱材料を含み、電子トラップ・散乱材料のＨＯＭＯ準位は、第１電荷輸送材料のＨＯＭＯ準位に対して−０．５ｅＶ以下又は＋０．５ｅＶ以上の準位であり、かつ、電子トラップ・散乱材料のＬＵＭＯ準位は、第１電荷輸送材料のＬＵＭＯ準位に対して−０．５ｅＶ以上＋０．５ｅＶ以下の準位である。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態の有機光電変換素子の断面を示した図。
【図２】第１の実施形態の有機光電変換素子のエネルギー準位を模式的に示した図。
【図３】有機層内をキャリア（電子または正孔）が伝播していく様子を模式的に示した図。
【図４】第２の実施形態の有機光電変換素子のエネルギー準位を模式的に示した図。
【図５】第３の実施形態の有機光電変換素子のエネルギー準位を模式的に示した図。
【図６】第４の実施形態の撮像装置を模式的に示した図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、実施形態の有機光電変換素子を、図面を参照して説明する。
【０００９】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の有機光電変換素子１０の断面を示す図である。
有機光電変換素子１０は、負極１と正極２の間に挟まれた有機光電変換層３と、正極２と有機光電変換層３との間に挟まれた第１電荷輸送層４ａと、負極１と有機光電変換層３との間に挟まれた第２電荷輸送層４ｂとを備える。
第１電荷輸送層４ａの構成材料である第１電荷輸送材料は、有機光電変換層３において発生した正孔を正極２まで取り出すことができる正孔輸送性を有する。第２電荷輸送層４ｂの構成材料である第２電荷輸送材料は、有機光電変換層３において発生した電子を負極１まで取り出すことができる電子輸送性を有する。また、第１電荷輸送層４ａは、第１電荷輸送材料と電子トラップ・散乱材料とを含む。電子トラップ・散乱材料は、第１電荷輸送層４ａを輸送される電子をトラップまたは散乱する。
電子トラップ・散乱材料のＨＯＭＯ準位は、第１電荷輸送材料のＨＯＭＯ準位に対して−０．５ｅＶ以下又は＋０．５ｅＶ以上の準位であり、かつ、電子トラップ・散乱材料のＬＵＭＯ準位は、第１電荷輸送材料のＬＵＭＯ準位に対して−０．５ｅＶ以上＋０．５ｅＶ以下の準位である。
なお、有機光電変換層のＬＵＭＯ準位およびＨＯＭＯ準位とは、有機光電変換層を構成する分子が１種類の場合は、その分子のＬＵＭＯ準位およびＨＯＭＯ準位を意味する。有機光電変換層が２種類以上の分子からなる場合は、有機光電変換層のＬＵＭＯ準位およびＨＯＭＯ準位とは、構成する分子の最低のＬＵＭＯ準位および最高のＨＯＭＯ準位を意味する。
【００１０】
図２は、第１の実施形態の有機光電変換素子１０のエネルギー準位を模式的に示した図である。図２では、代表的な場合として第１電荷輸送層４ａの主なエネルギー準位が、第１電荷輸送材料による場合のエネルギー準位を示す。すなわち、第１電荷輸送層４ａ中の電子トラップ・散乱材料の量が少なくこれによる影響が少ないので、このエネルギー準位を無視することができる。第１電荷輸送層４ａのエネルギー準位は、第１電荷輸送材料のエネルギー準位とほぼ同等である。
第１電荷輸送材料は、有機光電変換層３のＬＵＭＯ準位以上のＬＵＭＯ準位を有する。第１電荷輸送材料のＬＵＭＯ準位は、有機光電変換層３のＬＵＭＯ準位より高いことが好ましく、０．５ｅＶ以上高いことがさらに好ましい。また正極２のエネルギー準位は第１電荷輸送材料のＬＵＭＯ準位のエネルギーよりも１．３ｅＶ以上低いことが好ましい。
第１電荷輸送材料のＬＵＭＯ準位が有機光電変換層３のＬＵＭＯ準位より高ければ、正極２の電子は負極１側に流れる（暗電流が生じる）ために、正極２のエネルギー準位と第１電荷輸送材料のＬＵＭＯ準位とのエネルギー準位の差を超えるエネルギーが必要となり、正極２の電子が負極１側に暗電流として流れることをブロックすることができる。
【００１１】
また、第１電荷輸送材料のＨＯＭＯ準位は、正極２のエネルギー準位以下であり、有機光電変換層３のＨＯＭＯ準位以上であることが好ましい。
第１電荷輸送材料のＨＯＭＯ準位が当該範囲にあると、有機光電変換層３で発生した正孔が、第１電荷輸送層４ａに阻害されることなく、正極２へ流れることができる。すなわち、第１電荷輸送層４ａを挿入したことに伴う光電変換効率の低下を避けることができる。
【００１２】
第１電荷輸送材料は、上述のＬＵＭＯ準位およびＨＯＭＯ準位を有すれば、特に限定されるものではない。また、第１電荷輸送材料は、正孔輸送性を有していることが好ましく、ｐ型半導体材料が好ましい。具体的には、キナクリドン、チオフェン、カルバゾール等を含む誘導体および重合体が好ましく、この他にも後述する有機光電変換層３に用いるｐ型半導体と同様のものを用いることができる。
【００１３】
第１電荷輸送層４ａの厚みは、好ましくは１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下、より好ましくは１０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下、さらに好ましくは１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。この厚みが薄すぎると暗電流抑制効果が低下してしまい、厚すぎると光電変換効率が低下してしまう。
また、第１電荷輸送層４ａは、有機光電変換層３において生成した正孔を有効に正極２まで取出すために輸送する役割を担っていればよく、それ自体が光電変換を起こしても、起こさなくてもよい。
【００１４】
第２電荷輸送層４ｂは、有機光電変換層３のＨＯＭＯ準位以下のＨＯＭＯ準位を有する第２電荷輸送材料を含む。第２電荷輸送材料のＨＯＭＯ準位は、有機光電変換層３のＨＯＭＯ準位より低いことが好ましく、０．５ｅＶ以上低いことがさらに好ましい。また、負極１のエネルギー準位と第２電荷輸送材料のＨＯＭＯ準位との差は、１．３ｅＶ以上あることが好ましい。
第２電荷輸送材料のＨＯＭＯ準位が、有機光電変換層３のＨＯＭＯ準位より低ければ、負極１の正孔は正極２側に流れる（暗電流が生じる）ために、負極１のエネルギー準位と第２電荷輸送材料のＨＯＭＯ準位とのエネルギー準位の差を超えるエネルギーが必要となり、負極１の正孔が正極２側に暗電流として流れることをブロックすることができる。
【００１５】
また、第２電荷輸送材料のＬＵＭＯ準位は、負極１のエネルギー準位以上であり、有機光電変換層３のＬＵＭＯ準位以下であることが好ましい。第２電荷輸送材料のＬＵＭＯ準位が当該範囲にあると、有機光電変換層３で発生した電子が阻害されることなく負極１へ流れることができる。すなわち、第２電荷輸送層４ｂを挿入したことに伴う、光電変換効率の低下を避けることができる。
【００１６】
第２電荷輸送材料は、上述のＬＵＭＯ準位およびＨＯＭＯ準位を有すれば、特に限定されるものではない。また、電子輸送性を有していることが好ましく、ｎ型半導体材料が好ましい。具体的には、ペリレン誘導体、ナフタレン誘導体、チオフェン誘導体、フラーレン誘導体、金属錯体化合物（アルミニウム錯体（例えば、Ａｌｑ３（tｒｉｓ（８−ｈｙｄｒｏｘｙｑｕｉｎｏｌｉｎａｔｏ）ａｌｕｍｉｎｉｕｍ）など））が好ましく、この他にも後述する有機光電変換層に用いるｎ型半導体と同様のものを用いることができる。
【００１７】
第２電荷輸送層４ｂの厚みは、好ましくは１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下、より好ましくは１０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下、さらに好ましくは１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。この厚みが薄すぎると暗電流抑制効果が低下してしまい、厚すぎると光電変換効率が低下してしまう。
また、第２電荷輸送層４ｂは、有機光電変換層３において生成した電子を有効に負極まで取出すために輸送する役割も担っていればよく、それ自体が光電変換を起こしても、起こさなくてもよい。
【００１８】
第１電荷輸送層４ａは、電子トラップ・散乱材料５を有する。電子トラップ・散乱材料５のＨＯＭＯ準位は、第１電荷輸送材料のＨＯＭＯ準位に対して−０．５ｅＶ以下又は＋０．５ｅＶ以上の準位（すなわち、エネルギー準位の差ＥＨ１の絶対値が０．５ｅＶ以上）であり、かつ、電子トラップ・散乱材料５のＬＵＭＯ準位は、第１電荷輸送材料のＬＵＭＯ準位に対して−０．５ｅＶ以上＋０．５ｅＶ以下の準位（すなわち、エネルギー準位の差ＥＬ１の絶対値が０．５ｅＶ以下）である。換言すると、電子トラップ・散乱材料のＨＯＭＯ準位は、第１電荷輸送材料のＨＯＭＯ準位に対して０．５ｅＶ以上低い準位又は０．５ｅＶ以上高い準位であり、電子トラップ・散乱材料のＬＵＭＯ準位は、第１電荷輸送材料のＬＵＭＯ準位に対して０．５ｅＶ高いエネルギー準位以下、かつ、第１電荷輸送材料のＬＵＭＯ準位に対して０．５ｅＶ低いエネルギー準位以上の準位であると言える。また、電子トラップ・散乱材料５のＨＯＭＯ準位は、第１電荷輸送材料のＨＯＭＯ準位に対し０．７ｅＶ以上低いエネルギー準位であることが好ましく、１．０ｅＶ以上低いエネルギー準位であることがより好ましい。
この第１電荷輸送材料のＬＵＭＯ準位と電子トラップ・散乱材料５のＬＵＭＯ準位のエネルギー準位の差ＥＬ１の絶対値を０．５ｅＶ以下とするによって、第１電荷輸送材料のみではブロックしきれない電子を第１電荷輸送層４ａ内でトラップまたは散乱することができる。また、第１電荷輸送材料のＨＯＭＯ準位と電子トラップ・散乱材料５のＨＯＭＯ準位のエネルギー準位の差ＥＨ１の絶対値を０．５ｅＶ以上とすることによって、有機光電変換層３で生じた正孔が阻害されることなく正極２へ流れることができる。そのため、光電変換効率を下げることなく暗電流を抑制することができる。
【００１９】
以下に、電子がエネルギー準位の差によって第１電荷輸送層４ａ内でトラップまたは散乱される原理について説明する。
【００２０】
有機材料中のキャリア（一般に電子または正孔）の伝導は、１つ１つの分子に局在したＨＯＭＯ準位またはＬＵＭＯ準位を順番にホッピングしながら伝播するホッピング伝導によって支配されている。
電子のある占有状態ｉから非占有状態ｊへのホッピング伝導の確率は、ミラー−アブラハム（Ｍｉｌｌｅｒ−Ａｂｒａｈａｍ）の式から以下のように表すことができる。
【００２１】
【数１】
2015195333.tif 000003
【００２２】
このとき、ν０はフォノンと電子の相互作用の強さに依存する値であり、ｒｉｊは占有状態ｉから非占有状態ｊへの距離、ａはホッピング状態の局在距離、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度である。また、εｉ、εｊは、それぞれの局在エネルギーである。
【００２３】
図３は、有機層内をキャリア（電子または正孔）が伝播していく様子を模式的に示した図である。
図３の（１）のグラフは、一つの材料からなる有機層におけるキャリアの伝播状態を模式的に示している。図３の（１）のグラフにおいては、ｔ０秒後にある点を出発したキャリアは、ｔＴ秒後にＬｃｍの位置まで伝播している。このとき、この有機層は一つの材料からなるため、ほとんどトラップされることも散乱されることもなく伝播している。
【００２４】
一方、図３の（３）および（４）のグラフは、一つの材料からなる有機層に、わずかにエネルギー準位が異なる材料を混合した場合のキャリアの伝播状態を示す。（３）はわずかにエネルギー準位が高い材料を混合した場合で、（４）はわずかにエネルギー準位が低い材料を混合した場合である。
以下、主となる有機材料のエネルギー準位をホストエネルギー準位といい、有機層に混合した材料のエネルギー準位をゲストエネルギー準位という。
【００２５】
このとき、ホストエネルギー準位間のホッピング伝導の確率と、ホストエネルギー準位からゲストエネルギー準位へのホッピング伝導の確率とは、一般式（ａ）より大きな差がないことがわかる（ΔＥが小さいため）。つまり、ホストエネルギー準位からゲストエネルギー準位へのホッピングは、頻繁に生じることとなる。
一方で、ホストエネルギー準位同士のエネルギー差よりもホストエネルギー準位とゲストエネルギー準位のエネルギー差は大きいため、そのエネルギー準位の差を超えるためにキャリアの伝播は阻害される。そのため（３）および（４）に示すように、ｔＴ秒後の伝播可能な距離は短くなる。すなわち、キャリアはわずかなエネルギー準位の差によりトラップ・散乱され、その伝播が阻害されていることが分かる。
第１の実施形態においては、主となる第１電荷輸送材料に対して、電子トラップ・散乱材料５を混ぜている。電子トラップ・散乱材料のＬＵＭＯ準位は、第１電荷輸送材料のＬＵＭＯ準位に対して絶対値で０．５ｅＶ以下というわずかなエネルギー準位の差ＥＬ１を有する。すなわち、第１電荷輸送材料のＬＵＭＯ準位がホストエネルギー準位となり、電子トラップ・散乱材料５のＬＵＭＯ準位がゲストエネルギー準位となる。そのため、図３（３）における「ｌｏｗ  ｓｃａｔｔｅｒ」は、電子トラップ・散乱材料５のＬＵＭＯ準位が、第１電荷輸送材料のＬＵＭＯ準位に対してわずか（０〜０．５ｅＶ）に高い場合を示し、図３（４）における「ｓｈａｌｌｏｗ  ｔｒａｐ」は、電子トラップ・散乱材料のＬＵＭＯ準位が、第１電荷輸送材料のＬＵＭＯ準位に対してわずか（−０．５〜０ｅＶ）に低い場合を示す。したがって、第１電荷輸送材料と電子トラップ・散乱材料５とを混ぜることで、キャリアである電子が、電子トラップ・散乱材料５にトラップ・散乱される。つまり、第１電荷輸送材料と電子トラップ・散乱材料５を混ぜることにより、ブロックしきれなかった電子をトラップ・散乱することができる。
【００２６】
第１電荷輸送材料と電子トラップ・散乱材料の組み合わせとしては、例えばＮ，Ｎ’−ジメチルキナクリドンとＢ３ＰＹＭＰＭ（ｂｉｓ−４，６−（３，５−ｄｉ−３−ｐｙｒｉｄｙｌｐｈｅｎｙｌ）−２−ｍｅｔｈｙｌｐｙｒｉｍｉ−ｄｉｎｅ）が挙げられる。この場合、それぞれのＬＵＭＯ準位間のエネルギー準位の差ＥＬ１は０．１ｅＶ程度であり、第１電荷輸送層４ａ内でブロックしきれなかった電子をトラップすることができる。他にもそれぞれに、ＮＰＢ（Ｎ，Ｎ’−ｄｉ（ｎａｐｈｔｈａｌｅｎｅ−１−ｙｌ）−Ｎ，Ｎ’−ｄｉｐｈｅｎｙｌ−ｂｅｎｚｉｄｉｎｅ）とＣＢＰ（４，４−Ｎ，Ｎ−ｄｉｃａｒｂａｚｏｌｅ）ｂｉｐｈｅｎｙｌ）を用いる場合、それぞれのＬＵＭＯ準位間のエネルギー準位の差ＥＬ１は０．２ｅＶ程度となる。この場合でも、第１電荷輸送層４ａ内でブロックしきれなかった電子をトラップすることができる。
【００２７】
次に、エネルギー準位の差を有するにもかかわらず、有機光電変換層３で生じた正孔が阻害されることなく正極２へ流れる原理について説明する。
図３の（２）および（５）のグラフは、一つの材料からなる有機層に、大きくエネルギー準位が異なる材料を混合した場合のキャリアの伝播状態を示す。（２）は大きくエネルギー準位が高い材料を混合した場合で、（５）は大きくエネルギー準位が低い材料を混合した場合である。
このとき、ホストエネルギー準位間のホッピング伝導の確率に比べて、ホストエネルギー準位からゲストエネルギー準位へのホッピング伝導の確率は、一般式（ａ）から頻度が大きく減少することがわかる（ΔＥが大きいため）。
そのため、キャリアはゲストエネルギー準位への遷移を避け、近くのその他のホストエネルギー準位へ迂回するように遷移する。キャリアがゲストエネルギー準位にトラップ・散乱されることなく迂回して伝播するため、（２）および（５）に示すようにｔＴ秒後に伝播可能な距離は、（１）のグラフと比較してわずかに短くなるものの、その伝播がほとんど阻害されていないことが分かる。
【００２８】
第１の実施形態においては、主となる第１電荷輸送材料に対して、電子トラップ・散乱材料５を混ぜている。電子トラップ・散乱材料のＨＯＭＯ準位は、第１電荷輸送材料のＨＯＭＯ準位に対して絶対値で０．５ｅＶ以上の大きなエネルギー準位の差ＥＨ１を有する。すなわち、第１電荷輸送材料のＨＯＭＯ準位がホストエネルギー準位となり、電子トラップ・散乱材料のＨＯＭＯ準位がゲストエネルギー準位となる。そのため、図３（２）における「ｈｉｇｈ  ｓｃａｔｔｅｒ」は、電子トラップ・散乱材料のＨＯＭＯ準位が、第１電荷輸送材料のＨＯＭＯ準位に対して０．５以上高い場合を示し、図３（５）における「ｄｅｅｐ  ｔｒａｐ」は、電子トラップ・散乱材料のＨＯＭＯ準位が、第１電荷輸送材料のＨＯＭＯ準位に対して０．５ｅＶ以上低い場合を示す。したがって、第１電荷輸送材料と電子トラップ・散乱材料５とを混ぜることで、正孔は電子トラップ・散乱材料５のエネルギー準位に遷移することなく迂回するように第１電荷輸送材料のエネルギー準位間を伝播し、有機光電変換層３で生じた正孔が阻害されることはない。
【００２９】
第１電荷輸送材料と電子トラップ・散乱材料５の組み合わせとしては、既に例示したＮ，Ｎ’−ジメチルキナクリドンとＢ３ＰＹＭＰＭとの場合、これらのＨＯＭＯ準位間のエネルギー準位の差ＥＨ１は、１．３ｅＶ程度である。そのため、有機光電変換層３で生じた正孔は、阻害されずに正極へ流れることができる。また、ＮＰＢとＣＢＰとを用いる場合、それぞれのＨＯＭＯ準位のエネルギー準位の差ＥＨ１は、０．６ｅＶ程度となる。この場合でも、有機光電変換層３で生じた正孔は、阻害されずに正極へ流れることができる。
【００３０】
電子トラップ・散乱材料５は、上述のＬＵＭＯ準位およびＨＯＭＯ準位を有する材料であれば、特に限定されるものではない。例えば、ＮＴＣＤＡ（１，４，５，８−Ｎａｐｈｔｈａｌｅｎｅ−ｔｅｔｒａｃａｒｂｏｘｙｌｉｃ−ｄｉａｎｈｙｄｒｉｄｅ）、ＯＸＤ−７（１，３−ｂｉｓ（５−（４−ｔｅｒｔ−ｂｕｔｙｌｐｈｅｎｙｌ）−１，３，４−ｏｘａｄｉａｚｏｌ−２−ｙｌ）ｂｅｎｚｅｎｅ）、３ＴＰＹＭＢ（ｔｒｉｓ−［３−（３−ｐｙｒｉｄｙｌ）ｍｅｓｉｔｙｌ］ｂｏｒａｎｅ）、Ｂ３ＰＹＭＰＭ（ｂｉｓ−４，６−（３，５−ｄｉ−３−ｐｙｒｉｄｙｌｐｈｅｎｙｌ）−２−ｍｅｔｈｙｌｐｙｒｉｍｉ−ｄｉｎｅ）等を用いることができる。
【００３１】
電子トラップ・散乱材料５は、第１電荷輸送層４ａにおいて重量比１〜５０％の割合で含まれることが好ましく、重量比が１０〜４０％の割合でもよい。当該範囲外でも電子トラップ・散乱材料５と第１電荷輸送材料との間にはエネルギー準位の差が存在するため、電子をトラップ・散乱する効果は生じる。
しかし、電子トラップ・散乱材料５の占める割合が重量比５０％より多くなると、第１電荷輸送層４ａ内において電子トラップ・散乱材料５が主たる材料となる。この場合、電子トラップ・散乱材料５のエネルギー準位がホストエネルギー準位となり、電子トラップ・散乱材料５のエネルギー準位間のホッピングがホッピング伝導の主となる。電子トラップ・散乱材料５が主となると、電子トラップ・散乱材料５のＬＵＭＯ準位が第１電荷輸送材料のＬＵＭＯ準位より低い場合において、以下の問題が生じる。
電子トラップ・散乱材料５の重量比が５０質量％以下では、正極２から第１電荷輸送層４ａへ遷移する場合、電子は主として正極２のエネルギー準位と第１電荷輸送材料のＬＵＭＯ準位のエネルギー準位の差によってブロックされる。一方で、重量比が５０質量％を超えると、電子トラップ・散乱材料５が第１電荷輸送層４ａの主となる材料となる。そのため、正極２から第１電荷輸送層４ａへ遷移する場合、電子は主として正極２のエネルギー準位と電子トラップ・散乱材料５のＬＵＭＯ準位とのエネルギー準位の差によってブロックされる。つまり、電子トラップ・散乱材料５のＬＵＭＯ準位が第１電荷輸送材料のＬＵＭＯ準位より低い場合には、正極２からの電子をブロックする機能が低下し、暗電流の抑制効果が低下してしまう。
これに対し、電子トラップ・散乱材料５の重量比が５０質量％以下の場合、および、電子トラップ・散乱材料５の重量比が５０質量％以上で、かつ、電子トラップ・散乱材料５のＬＵＭＯ準位が第１電荷輸送材料のＬＵＭＯ準位より高い場合には、当該問題は生じない。
【００３２】
負極１および正極２は、隣接する材料との密着性、エネルギー準位、安定性等を考慮して選択することができ、特に限定されるものではない。例えば、金属、合金、金属酸化物、電気導電性化合物、またはこれらの混合物などを用いることができる。
具体的な材料としては、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）、ドーパントを添加したＳｎＯ２、ＺｎＯにＡｌをドーパントとして添加したアルミニウム亜鉛酸化物（ＡＺＯ）、ＺｎＯにＧａをドーパントとして添加したガリウム亜鉛酸化物（ＧＺＯ）、ＺｎＯにＩｎをドーパントとして添加したインジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）を用いることができる。また、ＣｄＯ、ＴｉＯ２、ＣｄＩｎ２Ｏ４、ＩｎＳｂＯ４、Ｃｄ２ＳｎＯ２、Ｚｎ２ＳｎＯ４、ＭｇＩｎＯ４、ＣａＧａＯ４、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＬａＢ６などを用いることができる。また、導電性高分子として、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳや、ポリチオフェン化合物、ポリアニリン化合物を用いることができる。また、カーボンナノチューブやグラフェンなどのナノカーボン系材料、Ａｇナノワイヤなどを用いることができる。
さらに、負極１および正極２のいずれか一方は、透明電極以外の材料とすることもできる。この場合、Ｗ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ａｌなどを用いることができる。
【００３３】
有機光電変換層３は、p型半導体単層、ｎ型半導体層単層、p型半導体層とｎ型半導体層との積層構造、またはｐ型半導体とｎ型半導体の混合塗布及び共蒸着等によって形成される混合膜などを用いることができる。
ｐ型有機半導体及びｎ型有機半導体としては、アミン誘導体、キナクリドン誘導体、ナフタレン誘導体、アントラセン誘導体、フェナントレン誘導体、テトラセン誘導体、ピレン誘導体、ペリレン誘導体、及びフルオランテン誘導体等を用いることができる。また、フェニレンビニレン、フルオレン、カルバゾール、インドール、ピレン、ピロール、ピコリン、チオフェン、アセチレン、ジアセチレン等の重合体やその誘導体を用いることもできる。さらに、ジチオール金属錯体系色素、金属フタロシアニン色素、金属ポルフィリン色素、ルテニウム錯体色素、シアニン系色素、メロシアニン系色素、フェニルキサンテン系色素、トリフェニルメタン系色素、ロダシアニン系色素、キサンテン系色素、大環状アザアヌレン系色素、アズレン系色素、ナフトキノン、アントラキノン系色素、アントラセン、ピレン等の縮合多環芳香族及び芳香環ないし複素環化合物が縮合した鎖状化合物、スクアリリウム基及びクロコニックメチン基を結合鎖として持つキノリン、ベンゾチアゾール、ベンゾオキサゾール等の二つの含窒素複素環、またはスクアリリウム基及びクロコニックメチン基により結合したシアニン系類似の色素等を用いることができる。その他、ｎ型半導体として、Ｃ６０，Ｃ７０等のフラーレン及びその誘導体を用いることができる。
また、光電変換効率の観点からは、ｐ型半導体とｎ型半導体の混合膜であることが好ましい。この場合、ｐ型半導体としては、アミン、キナクリドン、チオフェン、カルバゾール等を含む誘導体および重合体が好ましく、ｎ型半導体としては、ペリレン誘導体、ナフタレン誘導体、チオフェン誘導体、フラーレン誘導体が好ましい。
【００３４】
この有機光電変換素子１０は、各層を乾式成膜法あるいは湿式成膜法を用いて作製することができる。乾式成膜法の具体的な例としては、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、ＭＢＥ等の物理気相成長法、プラズマ重合等のＣＶＤ法が挙げられる。湿式成膜法としては、キャスト法、スピンコート法、ディッピング法、ＬＢ法等の塗布法を用いることができる。また、インクジェット印刷やスクリーン印刷などの印刷法、熱転写やレーザー転写などの転写法を用いてもよい。
【００３５】
このとき、第１電荷輸送層４ａは、第１電荷輸送材料に電子トラップ・散乱材料５を混合させて形成することができる。混合方法は特に限定されないが、一般に用いられる物理的な混合で良い。例えば、乾式成膜法の場合は、当該材料を真空蒸着することで、第１電荷輸送層４ａを形成することができる。また、湿式成膜法の場合は、溶媒に当該材料を加えて用いることができる。
【００３６】
（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態の有機光電変換素子を図面を参照して説明する。
図４は、第２の実施形態の有機光電変換素子２０のエネルギー準位を模式的に示した図である。図４では、代表的な場合として第２電荷輸送層４ｂの主な準位が、第２電荷輸送材料による場合のエネルギー準位を示す。
ここで、第２の実施形態の有機光電変換素子２０は、第１の実施形態の有機光電変換素子１０と層構造は同一である（図１参照）。すなわち、有機光電変換素子２０は、負極１と正極２の間に挟まれた有機光電変換層３と、正極２と有機光電変換層３との間に挟まれた第１電荷輸送層４ａと、負極１と有機光電変換層３との間に挟まれた第２電荷輸送層４ｂとを有する。一方、第１電荷輸送層４ａが電子トラップ・散乱材料５を有さず、第２電荷輸送層４ｂが正孔トラップ・散乱材料６を有する点が第１の実施形態の有機光電変換素子１０と異なる。
【００３７】
第１電荷輸送材料および第２電荷輸送材料は、第１の実施形態と同様のエネルギー準位を有する。そのため、第１電荷輸送層４ａおよび第２電荷輸送層４ｂは、暗電流が流れることをブロックすることができる。また、有機光電変換層で生じた電子および正孔の流れを阻害しない。
【００３８】
有機光電変換素子２０の第２電荷輸送層４ｂは、正孔トラップ・散乱材料６を有する。図４に示すように、正孔トラップ・散乱材料のＨＯＭＯ準位は、第２電荷輸送材料のＨＯＭＯ準位に対して−０．５ｅＶ以上＋０．５ｅＶ以下の準位（すなわち、エネルギー準位の差ＥＨ２の絶対値が０．５ｅＶ以下）であり、かつ、正孔トラップ・散乱材料のＬＵＭＯ準位は、第２電荷輸送材料のＬＵＭＯ準位に対して−０．５ｅＶ以下又は＋０．５ｅＶ以上の準位（すなわち、エネルギー準位の差ＥＬ２の絶対値が０．５ｅＶ以上）である。換言すると、正孔トラップ・散乱材料のＨＯＭＯ準位は、第２電荷輸送材料のＨＯＭＯ準位に対して０．５ｅＶ高いエネルギー準位以下、かつ、０．５ｅＶ低いエネルギー準位以上の準位であり、正孔トラップ・散乱材料のＬＵＭＯ準位は、第２電荷輸送材料のＬＵＭＯ準位に対して０．５ｅＶ以上低い準位又は０．５ｅＶ以上高い準位であるとも言える。また、正孔トラップ・散乱材料６のＬＵＭＯ準位は、第２電荷輸送材料のＬＵＭＯ準位に対し０．７ｅＶ以上高いエネルギー準位であることが好ましく、１．０ｅＶ以上高いエネルギー準位であることがより好ましい。
この第２電荷輸送材料のＨＯＭＯ準位と正孔トラップ・散乱材料６のＨＯＭＯ準位のエネルギー準位の差ＥＨ２の絶対値を０．５ｅＶ以下とするによって、第２電荷輸送材料のみではブロックしきれない正孔を第２電荷輸送層４ｂ内でトラップまたは散乱することができる。また、第２電荷輸送材料のＨＯＭＯ準位と正孔トラップ・散乱材料６のＨＯＭＯ準位のエネルギー準位の差ＥＬ２の絶対値を０．５ｅＶ以上とすることによって、有機光電変換層３で生じた電子が阻害されることなく負極１へ流れることができる。そのため、光電変換効率を下げることなく暗電流を抑制することができる。
これらの原理は、第１の実施形態におけるＥＬ１による電子をトラップ・散乱する原理およびＥＨ１による正孔が阻害されずに正極２へ流れる原理と同様である。
【００３９】
これら第２電荷輸送材料と正孔トラップ・散乱材料の組み合わせとしては、例えばＰＤＣＤＴ（Ｎ，Ｎ’−ｂｉｓ（２，５−ｄｉ−ｔｅｒｔ−ｂｕｔｙｌｐｈｅｎｙｌ）−３，４，９，１０−ｐｅｒｙｌｅｎｅ ｄｉｃａｒｂｏｘｉｍｉｄｅ）とｍＣＰ（Ｎ，Ｎ−ｄｉｃａｒｂａｚｏｌｙｌ−３，５−ｂｅｎｚｅｎｅ）とが挙げられる。これらの組み合わせの場合、それぞれのＨＯＭＯ準位間のエネルギー準位の差ＥＨ２は０．１ｅＶ程度であり、それぞれのＬＵＭＯ準位のエネルギー準位の差ＥＬ２は１．４ｅＶ程度である。そのため、第２電荷輸送層４ｂでブロックしきれなかった正孔をトラップすることができ、有効光電変換層３で発生した電子が負極へ流れることを阻害しない。
また他にも、Ａｌｑ３とＴＣＴＡ（４，４’，４’’−Ｔｒｉｓ（ｃａｒｂａｚ；Ｔｒｉｓ（４−ｃａｒｂａｚｏｙｌ−９−ｙｌｐｈｅｎｙｌ）ａｍｉｎｅ））とを用いる場合、それぞれのＨＯＭＯ準位間のエネルギー準位の差ＥＨ２が０．２ｅＶ程度、それぞれのＬＵＭＯ準位間のエネルギー準位の差ＥＬ２が０．９ｅＶ程度である。この場合でも、第１電荷輸送層４ａでブロックしきれなかった正孔をトラップすることができ、有効光電変換層３で発生した電子が負極へ流れることを阻害しない。
【００４０】
正孔トラップ・散乱材料６は、上述のＬＵＭＯ準位およびＨＯＭＯ準位を有する材料であれば、特に限定されるものではない。例えば、ＣＢＰ（（４，４−Ｎ，Ｎ−ｄｉｃａｒｂａｚｏｌｅ）ｂｉｐｈｅｎｙｌ）、ｍＣＰ（Ｎ，Ｎ−ｄｉｃａｒｂａｚｏｌｙｌ−３，５−ｂｅｎｚｅｎｅ）、ＴＣＴＡ（４，４’，４’’−Ｔｒｉｓ（ｃａｒｂａｚ；Ｔｒｉｓ（４−ｃａｒｂａｚｏｙｌ−９−ｙｌｐｈｅｎｙｌ）ａｍｉｎｅ）、ＢＡｌｑ（Ｂｉｓ（２−ｍｅｔｈｙｌ−８−ｑｕｉｎｏｌｉｎｏｌａｔｏ−Ｎ１，Ｏ８）−（１，１’−Ｂｉｐｈｅｎｙｌ−４−ｏｌａｔｏ）ａｌｕｍｉｎｕｍ）、ＢＰｈｅｎ（Ｂａｔｈｏｐｈｅｎａｎｔｈｒｏｌｉｎｅ）、ＢＣＰ（Ｂａｔｈｏｃｕｐｒｏｉｎｅ）等を用いることができる。
【００４１】
正孔トラップ・散乱材料６は、第２電荷輸送材料に対して重量比１〜５０％の割合で含まれることが好ましく、重量比が１０〜４０％の割合でもよい。当該範囲外でも正孔トラップ・散乱材料６と第２電荷輸送材料の間にはエネルギー準位の差が存在するため、正孔をトラップ・散乱する効果は生じる。
しかし、正孔トラップ・散乱材料６の占める割合が重量比５０％より多くなると、第２電荷輸送層４ｂ内において正孔トラップ・散乱材料６が主たる材料となる。この場合、正孔トラップ・散乱材料６のエネルギー準位がホストエネルギー準位となり、正孔トラップ・散乱材料６のエネルギー準位間のホッピングがホッピング伝導の主となる。そのため、正孔トラップ・散乱材料６が主となると、正孔トラップ・散乱材料６のＨＯＭＯ準位が、第２電荷輸送材料のＨＯＭＯ準位より高い場合において、以下の問題が生じる。
正孔トラップ・散乱材料６の占める割合が重量比５０質量％以下では、負極１から第２電荷輸送層４ｂへ遷移する場合、正孔は主として負極１のエネルギー準位と第２電荷輸送材料のＨＯＭＯ準位とのエネルギー準位の差によってブロックされる。一方で、重量比が５０質量％を超えると、正孔トラップ・散乱材料６が第２電荷輸送層４ｂの主となる材料となる。そのため、負極１から第２電荷輸送層４ｂへ遷移する場合、正孔は主として負極１のエネルギー準位と正孔トラップ・散乱材料６のＨＯＭＯ準位のエネルギー準位の差によってブロックされる。つまり、正孔トラップ・散乱材料６のＨＯＭＯ準位が第２電荷輸送材料のＨＯＭＯ準位より高い場合は、負極１の正孔をブロックする機能が低下してし、暗電流の抑制効果が低下してしまう。
これに対し、正孔トラップ・散乱材料の重量比が５０質量％以下の場合、及び、正孔トラップ・散乱材料の重量比が５０質量％以上であり、かつ、正孔トラップ・散乱材料６のＨＯＭＯ準位が、第２電荷輸送材料のＨＯＭＯ準位より低い場合においては、当該問題は生じない。
【００４２】
負極１、正極２および有機光電変換層３は、第１の実施形態と同様のものを用いることができる。また、有機光電変換層３に加える電圧も第１の実施形態と同様の範囲とすることが好ましい。
【００４３】
この有機光電変換素子２０は、第１実施形態と同様の方法で作製することができる。
また、第２電荷輸送層４ｂは、第２電荷輸送材料と正孔トラップ・散乱材料６を混合させて形成することができる。混合方法は特に限定されないが、一般に用いられる物理的な混合で良い。乾式成膜法の場合は、当該材料を真空蒸着することで、第２電荷輸送層４ｂを形成することができる。また、湿式成膜法の場合は、溶媒に当該材料を加えて用いることができる。
【００４４】
（第３の実施形態）
以下、第３の実施形態の有機光電変換素子を図面を参照して説明する。
図５は、第３の実施形態の有機光電変換素子３０のエネルギー準位を模式的に示した図である。図５では、代表的な場合として第１電荷輸送層４ａの主な準位が第１電荷輸送材料により、第２電荷輸送層４ｂの主な準位が第２電荷輸送材料による場合のエネルギー準位を示す。
ここで、第３の実施形態の有機光電変換素子３０は、第１の実施形態の有機光電変換素子１０と層構造は同一である（図１参照）。すなわち、有機光電変換素子３０は、負極１と正極２の間に挟まれた有機光電変換層３と、正極２と有機光電変換層３との間に挟まれた第１電荷輸送層４ａと、負極１と有機光電変換層３との間に挟まれた第２電荷輸送層４ｂとを持つ。第３の実施形態の有機光電変換素子３０は、第１電荷輸送層４ａが電子トラップ・散乱材料５を有し、第２電荷輸送層４ｂが正孔トラップ・散乱材料６を有する。
【００４５】
第１電荷輸送材料および第２電荷輸送材料は、第１の実施形態と同様のエネルギー準位を有する。そのため、第１電荷輸送層４ａおよび第２電荷輸送層４ｂは、暗電流が流れることをブロックすることができる。また、有機光電変換層で生じた電子および正孔の流れを阻害しない。
第１電荷輸送層４ａは、電子トラップ・散乱材料５を有する。電子トラップ・散乱材料５のＨＯＭＯ準位は、第１電荷輸送材料のＨＯＭＯ準位に対して−０．５ｅＶ以下又は＋０．５ｅＶ以上の準位（すなわち、エネルギー準位の差ＥＨ１の絶対値が０．５ｅＶ以上）であり、かつ、電子トラップ・散乱材料５のＬＵＭＯ準位は、第１電荷輸送材料のＬＵＭＯ準位に対して−０．５ｅＶ以上＋０．５ｅＶ以下の準位（すなわち、エネルギー準位の差ＥＬ１の絶対値が０．５ｅＶ以下）である。また、電子トラップ・散乱材料５のＨＯＭＯ準位は、第１電荷輸送材料のＨＯＭＯ準位に対し０．７ｅＶ以上低いエネルギー準位であることが好ましく、１．０ｅＶ以上低いエネルギー準位であることがより好ましい。
この第１電荷輸送材料のＬＵＭＯ準位と電子トラップ・散乱材料５のＬＵＭＯ準位のエネルギー準位の差ＥＬ１の絶対値を０．５ｅＶ以下とするによって、第１電荷輸送材料のみではブロックしきれない電子を第１電荷輸送層４ａ内でトラップまたは散乱することができる。また、第１電荷輸送材料のＨＯＭＯ準位と電子トラップ・散乱材料５のＨＯＭＯ準位のエネルギー準位の差ＥＨ１の絶対値を０．５ｅＶ以上とすることによって、有機光電変換層３で生じた正孔が阻害されることなく正極２へ流れることができる。そのため、光電変換効率を下げることなく暗電流を抑制することができる。
【００４６】
第２電荷輸送層４ｂは、正孔トラップ・散乱材料６を有する。正孔トラップ・散乱材料６のＨＯＭＯ準位は、第２電荷輸送材料のＨＯＭＯ準位に対して−０．５ｅＶ以上＋０．５ｅＶ以下の準位（すなわち、エネルギー準位の差ＥＨ２の絶対値が０．５ｅＶ以下）であり、かつ、正孔トラップ・散乱材料６のＬＵＭＯ準位は、第２電荷輸送材料のＬＵＭＯ準位に対して−０．５ｅＶ以下又は０．５ｅＶ以上の準位（すなわち、エネルギー準位の差ＥＬ２の絶対値が０．５ｅＶ以上）である。また、正孔トラップ・散乱材料６のＬＵＭＯ準位は、第２電荷輸送材料のＬＵＭＯ準位に対し０．７ｅＶ以上高いエネルギー準位であることが好ましく、１．０ｅＶ以上高いエネルギー準位であることがより好ましい。
この第２電荷輸送材料のＨＯＭＯ準位と正孔トラップ・散乱材料６のＨＯＭＯ準位のエネルギー準位の差ＥＨ２の絶対値を０．５ｅＶ以下とするによって、第２電荷輸送材料のみではブロックしきれない正孔を第２電荷輸送層４ｂ内でトラップまたは散乱することができる。また、第２電荷輸送材料のＨＯＭＯ準位と正孔トラップ・散乱材料６のＬＵＭＯ準位のエネルギー準位の差ＥＬ２の絶対値を０．５ｅＶ以上とすることによって、有機光電変換層３で生じた電子が阻害されることなく負極１へ流れることができる。そのため、光電変換効率を下げることなく暗電流を抑制することができる。
【００４７】
第１電荷輸送層４ａは、第１の実施形態と同様の第１電荷輸送材料および電子トラップ・散乱材料５を有する。また、第２電荷輸送層４ｂは、第２の実施形態と同様の第２電荷輸送材料および正孔トラップ・散乱材料６を有する。そのため、電子および正孔をトラップ・散乱することができる。したがって、暗電流の発生を抑制することができ、有機光電変換層３で発生した電子および正孔の流れを阻害しない。そのため、光電変換効率を下げることなく暗電流を抑制することができる。
【００４８】
負極１、正極２、有機光電変換層３のそれぞれは、第１の実施形態または第２の実施形態と同様のものを用いることができる。また、第１電荷輸送材料に対する電子トラップ・散乱材料５の重量比および第２電荷輸送材料に対する正孔トラップ・散乱材料６の重量比も、第１の実施形態または第２の実施形態と同様の範囲とすることができる。
【００４９】
この有機光電変換素子３０は、第１実施形態および第２実施形態と同様の方法で作製することができる。
【００５０】
（第４の実施形態）
図６は、第４の実施形態の撮像装置を模式的に示す図である。
第４の実施形態の撮像装置１００は、複数の有機光電変換素子１０と、有機光電変換素子１０のそれぞれに電圧を印加する電圧印加部４０と、有機光電変換素子１０のそれぞれで光電変換された信号を読み込む信号処理部５０とを備える。図６では、第１の実施形態の有機光電変換素子１０を用いているが、第４の実施形態はこの場合に限定されるものではない。例えば、第２の実施形態の有機光電変換素子２０や第３の実施形態の有機光電変換素子３０を用いることもできる。
また図６では、有機光電変換素子１０を３行３列で配列しているが、第４の実施形態ではこの場合に限定されるものではなく、各有機光電変換素子１０は配列せずに任意の場所に複数配置してもよい。また図６では、各有機光電変換素子１０に各電圧印加部４０を接続しているが、一つの電圧印加部から各有機光電変換素子１０に配線を繋いで電圧を同時に印加してもよい。
【００５１】
電圧印加部４０は、有機光電変換素子１０に電圧を印加する。有機光電変換素子１０に電圧印加部４０から逆バイアスを印加すると、有機光電変換素子１０に電場が生じる。この生じた電場により有機光電変換素子１０中の有機光電変換層３で生じた電子および正孔は、それぞれ負極１および正極２に引き寄せられ応答速度が向上する。また、生じた電場により有機光電変換層３にて生じた励起子の電荷分離性が向上するため、光電変換効率も向上する。
【００５２】
有機光電変換素子１０に加える電圧は、特に制限はされない。加える電圧が大きくなればそれだけ有機光電変換素子１０に生じる電界が大きくなるため、光電変換率および応答速度は向上する。一方、加える電圧が大きすぎると降伏現象により、目的と逆方向に電流が流れてしまう。加える電圧は具体的には、有機光電変換層に１．０×１０４Ｖ／ｃｍ〜１．０×１０６Ｖ／ｃｍの電界となる電圧を印加することが好ましい。
【００５３】
また、図６においては、各有機光電変換素子１０にそれぞれ電圧印加部４０を設けているが、第４の実施形態はこの場合に限定されるものではない。電圧印加部４０として一つの電源を用意し、その電源から各有機光電変換素子１０に電圧を印加するように配線を接続してもよい。
【００５４】
信号処理部５０は、各有機光電変換素子１０に接続される。信号処理部５０は、有機光電変換素子１０で光電変換した信号を受信し処理する。
例えば、有機光電変換素子１０をｎ行ｍ列で平面上に配列すると、有機光電変換素子１０の各点における光の強さが、電気信号として信号処理部５０に送られる。信号処理部５０では、受信した電気信号を処理することで、画像情報と読み取ることができる。このような撮像素子１００は、例えばビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、カメラ等として用いることができる。
【００５５】
以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、電子トラップ・散乱材料または正孔トラップ・散乱材料を持つことにより、光電変換効率を下げることなく暗電流を抑制することができる。
【実施例】
【００５６】
以下に、実施例１について説明する。
実施例１の有機光電変換素子は、第３の実施形態の有機光電変換素子３０と同じ構成とした。
【００５７】
具体的な各層の材料構成は、ＩＴＯ／Ｎ，Ｎ’−ジメチルキナクリドン（第１電荷輸送材料）：Ｂ３ＰＹＭＰＭ（電子トラップ・散乱材料）＝６：４／Ｎ，Ｎ’−ジメチルキナクリドン：ＰＤＣＤＴ=１：１（有機光電変換層）／ＰＤＣＤＴ（第２電荷輸送材料）：ｍＣＰ（正孔トラップ・散乱材料）=６：４／Ａｌとした。
ここで、Ｎ，Ｎ’−ジメチルキナクリドンのＨＯＭＯ準位に対し、Ｂ３ＰＹＭＰＭのＨＯＭＯ準位は、約１．３ｅＶ低く、Ｎ，Ｎ’−ジメチルキナクリドンのＬＵＭＯ準位に対し、Ｂ３ＰＹＭＰＭのＬＵＭＯ準位は、約０．１ｅＶ低い。
また、ＰＤＣＤＴのＨＯＭＯ準位に対し、ｍＣＰのＨＯＭＯ準位は、約０．１ｅＶ高く、ＰＤＣＤＴのＬＵＭＯ準位に対し、ｍＣＰのＬＵＭＯ準位は、約１．４ｅＶ高い。
【００５８】
実施例１の有機光電変換素子は以下の条件で作製した。
ＩＴＯ付ガラス基板を溶剤洗浄した後、ＵＶ／Ｏ３洗浄を行った。その基板に、１０−４Ｐａ以下の減圧下で、Ｎ，Ｎ’−ジメチルキナクリドンおよびＢ３ＰＹＭＰＭを、２０ｎｍ膜厚となるように共蒸着した。このとき、Ｎ，Ｎ’−ジメチルキナクリドンとＢ３ＰＹＭＰＭは、室温で重量比６：４の割合となるようにした。
次に、このＮ，Ｎ’−ジメチルキナクリドンおよびＢ３ＰＹＭが成膜された膜の上に、Ｎ，Ｎ’−ジメチルキナクリドンとペリレン系化合物であるＰＤＣＤＴを、室温下１Å/ｓｅｃの蒸着速度で４０ｎｍ膜厚となるように共蒸着をした。このとき、Ｎ，Ｎ’−ジメチルキナクリドンとＰＤＣＤＴは、重量比１:１となるようにした。
さらに、このＮ，Ｎ’−ジメチルキナクリドンおよびＰＤＣＤＴの上に、１０−４Ｐａ以下の減圧下で、ＰＤＣＤＴおよびＢ３ＰＹＭＰＭを２０ｎｍ膜厚となるように共蒸着した。このとき、ＰＤＣＤＴとｍＣＰは、室温で重量比６：４となるようにした。
これらの有機積層膜上に対向電極としてＡｌを厚み１５０ｎｍで真空蒸着し、有機光電変換素子を作製した。また本実施例では、ＵＶ硬化性シール材により、ガラス封止基板を基板に接着することによって封止を行った。
【００５９】
この有機光電変換素子の、逆バイアス−１Ｖ印加の条件下で、電気特性はｐＡ  Ｍｅｔｅｒ／ＤＣ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｓｏｕｒｃｅ（Ｈｅｗｌｅｔｔｔ  Ｐａｃｋａｒｄ：  ４１４０Ｂ）を用いて求めた。光源は、ハロゲン光源のコールドライト（ＨＯＹＡ−ＳＨＯＴＴ：  ＨＬ１００Ｅ）および、バンドパスフィルター（朝日分光：ＭＸ０５３０）を用いた。その結果、外部量子効率が１５．９％（照射波長：５３０ｎｍ）で、暗電流が２．６×１０−７ｎＡ／ｃｍ２であった。
【００６０】
以下に、比較例１について説明する。
比較例１の有機光電変換素子は、第１電荷輸送層および第２電荷輸送層のそれぞれが電子トラップ・散乱材料および正孔トラップ・散乱材料を有していない点が、実施例１の有機光電変換素子と異なる。その他の構成は、実施例１と同様とした。
すなわち、比較例１の有機光電変換素子は、ＩＴＯ／Ｎ，Ｎ’−ジメチルキナクリドン（第１電荷輸送材料）／Ｎ，Ｎ’−ジメチルキナクリドン：ＰＤＣＤＴ＝１：１（有機光電変換層）／ＰＤＣＤＴ（第２電荷輸送材料）／Ａｌという構成とした。
比較例１の有機光電変換素子の外部量子効率は１３．１％（照射光波長：５３０ｎｍ）で、暗電流は１．１×１０−６ｎＡ／ｃｍ２であった。
【００６１】
実施例１は、比較例１に対して暗電流が低減されている。また、外部量子効率も上昇している。すなわち、実施例１の有機光電変換素子は、電子トラップ・散乱材料および正孔トラップ・散乱材料を含むことで、光電変換効率を下げることなく暗電流を抑制することができていることがわかる。
【００６２】
以下に、実施例２について説明する。
実施例２の有機光電変換素子の具体的な各層の材料構成は、ＩＴＯ／ＮＰＢ（第１電荷輸送材料）：ＣＢＰ（電子トラップ・散乱材料）＝９：１／Ｎ，Ｎ’−ジメチルキナクリドン：ＰＤＣＤＴ=１：１（有機光電変換層）／Ａｌｑ３（第２電荷輸送材料）：ＴＣＴＡ（正孔トラップ・散乱材料）=９：１／Ａｌという構成とした。
このとき、ＮＰＢのＨＯＭＯ準位に対し、ＣＢＰのＨＯＭＯ準位は、約０．６ｅＶ低く、ＮＰＢのＬＵＭＯ準位に対し、ＣＢＰのＬＵＭＯ準位は、約０．２ｅＶ低い。
また、Ａｌｑ３のＨＯＭＯ準位に対し、ＴＣＴＡのＨＯＭＯ準位は、約０．２ｅＶ高く、Ａｌｑ３のＬＵＭＯ準位に対し、ＴＣＴＡのＬＵＭＯ準位は、約０．９ｅＶ高い。
【００６３】
実施例２は、有機光電変換層に用いた材料と、第１電荷輸送材料および第２電荷輸送材料とが異なっている点が実施例１の有機光電変換素子と異なる。その他の条件は、全て実施例１と同様の構成とした。
実施例１の有機光電変換素子と同様に、外部量子効率および暗電流を測定すると、外部量子効率は２９．１％（照射光波長：５３０ｎｍ）で、暗電流は３．１×１０−８ｎＡ／ｃｍ２であった。
【００６４】
以下に、比較例２について説明する。
比較例２の有機光電変換素子は、第１電荷輸送層および第２電荷輸送層のそれぞれが電子トラップ・散乱材料および正孔トラップ・散乱材料を有していない点が、実施例２の有機光電変換素子と異なる。
具体的な各層の材料構成は、ＩＴＯ／ＮＰＢ（第１電荷輸送材料）／Ｎ，Ｎ’−ジメチルキナクリドン：ＰＤＣＤＴ=１：１（有機光電変換層）／Ａｌｑ３（第２電荷輸送材料）／Ａｌという構成とした。その他の構成は、実施例２と同様とした。
比較例２の有機光電変換素子の外部量子効率は３０．６％（照射光波長：５３０ｎｍ）で、暗電流は５．８×１０−７ｎＡ／ｃｍ２であった。
【００６５】
実施例２は、比較例２に対して暗電流が低減されている。すなわち、実施例２の有機光電変換素子は、電子トラップ・散乱材料および正孔トラップ・散乱材料を含むことで、光電変換効率を下げることなく暗電流を抑制することができていることがわかる。
【００６６】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００６７】
１…負極、２…正極、３…有機光電変換層、４ａ…第１電荷輸送層、４ｂ…第２電荷輸送層、５…電子トラップ・散乱材料、６…正孔トラップ・散乱材料、１０…有機光電変換素子、２０…有機光電変換素子、３０…有機光電変換素子、４０…電圧印加部、５０…信号処理部、１００…撮像装置、
【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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