(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起子を発生する光活性領域を含む有機半導体と、
前記励起子に含まれるキャリアを解離する解離領域を含み、圧電性を有する無機半導体とを備え、
前記解離領域は電極の電極面から延在して柱状に形成され、
前記光活性領域と前記解離領域との間でエネルギー準位の関係が、下記式（１）及び下記式（２）のいずれか一方を満たし、
前記解離領域は、互いに異なる材料により形成された複数の層を有し、前記異なる材料の格子定数の違いによりひずみを発生させる領域である光起電力装置。
0006791249.tif 000020
ただし、
ＥＬＵＭＯは、前記光活性領域におけるＬＵＭＯ準位を示し、
ＥＨＯＭＯは、前記光活性領域におけるＨＯＭＯ準位を示し、
ＥＣは、前記解離領域における伝導帯下端のエネルギー準位を示し、
ＥＶは、前記解離領域における価電子帯上端のエネルギー準位を示す。
【請求項２】
前記エネルギー準位の関係が前記式（１）を満たす場合に、前記エネルギー準位の関係は下記式（３）を満たす請求項１記載の光起電力装置。
0006791249.tif 000021
【請求項３】
前記エネルギー準位の関係が前記式（２）を満たす場合に、前記エネルギー準位の関係は下記式（４）を満たす請求項１又は２記載の光起電力装置。
0006791249.tif 000022
【請求項４】
前記エネルギー準位の関係が前記式（１）を満たす場合に、前記エネルギー準位の関係は下記式（５）を満たす請求項１又は２記載の光起電力装置。
0006791249.tif 000023
【請求項５】
前記エネルギー準位の関係が前記式（２）を満たす場合に、下記式（６）を満たす請求項１又は３記載の光起電力装置。
0006791249.tif 000024
【請求項６】
電極を備え、
前記解離領域は、前記有機半導体を形成する有機材料に囲まれており、
前記解離領域の一部が前記電極に直接接続されている
請求項１〜５のいずれか一項に記載の光起電力装置。
【請求項７】
前記解離領域と前記光活性領域との間の界面におけるエネルギー準位、及び、前記電極と接続する接続面におけるエネルギー準位が、
式（１）を満たす場合には下記式（７）を満たし、
式（２）を満たす場合には下記式（８）を満たす
請求項６記載の光起電力装置。
0006791249.tif 000025
ただし、
ＥＣаは前記界面における伝導帯下端のエネルギー準位を示し、
ＥＶаは前記界面における価電子帯上端のエネルギー準位を示し、
ＥＣｂは前記接続面における伝導帯下端のエネルギー準位を示し、
ＥＶｂは前記接続面における価電子帯上端のエネルギー準位を示す。
【請求項８】
電極を備え、
前記解離領域は前記有機半導体を形成する有機材料に囲まれており、
前記解離領域の一部が前記電極に直接接続されており、
前記解離領域と前記光活性領域は界面を介して接合し、
前記解離領域と前記電極は接続面を介して接続する
請求項６又は７記載の光起電力装置。
【請求項９】
第１電極及び第２電極を備え、
前記解離領域は、前記キャリアのうち正孔を通過させる第１解離領域と、前記キャリアのうち電子を通過させる第２解離領域とを含み、
前記第１解離領域及び前記第２解離領域は、前記有機半導体を形成する有機材料に囲まれており、
前記第１解離領域の一部は前記第１電極に直接接続され、
前記第２解離領域の一部が前記第２電極に直接接続されている
請求項１〜５のいずれか一項に記載の光起電力装置。
【請求項１０】
複数の前記解離領域は、前記有機半導体を形成する有機材料を介して互いに対向して配置されており、
前記複数の解離領域の互いに対向する面の間隔が、前記励起子の拡散長の２倍以内である
請求項１〜９のいずれか一項に記載の光起電力装置。
【請求項１１】
前記光活性領域を形成する材料は、Ｐ３ＨＴ、Ｐ３ＯＴ、Ｐ３ＤＤＴ、ＰＴＡＡ、ＭＥＨ−ＰＰＶ、ＭＤＭＯ−ＰＰＶ、Ｆ８ＢＴ、Ｆ８Ｔ２、ＰＯＴ−ｃｏ−ＤＯＴ、ｐ−ＤＴＳ（ＦＢＴＴｈ２）２、ＤＲ３ＴＳＢＤＴ、Ｐｄ（ＰＰｈ）４、ベンゾポルフィリン、テトラベンゾポルフィリン、フタロシアニン、テトラセン、アントラセン、トリフェニレン、ピレン、クリセン、テトラフェン、ペリレン、コロネン、ヘキサベンゾコロネン、ＰＤＩ、ＰＤＩＴｈ、ＰＣ６０ＢＭ、ＰＣ６１ＢＭ、ＰＣ７０ＢＭ、ＰＣ７１ＢＭ、ＰＣ８４ＢＭ、ビスＰＣ６０ＢＭ、ＰＣＢＢ、ＰＣＢＯ、ＰＮＴｚ４Ｔ、ＰＮＯｚ４Ｔ、ＴｈＣ６０ＢＭ、ｄ５−ＰＣＢＭ、ＳＩＭＥＦ、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ、ＭＡＤＮ、Ｎ７１９、Ｎ３、Ｎ９０７、ＹＤ２−ｏ−Ｃ８、ＭＫ−１、ＭＫ−２、ＴＡ−Ｓｔ−ＣＡ、ＭＲ−１、ＭＲ−２、ＭＲ−３、および、これらの誘導体から選択される少なくとも一種を含む
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の光起電力装置。
【請求項１２】
前記光活性領域はバルクヘテロ接合を含む
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の光起電力装置。
【請求項１３】
前記解離領域を形成する材料の組み合わせが、ＡｌＮ／ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＩｎＮ、ＡｌＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ、ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｓ、ＡｌＰ／ＡｌＧａＰ、ＡｌＧａＰ／ＧａＰ、ＧａＰ／ＧａＡｓＰ、ＧａＡｓＰ／ＧａＡｓ、ＡｌＰ／ＡｌＡｓＰ、ＡｌＡｓＰ／ＡｌＡｓ、ＡｌＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＡｓ、ＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ、ＧａＡｓＳｂ／ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ／ＡｌＧａＳｂ、ＡｌＧａＳｂ／ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ／ＡｌＩｎＳｂ、ＡｌＩｎＳｂ／ＩｎＳｂ、ＭｇＳ／ＭｇＺｎＳ、ＭｇＺｎＳ／ＺｎＳ、ＭｇＳ／ＭｇＳＳｅ、ＭｇＳＳｅ／ＭｇＳｅ、ＺｎＳ／ＺｎＳＳｅ、ＺｎＳＳｅ／ＺｎＳｅ、ＭｇＳｅ／ＭｇＺｎＳｅ、ＭｇＺｎＳｅ／ＺｎＳｅ、ＣｕＡｌＳ２／ＣｕＡｌＳＳｅ、ＣｕＡｌＳＳｅ／ＣｕＡｌＳｅ２、ＣｕＡｌＳ２／ＣｕＧａＡｌＳ２、ＣｕＧａＡｌＳ２／ＣｕＧａＡｌＳ２、ＣｕＧａＳ２／ＣｕＧａＳＳｅ、ＣｕＧａＳＳｅ／ＣｕＧａＳｅ２、ＣｕＧａＳ２／ＣｕＩｎＧａＳ２、ＣｕＩｎＧａＳ２／ＣｕＩｎＳ２、ＣｕＩｎＳ２／ＣｕＩｎＳＳｅ、ＣｕＩｎＳＳｅ／ＣｕＩｎＳｅ２、ＣｕＧａＳｅ２／ＣｕＩｎＧａＳｅ２、ＣｕＩｎＧａＳｅ２／ＣｕＩｎＳｅ２、ＭｇＳｅ／ＭｇＺｎＳｅＴｅ及びＭｇＺｎＳｅＴｅ／ＺｎＴｅから選択される少なくとも一種である
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の光起電力装置。
【請求項１４】
前記解離領域を形成する材料の組み合わせが、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（ｘ≠ｙ）、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ／ＩｎｙＧａ１−ｙＮ（ｘ≠ｙ）、ＡｌＧａｘＡｓ１−ｘ／ＡｌＧａｙＡｓ１−ｙ（ｘ≠ｙ）、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ／ＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ、ＡｌＧａｘＰ１−ｘ／ＡｌＧａｙＰ１−ｙ（ｘ≠ｙ）、ＧａＡｓｘＰ１−ｘ／ＧａＡｓｙＰ１−ｙ（ｘ≠ｙ）、ＡｌＡｓｘＰ１−ｘ／ＡｌＡｓｙＰ１−ｙ（ｘ≠ｙ）、ＩｎｘＡｌ１−ｘＡｓ／ＩｎｙＡｌ１−ｙＡｓ（ｘ≠ｙ）、ＧａＡｓｘＳｂ１−ｘ／ＧａＡｓｙＳｂ１−ｙ（ｘ≠ｙ）、ＡｌｘＧａ１−ｘＳｂ／ＡｌｙＧａ１−ｙＳｂ（ｘ≠ｙ）、ＡｌｘＩｎ１−ｘＳｂ／ＡｌｙＩｎ１−ｙＳｂ（ｘ≠ｙ）、ＭｇｘＺｎ１−ｘＳ／ＭｇｙＺｎ１−ｙＳ（ｘ≠ｙ）、ＭｇｘＺｎ１−ｘＳｅ／ＭｇｙＺｎ１−ｙＳｅ（ｘ≠ｙ）、ＣｕＡｌ（ＳｘＳｅ１−ｘ）２、ＣｕＡｌｘＧａ１−ｙＳ２／ＣｕＡｌｙＧａ１−ｙＳ２（ｘ≠ｙ）、ＣｕＧａ（ＳｘＳｅ１−ｘ）２／ＣｕＧａ（ＳｙＳｅ１−ｙ）２（ｘ≠ｙ）、ＣｕＩｎｘＧａ１−ｘＳ２／ＣｕＩｎｙＧａ１−ｙＳ２（ｘ≠ｙ）、ＣｕＩｎ（ＳｘＳｅ１−ｘ）２／ＣｕＩｎ（ＳｙＳｅ１−ｙ）２（ｘ≠ｙ）、ＣｕＩｎｘＧａ１−ｘＳｅ２／ＣｕＩｎｙＧａ１−ｙＳｅ２（ｘ≠ｙ）及び（ＭｇＳｅ）ｘ（ＺｎＴｅ）１−ｘ／（ＭｇＳｅ）ｙ（ＺｎＴｅ）１−ｙ（ｘ≠ｙ）から選択される少なくとも一種である
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の光起電力装置。
ただし、０＜ｘ＜１及び０＜ｙ＜１である。
【請求項１５】
前記解離領域は、異なる材料により形成された複数の層を有し、
前記複数の層のうち少なくとも一層におけるエネルギー準位が下記式（９）又は下記式（１０）を満たす請求項１〜１３のいずれか一項に記載の光起電力装置。
0006791249.tif 000026
ただし、
ＥＣ１は前記一層における伝導帯下端のエネルギー準位を示し、
ＥＶ１は前記一層における価電子帯上端のエネルギー準位を示し、
ＥＦ１は前記一層におけるフェルミ準位を示す。
【請求項１６】
前記無機半導体は前記光活性領域を含む
請求項１〜１４のいずれか一項に記載の光起電力装置。
【請求項１７】
前記有機半導体及び前記無機半導体を有するセルを複数積層した積層体を備え、
積層された複数の前記セルにそれぞれ含まれる前記光活性領域のバンドギャップは、光の入射面から前記セルの積層方向に沿って小さくなる
請求項１〜１６のいずれか一項に記載の光起電力装置。
【請求項１８】
前記有機半導体及び前記無機半導体を有するセルを複数積層した積層体を備え、
積層された複数の前記セルにそれぞれ含まれる前記解離領域のバンドギャップは、光の入射面から前記セルの積層方向に向かって小さくなる
請求項１〜１５及び１７のいずれか一項に記載の光起電力装置。
【請求項１９】
電極を備え、
前記解離領域は、前記有機半導体を形成する有機材料に囲まれており、
前記解離領域の一部は、前記電極に直接接続されており、
前記解離領域と接続する前記電極と前記有機半導体は直接接触していない
請求項１〜１５及び１８のいずれか一項に記載の光起電力装置。
【請求項２０】
前記解離領域と接続する前記電極と前記有機半導体との間に設けられた保護膜を備える
請求項１９記載の光起電力装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光起電力装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
無機半導体であるＺｎＯナノロッドを柱状の構造体として、有機半導体であるＰ３ＨＴ内に設けた光起電装置が知られている（非特許文献１）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍａｔｅｒｉａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，  “Ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ  ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅ／ｃｏｎｊｕｇａｔｅｄ  ｐｏｌｙｍｅｒ  ｈｙｂｒｉｄ  ｓｏｌａｒ  ｃｅｌｌｓ  ｂｙ  ｌｏｗ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｓｏｌｕｔｉｏｎ  ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ”，  １７，  ｐ．４５７１  （２００８）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の光起電装置では、ドナー／アクセプタの界面において、励起子の解離効率が低いため、変換効率が低いという問題があった。【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、変換効率を高めた光起電力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】
本発明は、光活性領域を含む有機半導体と、解離領域を含み、圧電性を有する無機半導体とを備え、光活性領域と励起子解離領域との間でエネルギー準位の関係が、下記式（１）及び下記式（２）の少なくもいずれか一方満たす光起電力装置によって上記課題を解決する。
【数１】
0006791249.tif 000002
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、変換効率を高めた光起電力装置を提供できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本実施形態に係る光起電力装置の断面図である。
【図２】図２は、図１のII‐II線に沿う断面におけるエネルギーダイアグラムを示す。
【図３Ａ】図３Ａは、比較例１に係る有機薄膜太陽電池の断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、比較例１に係る有機薄膜太陽電池のエネルギーダイアグラムである。
【図４】図４は、比較例２に係る半導体装置のエネルギーダイアグラムを示す。
【図５】図５は、発明の他の実施形態に係る光起電力装置の断面図である。
【図６】図６は、図５のVI‐VI線に沿う断面におけるエネルギーダイアグラムを示す。
【図７】図７は、キャリア分布のエネルギー依存及びフェルミ準位以降の同分布の累積度数の関係を示したグラフである。
【図８】図８は、変形例に係る光起電力装置の断面図である。
【図９】図９は、変形例に係る光起電力装置の断面図である。
【図１０】図１０は、発明の他の実施形態に係る光起電力装置の断面図である。
【図１１】図１１は、発明の他の実施形態に係る光起電力装置の断面図である。
【図１２】図１２は、図１１のXII‐XII線に沿う断面におけるエネルギーダイアグラムを示す。
【図１３】図１３は、発明の他の実施形態に係る光起電力装置の断面図である。
【図１４】図１４は、図１３のXIV‐XIV線に沿う断面におけるエネルギーダイアグラムを示す。
【図１５】図１５は、発明の他の実施形態に係る光起電力装置のエネルギーダイアグラムを示す。
【図１６】図１６は、発明の他の実施形態に係る光起電力装置のエネルギーダイアグラムを示す。
【図１７】図１７は、図１６のXVII‐XVII線に沿う断面におけるエネルギーダイアグラムである。
【図１８】図１８は、発明の他の実施形態に係る光起電力装置の断面図である。
【図１９】図１９は、発明の他の実施形態に係る光起電力装置の断面図である。
【図２０】図２０は、変形例に係る光起電力装置の断面図である。
【図２１】図２１は、変形例に係る光起電力装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。  
【００１０】
《第１実施形態》
本実施形態に係る光起電力装置は、有機半導体と無機半導体とを組み合わせたハイブリッド構造の太陽電池である。本実施形態に係る光起電力装置は、例えば自動車など、高い変換効率と低コストとを両立が求められる装置に適用される。例えば、太陽電池を自動車用として用いた場合には、太陽電池は自動車のボディに設置することが考えられる。一般的な乗用車に太陽電池を設定した場合に、太陽電池の設置可能面積は５ｍ２程度である。そのため太陽電池の起電力を、車両の駆動力として用いるには高効率の太陽電池が求められる。
【００１１】
これまでも、以下に掲げるような数多くの太陽電池が開発されている。例えば、人工衛星に利用されている太陽電池はＧａＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ族半導体の単結晶からなるタンデム型（多接合型）をもつ電池である。この太陽電池のエネルギー変換効率は３０％を超えており、高効率を実現できる。しかしながら、コストが非常に高いという問題があった。また、他の高効率の太陽電池としては、主に結晶シリコン（Ｓｉ）やＣＩＳ（Ｃｕ−Ｉｎ−Ｓｅ：銅−インジウム−セレン）等で形成された太陽電池が、家庭用に販売されている。この太陽電池の変換効率は、最高でも２０％前後である。しかしながら、コストは依然として高い。
【００１２】
安価な太陽電池としてはアモルファスシリコン薄膜太陽電池や、有機薄膜太陽電池がある。アモルファスシリコン太陽電池は結晶シリコンと比較して光吸収係数が高い。アモルファスシリコン太陽電池は、ガラス基板等の結晶性を持たない基板上に厚さ１００ｎｍ程度の薄膜で形成可能である。結晶性を持たない基板は安価であるため、太陽電池全体のコストを抑制できる。有機薄膜太陽電池は材料である有機半導体が安価であることや、高真空を用いずに塗布プロセス等で作成可能であるため、コストを抑制できる、しかしながら、研究・開発の段階での変換効率が１０％程度でさらなる改良の必要性があり、太陽電池ロードマップとして掲げられている７円／ｋＷｈを達成するためには解決すべき課題が多い。
【００１３】
太陽電池は、発電時に二酸化炭素を排出せず、電力消費地での分散型発電を可能とするため、一般家庭、ビル、人工衛星および様々な電気製品に応用されている。そして、各種太陽電池はその応用分野によって求められる性能が異なる。
【００１４】
例えば人工衛星向けの場合は極めて高い変換効率が求められる反面、比較的高価でも需要があるため、上記のような、ＧａＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ族半導体の単結晶からなる太陽電池を用いることができる。
【００１５】
例えば、家庭向けの結晶シリコンやＣＩＳ等、またビルの窓への設置等が期待される有機薄膜太陽電池の場合は、数十ｍ２以上の広い設置面積が確保できることと電力会社へ売電が可能であることから１０〜２０％程度の変換効率と現在の価格でも需要がある。アモルファスシリコン薄膜太陽電池は出力が小さいものの、その低コスト性から電卓や腕時計等の消費電力の少ない電気製品で需要がある。
【００１６】
上記のとおり、変換効率及びコストのいずれか一方を重視した要求であれば、上記のような従来の太陽電池で適用可能である。しかしながら、自動車分野などの高い変換効率と低コストを両立したいという要求に対しては、従来の太陽電池では要求を満たすとは言いがたい。本実施形態に係る光起電力装置は、高い変換効率と低コストを両立させた太陽電池であって、以下のような構成を有している。
【００１７】
図１は、本実施形態に係る光起電力装置の断面図である。図２は、図１のII‐II線に沿う断面におけるエネルギーダイアグラムを示す。図２の横軸（Ｘ）は図１のｘ軸と同様の位置を示し、縦軸（Ｅ）はエネルギーの大きさを表している。
【００１８】
光起電力装置は、有機半導体１０、無機半導体２０、アノード電極３０及びカソード電極４０を備えている。有機半導体１０は、有機材料により形成されており、光活性領域１１を有している。有機半導体１０は、アノード電極３０の電極面及びカソード電極４０の電極面に沿った層状に形成されている。光活性領域１１は、半導体素子の外部からの光によって励起子を発生する領域である。
【００１９】
光活性領域を形成する材料、すなわち有機半導体に含まれる有機材料は、Ｐ３ＨＴ、Ｐ３ＯＴ、Ｐ３ＤＤＴ、ＰＴＡＡ、ＭＥＨ−ＰＰＶ、ＭＤＭＯ−ＰＰＶ、Ｆ８ＢＴ、Ｆ８Ｔ２、ＰＯＴ−ｃｏ−ＤＯＴ、ｐ−ＤＴＳ（ＦＢＴＴｈ２）２、ＤＲ３ＴＳＢＤＴ、Ｐｄ（ＰＰｈ）４、ベンゾポルフィリン、テトラベンゾポルフィリン、フタロシアニン、テトラセン、アントラセン、トリフェニレン、ピレン、クリセン、テトラフェン、ペリレン、コロネン、ヘキサベンゾコロネン、ＰＤＩ、ＰＤＩＴｈ、ＰＣ６０ＢＭ、ＰＣ６１ＢＭ、ＰＣ７０ＢＭ、ＰＣ７１ＢＭ、ＰＣ８４ＢＭ、ビスＰＣ６０ＢＭ、ＰＣＢＢ、ＰＣＢＯ、ＰＮＴｚ４Ｔ、ＰＮＯｚ４Ｔ、ＴｈＣ６０ＢＭ、ｄ５−ＰＣＢＭ、ＳＩＭＥＦ、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ、ＭＡＤＮ、Ｎ７１９、Ｎ３、Ｎ９０７、ＹＤ２−ｏ−Ｃ８、ＭＫ−１、ＭＫ−２、ＴＡ−Ｓｔ−ＣＡ、ＭＲ−１、ＭＲ−２、ＭＲ−３、および、これらの誘導体から選択される少なくとも一種を含む。なお、誘導体には、上記で列挙した物質を、分子骨格に含む派生化合物も含まれる。
【００２０】
無機半導体２０は、無機材料により形成されており、解離領域２１を有している。また、無機半導体２０は圧電性を有している。すなわち、無機半導体２０は無機圧電体である。無機半導体２０は、有機半導体１０内で柱状に形成されている。無機半導体２０に含まれる解離領域２１は、カソード電極４０の電極面から、アノード電極３０に向かって延在しつつ、柱状に形成されている。解離領域２１の先端部（延在方向（ｙ方向）でみたときに、カソード電極と反対側に位置する先端部分）は、アノード電極３０に接続されておらず、有機材料に覆われている。一方、解離領域２１の、有機材料で覆われた先端部とは反対側に位置する端部は、カソード電極４０に直接接続されている。解離領域２１は、複数設けられている。解離領域２１は、光活性領域で発生した励起子に含まれるキャリアを解離する領域である。
【００２１】
解離領域を形成する材料、すなわち無機半導体２０に含まれる無機材料は、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＡｌＰ、ＡｌＧａＰ、ＧａＰ、ＧａＡｓＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓＰ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＡｌＧａＳｂ、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＡｌＩｎＳｂ、ＩｎＳｂ、ＭｇＳ、ＭｇＺｎＳ、ＺｎＳ、ＭｇＳ、ＭｇＳＳｅ、ＭｇＳｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳＳｅ、ＺｎＳｅ、ＭｇＳｅ、ＭｇＺｎＳｅ、ＺｎＳｅ、ＣｕＡｌＳ２、ＣｕＡｌＳＳｅ、ＣｕＡｌＳｅ２、ＣｕＡｌＳ２、ＣｕＧａＡｌＳ２、ＣｕＧａＳ２、ＣｕＧａＳＳｅ、ＣｕＧａＳｅ２、ＣｕＩｎＧａＳ２、ＣｕＩｎＳ２、ＣｕＩｎＳＳｅ、ＣｕＩｎＳｅ２、ＣｕＧａＳｅ２、ＣｕＩｎＧａＳｅ２、ＭｇＳｅ、ＭｇＺｎＳｅＴｅ、及びＺｎＴｅ、および、これらの誘導体から選択される少なくとも一種を含む。
【００２２】
アノード電極３０は、太陽電池を外部から電源としてみた場合の正極であり、有機半導体１０の表面（上面）に形成されている。カソード電極４０は、負極であり、有機半導体１０の裏面（下面）に形成されている。
【００２３】
次に、光活性領域１１と解離領域２１との間の界面６０におけるエネルギー準位の関係について、図２を用いて説明する。図２の例では、光活性領域１１がドナー（ｐ型）であり、解離領域２１がアクセプタ（ｎ型）である。光活性領域１１が光を吸収することで励起子５０が発生する、励起子５０の一部は、光活性領域１１と解離領域２１との間の界面６０に拡散する。
【００２４】
光活性領域１１のＬＵＭＯ準位をＥＬＵＭＯとし、光活性領域１１のＨＯＭＯ準位をＥＨＯＭＯとし、解離領域２１の伝導帯下端のエネルギー準位をＥＣとし、解離領域２１の価電子帯上端のエネルギー準位をＥＶとすると、それぞれの準位のエネルギー関係は、下記式（１）及び式（２）で表される。
【数２】
0006791249.tif 000003
【数３】
0006791249.tif 000004
【００２５】
なお、無機半導体のエネルギーは一般的に固体物理学のバンドの概念で説明され、伝導帯下端（以下、単純に「伝導帯」または「ＥＣ」（Ｅ−Ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ  Ｂａｎｄの意味）と記載）と価電子帯上端（以下、単純に「価電子帯」または「ＥＶ」（Ｅ−Ｖａｌｅｎｃｅ  Ｂａｎｄの意味）と記載）、フェルミ準位（「ＥＦ」）を用いて説明される。これに対して有機半導体のエネルギーは一般的にフロンティア軌道論の概念で説明され、ＬＵＭＯ（Ｌｏｗｅｓｔ  Ｕｎｏｃｃｕｐｉｅｄ  Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｏｒｂｉｔａｌ：最低空軌道。以下、ＥＬＵＭＯとも記載）、ＨＯＭＯ（Ｈｉｇｈｅｓｔ  Ｏｃｃｕｐｉｅｄ  Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｏｒｂｉｔａｌ：最高被占軌道。以下、ＥＨＯＭＯとも記載）等を用いて説明する。
【００２６】
上記式（１）で示されるように、光活性領域１１のＬＵＭＯ準位（ＥＬＵＭＯ）が解離領域２１の伝導帯下端のエネルギー準位（ＥＣ）より高くなっている。そのため、励起子５０に含まれるキャリアのうち、電子５１のみが解離領域２１に移動する。光活性領域１１のＨＯＭＯ準位（ＥＨＯＭＯ）が解離領域２１の価電子帯上端のエネルギー準位（ＥＶ）より高くなっている。正孔５２に対してエネルギー障壁が形成されるため、正孔５２は解離領域２１に移動しない。電子５１が解離領域２１へ移動すると、電子５１は、界面６０で、電荷移動錯体と同様の状態となる。
【００２７】
上記のとおり、解離領域２１は無機圧電体で形成されている。そのため、解離領域２１に含まれる結晶内の圧電効果（ピエゾ効果）によって、電界が解離領域２１に発生する。電界は、材料間の熱膨張の違い、又は、格子定数の違い等によるひずみ応力によって発生する。あるいは、電界は、光を受けることで半導体が加熱され、熱エネルギーに基づく応力により発生する。
【００２８】
電子５１は、界面６０から遠ざかる方向に力を受ける。図２に示すように、解離領域２１の伝導帯下端のエネルギー準位は、界面６０から遠ざかる方向に向かって滑らかに下降している。言い換えると、解離領域２１の伝導帯下端のエネルギー準位は、界面６０におけるエネルギー準位（ＥＣ）を最大エネルギーとしつつ、徐々に低くなっている。特に、無機圧電体は誘電率が高いため、電界により、電子と正孔との間に働く束縛力を低減できる。ゆえに、励起子の解離を効率よく行うことができる。
【００２９】
すなわち、電界は、励起子解離を促進するために、ドナーである有機半導体１０とアクセプタである無機半導体２０の間に印可される。さらに、電子が無機半導体２０へ移動可能になっており、電界により、価電子帯下端のエネルギー準位（ＥＣ）が所定の傾きで傾いている（エネルギー準位（ＥＣ）が水平ではない）。そのため、励起子の解離効率を高めることができる。
【００３０】
有機半導体と無機半導体とを比較しつつ、誘電率による束縛力の違いについて説明する。
【００３１】
有機半導体の比誘電率は例えばＰ３ＨＴで４．４、ＰＣＢＭで３．９であって、非常に低い値である。一方、無機半導体はシリコンで１１．８、ＧａＡｓで１２．８となり、比誘電率が高い。ここで、マイナスの電荷を持つ電子とプラスの電荷を持つ正孔の間にはクーロン力による引力が作用する。クーロン力は下記式（３）で表される。
【数４】
0006791249.tif 000005
ただし、Ｆはクーロン力、εｒは比誘電率、ε０は真空の誘電率、ｑ１は電荷（例えば電子）の電荷量、ｑ２は電荷（例えば正孔）の電荷量、ｒは電子−正孔間距離を示す。
【００３２】
上記式３により、励起子の解離効率を高めるためには、有機半導体よりも、誘電率の高い無機半導体の方がよい。そのため、本実施形態に係る光起電力装置は、解離領域２１を無機半導体２０に設けつつ、解離効率をさらに高めるために、解離領域２１に電界が発生するような構造にしている。
【００３３】
すなわち、本実施形態に係る光起電力装置は、光吸収係数の高い有機半導体１０に光拡散領域１１を設けることで、多くの励起を発生する。また、光活性領域で発生した励起子を界面６０で拡散しつつ、励起子に含まれるキャリアが界面を超えて移動するために、有機半導体１０と無機半導体２０との間で所定のエネルギー整合関係をとるような構成としている。
【００３４】
ここで、太陽電池に用いる際の有機半導体の材料特性と、無機半導体の材料特性について詳述する。
【００３５】
図３Ａは、比較例１に係る有機薄膜太陽電池の断面図を示したものである。比較例１に係る有機薄膜太陽電池は、透明基板１０１、透明導電膜１０２、バッファ層１０３、光活性領域１０４、バッファ層１０５及びカソード電極１０６を備えている。
【００３６】
透明基板１０１は、ガラス等の基板である。透明導電膜１０２はアノード電極である。なバッファ層１０３は正孔のみが選択的に通過可能な層である。光活性領域１０４は有機半導体で形成されている。バッファ層１０５は電子のみが選択的に通過可能な層である。そして、透明導電膜１０２、バッファ層１０３、光活性領域１０４、バッファ層１０５及びカソード電極１０６が、透明基板１０１上から順に積層されている。光は透明基板１０１から入射する。ここでは簡単化のため、例として光活性領域内のドナー・アクセプタ界面１０７（ｐｎ界面）を便宜的に直線で表現し、あたかもプレーナー型構造のように表現している。
【００３７】
入射された光は光活性領域１０４で吸収され電子が励起されることにより励起子１０８が発生する。励起子１０８は拡散により一部がドナー・アクセプタ界面１０７に到達し電荷移動錯体となる。その後、励起子は電子５１と正孔１１０に解離され、電子５１はカソード電極１０６へ、正孔１１０はアノード電極である透明導電膜１０２へ到達することで電力として外部へ出力される。
【００３８】
図３Ｂは、比較例１に係る有機薄膜太陽電池のエネルギーダイアグラムを示す。図３Ｂの横軸（Ｘ）は、比較例１に係る有機薄膜太陽電池の深さを方向（ｘ方向）の位置を示し、縦軸（Ｙ）は電子に対するエネルギーの大きさを示す。なお、電子と反対の電荷を持つ正孔に対しては、縦軸の負方向が高エネルギーとなる。
【００３９】
光が光活性領域１０４に入射し、ドナーＨＯＭＯ準位１１３の電子がＬＵＭＯ準位１１２に励起されることにより、電子５１の欠損として正孔１１０がＨＯＭＯ準位１１３に形成され、電子−正孔対である励起子１０８が生じる。一部の励起子がｐｎ界面１０７に到達すると、ＨＯＭＯ準位１１３とＬＵＭＯ１１２準位のエネルギー関係により、電子５１のみがドナー１１６からアクセプタ１１７に移動でき、正孔１０９はドナー１１６に留まり、電荷移動錯体の状態を形成する。ここでｐｎ間のエネルギー差により励起子１０８は電子５１と正孔１１０に解離され、それぞれカソード電極１０６と透明導電膜（アノード電極）１０２へと移動する。
【００４０】
有機半導体は一般的にポリマー（重合体）やモノマー（単量体）の状態であり、ポリマーは比較的サイズが大きくその中で電子は比較的容易に移動できるものの、無機半導体と比較してそのサイズは小さい。有機半導体において、電子が光活性領域を通り抜けるためには、ポリマー間を熱エネルギーの助けを借りたホッピング伝導により移動しなければならない。そして、有機半導体のキャリア拡散の主体はホッピング伝導であることから、有機半導体の拡散長が短い。そのため、図３Ｂに示したように、励起子１０８から解離して生成されたキャリア（電子及び正孔）は、カソード電極１０６及び透明導電膜（アノード電極）１０２に届く前に再結合し、励起子および励起子解離により発生したキャリアが電力として取り出される前に元のエネルギー準位へと緩和されてしまう。ゆえに、比較例１に係る有機薄膜太陽電池の変換効率が低くなってしまう。また、有機半導体の拡散長が短く、キャリアを取り出すことが難いため、有機半導体の光活性領域を１００ｎｍ程度以上にすることが困難である。
【００４１】
有機半導体の特性として拡散長が短い点を改善する太陽電池として、非特許文献１で開示された太陽電池（以下、比較例２に係る半導体装置と称す）が知られている。比較例２に係る太陽電池は、有機半導体に柱状もしくは樹木状の無機半導体を貫入させた構造で構成されている。
【００４２】
無機半導体は一般的に結晶状態またはアモルファスの状態であるが、隣接する原子同士が共有結合等の化学結合をした状態であり、原子間での電子や正孔の移動が比較的容易にできる。キャリアの移動度は下記式（４）で表される。
【数５】
0006791249.tif 000006
ただし、Ｌは拡散長、Ｄは拡散係数、τはキャリア寿命、ｋＢはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、ｑは電荷素量、及びμは移動度を示す。
【００４３】
そのため、キャリアの移動度が高く、式（４）に示すように、無機半導体では、キャリアの拡散長が長いという特徴を有する。その一方で、無機半導体は、有機半導体と比較して光吸収係数（吸光度）が低いという課題がある。
【００４４】
比較例２に係る半導体装置は、上記のような有機半導体の特性及び無機半導体の特性を共に用いるための構造としている。図４は、比較例２に係る半導体装置のエネルギーダイアグラムを示す。
【００４５】
図４に示すように、比較例２に係る半導体装置は、有機半導体に設けられた光活性領域２０１と無機半導体に設けられた解離領域との間によって界面２０３を備えている。そして、光活性領域２０１のＬＵＭＯ準位（ＥＬＵＭＯ）が解離領域２２の伝導帯下端のエネルギー準位（ＥＣ）より高くなっている。
【００４６】
光が光活性領域２０１に入射し、励起子が発生する。励起子２０４が界面２０３の近くに到達すると、電子２０５がドナーからアクセプタに移動し、正孔２０６はドナーに留まる。これにより、励起子２０４は界面近くで解離する。
【００４７】
図４に示すように比較例２では、本願発明のように、解離領域に電界を印可する構成になっていないため、解離領域２０２の伝導帯下端のエネルギー準位は水平になっている。そのため、解離効率が低い。また、界面６０の近くの電子は電極まで移動しにくい。すなわち、比較例では、電子−正孔対を引き離す電界がない。また、励起子２０４が界面２０３近くのエネルギー差によって一旦解離したとしても、その解離をさらに促進するような、エネルギー準位になっていない。ゆえに、比較例２に係る半導体装置も変換効率が低いという問題があった。
【００４８】
上記のように、本実施形態に係る光起電力装置は、光活性領域１１を含む有機半導体１０と、解離領域２１を含み、圧電性を有する無機半導体２０とを備える。そして、光活性領域１１と解離領域２１との間でエネルギー準位の関係が上記式（１）を満たしている。これにより、高い吸光度を有する光活性領域において、光吸収を行うことで、光吸収及び励起子生成を効率よく実行できる。励起子に含まれる電子が解離領域へ移動させて、誘電率の高い（電子−正孔間の束縛力が弱い）状態を実現できる。また、解離領域２１で発生する電界により、励起子解離の効率を高めることができる。その結果として、変換効率を高めることができる。
【００４９】
なお、本実施形態では、光活性領域１１のＬＵＭＯ準位（ＥＬＵＭＯ）を解離領域２１の伝導帯下端のエネルギー準位（ＥＣ）より高くする代わりに、光活性領域１１のＨＯＭＯ準位（ＥＨＯＭＯ）を解離領域２１の価電子帯上端のエネルギー準位（ＥＶ）より低くしてもよい。すなわち、エネルギー準位（ＥＬＵＭＯ、ＥＨＯＭＯ、ＥＣ、ＥＶ）のエネルギー関係が下記式（５）及び式（６）を満たすように、有機半導体１０及び無機半導体２０は構成されてもよい。
【数６】
0006791249.tif 000007
【数７】
0006791249.tif 000008
【００５０】
上記式（６）で示されるように、光活性領域１１のＨＯＭＯ準位（ＥＨＯＭＯ）が解離領域２１の価電子帯上端のエネルギー準位（ＥＶ）より高くなっている。そのため、励起子５０に含まれるキャリアのうち、正孔５２のみが解離領域２１に移動する。光活性領域１１のＬＵＭＯ準位（ＥＬＵＭＯ）が解離領域２１の伝導帯下端のエネルギー準位（ＥＣ）より高くなっている。電子５１に対してエネルギー障壁が形成されるため、電子５１は解離領域２１に移動しない。そして、解離領域２１で発生する電界により、正孔５２は、界面６０から遠ざかる方向に力を受ける。これにより、励起子解離の効率を高めつつ、変換効率を高めることができる。
【００５１】
また本実施形態では、解離領域２１は、有機半導体１０を形成する有機材料に囲まれており、解離領域２１の一部がカソード電極４０に直接接続されている。これにより、キャリアは、拡散長の長い無機半導体から取り出されるため、キャリアを効率よく取り出すことができる。また、拡散長に制限されていた光活性領域１１の膜厚を解離領域２１の拡散長程度まで厚くすることができる。
【００５２】
なお、本実施形態において、無機半導体２０は、解離領域２１に加えて、光活性領域１１を含んでもよい。有機半導体１０に入射した光のうち、一部の光は有機半導体１０を通過する。無機半導体２０が光活性領域１１の機能を有することで、有機半導体１０を通過した光を発電に利用できる。これにより、変換効率を高めることができる。
【００５３】
なお、エネルギー準位の条件について、式（１）で示される条件は、電子の挙動に対する条件式である。電子のエネルギー準位でみた場合に、式（１）は、光活性領域１１に対する解離領域２１のエネルギー準位の関係が低エネルギーになっていること、を示している。また、式（６）で示される条件は、正孔の挙動に対する条件式である。正孔のエネルギー準位でみた場合に、式（６）は、光活性領域１１に対する解離領域２１のエネルギー準位の関係が低エネルギーになっていること、を示している。すなわち、図２に示すグラフの縦軸について、電子対するエネルギーではＥ軸の正方向が高エネルギー側を示しており、正孔に対するエネルギーではＥ軸の負方向が高エネルギー側を示している。
【００５４】
《第２実施形態》
図５は、発明の他の実施形態に係る光起電力装置の断面図である。本例では上述した第１実施形態に対して、解離領域２１、２２の構成、及び、エネルギー準位の関係が異なる。これ以外の構成は上述した第１実施形態と同じであり、その記載を援用する。
【００５５】
本実施形態に係る光起電力装置は、有機半導体１０、無機半導体２０、アノード電極３０及びカソード電極４０を備えている。
【００５６】
無機半導体２０は、複数の解離領域２１及び複数の解離領域２２を有している。解離領域２１、２２は、有機半導体１０内で柱状に形成されている。解離領域２１、２２の形状は、針状（ナノワイヤ）、柱状（ナノロッド）、又は円形（ナノ粒子）等である。
【００５７】
解離領域２１は、カソード電極４０の電極面から、アノード電極３０に向かって延在しつつ、柱状に形成されている。解離領域２１の先端部（延在方向でみたときに、カソード電極４０と反対側に位置する先端部分）は、アノード電極３０に接続されておらず、有機材料に覆われている。一方、解離領域２１の、有機材料で覆われた先端部とは反対側に位置する端部は、カソード電極４０に直接接続されている。解離領域２１は、電子のみ通過可能な領域である。
【００５８】
解離領域２２は、アノード電極３０の電極面から、カソード電極４０に向かって延在しつつ、柱状に形成されている。解離領域２２の先端部（延在方向（ｙ方向）でみたときに、アノード電極３０と反対側に位置する先端部分）は、カソード電極４０に接続されておらず、有機材料に覆われている。一方、解離領域２２の、有機材料で覆われた先端部とは反対側に位置する端部は、アノード電極３０に直接接続されている。解離領域２２は、正孔のみ通過可能な領域である。
【００５９】
解離領域２１、２２は、それぞれの電極に向かって連続した形状になるように構成されている。また解離領域２１、２２は、各電極の接続面に沿う方向と延在方向と間の角度が６０°以内になるように、構成されている。解離領域２１、２２に含まれる無機材料が不連続になっている場合には、キャリアがホッピング伝導により有機半導体を通過しなければならないため、拡散長が短くなってしまう。本実施形態では、解離領域２１、２２は、連続した形状であるため、拡散長を長くすることができる。
【００６０】
複数の解離領域２１及び複数の解離領域２２は、各領域の延在方向に対して垂直方向（アノード電極３０及びカソード電極４０の電極面に沿う方向：ｘ方向）に、交互に並んで配置されている。なお、解離領域２１及び複数の解離領域２２は、必ずしも１つの領域ごとに交互に配置されなくてもよい。解離領域の配列順序は、例えば、２つの領域域２１の間に、３つの解離領域２２を配置してもよい。また、解離領域２１及び複数の解離領域２２は、必ずしも整列した状態で配置されてなくてもよい。
【００６１】
光活性領域１１と解離領域２１、２２との間の界面６１、６２におけるエネルギー準位の関係について、図６を用いて説明する。図６は、図５のVI‐VI線に沿う断面におけるエネルギーダイアグラムを示す。図６の横軸（Ｘ）は図５のｘ軸と同様の位置を示し、縦軸（Ｅ）はエネルギーの大きさを表している。
【００６２】
光活性領域１１と解離領域２１との間の界面６１におけるエネルギー準位の関係を説明する。光活性領域１１のＬＵＭＯ準位をＥＬＵＭＯとし、光活性領域１１のＨＯＭＯ準位をＥＨＯＭＯとし、解離領域２１の伝導帯下端のエネルギー準位をＥＣ１とし、解離領域２１の価電子帯上端のエネルギー準位をＥＶ１とすると、それぞれの準位のエネルギー関係は、下記式（７）及び式（８）を満たしている。
【数８】
0006791249.tif 000009
【数９】
0006791249.tif 000010
【００６３】
光活性領域１１と解離領域２２との間の界面６１におけるエネルギー準位の関係を説明する。解離領域２２の伝導帯下端のエネルギー準位をＥＣ２とし、解離領域２２の価電子帯上端のエネルギー準位をＥＶ２とすると、それぞれの準位のエネルギー関係は、下記式（９）及び式（１０）で表される。
【数１０】
0006791249.tif 000011
【００６４】
界面６１及び界面６２は、異種材料の接合であるヘテロ接合の界面となっているため、ＬＵＭＯと伝導帯との間、又は、価電子帯とＨＯＭＯとの間にエネルギー差が生じる。太陽電池では、界面６１、６２におけるエネルギー差は電圧損失の原因となるため、エネルギー差を小さくする。その一方、エネルギー差が小さい場合には、一部のキャリアが望まない方向へと逆流し、変換効率の低下を引き起こすおそれがある。すなわち、キャリアを流したい方向となる順方向の流れを確保しつつ、キャリアの逆流を防ぐためには、エネルギー差を、所定範囲、或いは、所定値以下にすることがよい。
【００６５】
エネルギー差の好ましい範囲を、図７を用いて説明する。図７は、キャリア分布のエネルギー依存及びフェルミ準位以降の同分布の累積度数の関係を示したグラフである。フキャリア分布のエネルギー依存は、フェルミ準位より高エネルギー側の１５０℃（４２３．１５Ｋ）とする条件下で、フェルミ＝ディラック分布関数および状態密度から計算される。
【００６６】
有機材、無機材に限らず、物体内における電子のエネルギーに対する度数分布は超電導が起こるような特別な場合を除いて、フェルミ＝ディラック分布に従う。フェルミ準位に対して０．２１８ｅＶで累積度数は９９．９％となり、９９．９％以上のキャリアがフェルミ準位より０．２１８ｅＶ以内に存在していることを示している。
【００６７】
例えばフェルミ準位上０．０５ｅＶでは累積度数は約５０％となる。励起子の解離領域のフェルミ準位がＥＣ近傍（仮想的にＥＣ下０ｅＶの位置とする）に存在し、光活性領域のＥＬＵＭＯと解離領域のＥＣの差がＥＬＵＭＯ−ＥＣ＝０．０５ｅＶである場合は半分のキャリアが逆流可能であることを示している。実際の物質ではｐ型半導体でもフェルミ準位はＥＣ下０．０３〜０．５ｅＶ程度の位置に存在することになるため、ＥＬＵＭＯ−ＥＣ＝０．０５eＶにおいても累積度数は約７３％（図７にてＥＬＵＭＯ−ＥＣ＝０．０８eＶにおける値）以上となり、実用に適用可能なレベルとなる。
【００６８】
すなわち、ＥＬＵＭＯとＥＣとのエネルギー差よって生じる電圧損失を十分低減させるためにはＥＬＵＭＯ−ＥＣが０．０５〜０．３ｅＶであることが最適である。
【００６９】
太陽電池では生成した電子と正孔をそれぞれ異なる電極（アノードおよびカソード）から取り出すことにより外部に電力として取り出せるが、キャリアの逆流は太陽電池変換効率低下の原因となる。図７に示すように、フェルミ＝ディラック分布関数で説明した通り、１５０℃においても電子や正孔の約９９．９％以上がフェルミ準位から０．２１８ｅＶ以内に分布している。そのため、カソード電極４０に接続された解離領域２１の価電子帯ＥＶ１と光活性領域ＥＨＯＭＯと間に０．２ｅＶ以上、好ましくは０．３ｅＶ以上の障壁を形成することで正孔の逆流を防ぐことができる。また、電子についても同様に、アノード電極３０に接続された解離領域２２の伝導帯ＥＣ１と光活性領域ＥＬＵＭＯと間に０．２ｅＶ以上、好ましくは０．３ｅＶ以上の障壁を形成することで電子の逆流を防ぐことができる。
【００７０】
上記のとおり本実施形態では、光活性領域１１と解離領域２１、２２との間でエネルギー準位の関係が下記式（１１）及び下記式（１２）を満たしている。
【数１１】
0006791249.tif 000012
【数１２】
0006791249.tif 000013
【００７１】
これにより、高い吸光度を有する光活性領域において、光吸収を行うことで、光吸収及び励起子生成を効率よく実行できる。励起子に含まれる電子を解離領域２１へ移動させて、励起子に含まれる正孔を解離領域２２に移動させて誘電率の高い（電子−正孔間の束縛力が弱い）状態を実現できる。また、解離領域２１、２２で発生する電界により、励起子解離の効率を高めることができる。その結果として、変換効率を高めることができる。
【００７２】
また本実施形態において、界面６１におけるエネルギー準位の関係が上記式（７）を満たす。これにより、界面６１において、電子の逆流を防ぎつつ、電圧損失を低減できる。
【００７３】
また本実施形態において、界面６２におけるエネルギー準位の関係が上記式（１０）を満たす。これにより、界面６２において、正孔の逆流を防ぎつつ、電圧損失を低減できる。
【００７４】
また本実施形態において、界面６１におけるエネルギー準位の関係が上記式（８）を満たす。これにより、界面６１において、正孔の逆流を防ぎつつ、電圧損失を低減できる。
【００７５】
また本実施形態において、界面６２におけるエネルギー準位の関係が上記式（９）を満たす。これにより、界面６２において、電子の逆流を防ぎつつ、電圧損失を低減できる。
【００７６】
また本実施形態において、キャリアのうち電子を通過させる解離領域２１と、キャリアのうち正孔を通過させる解離領域２２とを含み、解離領域２１、２２は、有機半導体１０を形成する有機材料に囲まれており、解離領域２１の一部は電極４０に直接接続され、解離領域２２の一部が電極３０に直接接続されている。これにより、電子及び正孔が拡散長の長い領域を通過するため、効率的なキャリアの取り出すことができる。
【００７７】
なお、本実施形態の変形例として、光起電力装置は、解離領域２１及び解離領域２２のうち、いずれか一方のみの領域を備えてもよい。図８は解離領域２１を有した光起電力装置の断面図であり、図９は解離領域２２を有した光起電力装置の断面図である。
【００７８】
図８に示すように、解離領域２１の先端部は、アノード電極３０に接続されておらず、有機材料に覆われている。一方、解離領域２１の、有機材料で覆われた先端部とは反対側に位置する端部は、カソード電極４０に直接接続されている。
【００７９】
図９に示すように、解離領域２２の先端部は、カソード電極４０に接続されておらず、有機材料に覆われている。一方、解離領域２２の、有機材料で覆われた先端部とは反対側に位置する端部は、アノード電極３０に直接接続されている。
【００８０】
変形例に係る本実施形態では、キャリアは、拡散長の長い無機半導体から取り出されるため、キャリアを効率よく取り出すことができる。また、拡散長に制限されていた光活性領域１１の膜厚を解離領域２１の拡散長程度まで厚くすることができる。
【００８１】
《第３実施形態》
図１０は、発明の他の実施形態に係る光起電力装置の断面図である。本例では上述した第１実施形態に対して、複数の解離領域２１の間隔の長さが異なる。これ以外の構成は上述した第１実施形態と同じであり、その記載を援用する。
【００８２】
図１０に示すように、解離領域２１аは、ｘ方向で、有機半導体１０を介して解離領域２１ｂと対向している。対向面２１Ａと対向面２１Ｂは、間隔Ｄを空けつつ互いの面を向き合うように配置されている。対向面２１Ａは、解離領域２１ｂと対向する解離領域２１аの面である。対向面２１Ｂは、解離領域２１аと対向する解離領域２１ｂの面である。対向面２１Ａ、２１Ｂは、解離領域２１а、２１ｂの延在方向（ｙ方向）に沿う面である。そして、間隔Ｄは、励起子の拡散長の２倍以内である。
【００８３】
有機半導体の拡散長は、多くの材料で、数ｎｍから２０ｎｍ程度である。有機半導体１０で生成された励起子は、左右に拡散長の長さ分拡散する。つまり、拡散長の２倍以内の間隔でドナー・アクセプタ界面（ｐｎ界面）が存在しない場合は励起子の電子と正孔が再結合し、エネルギー損失となる。
【００８４】
本実施形態では、間隔Ｄが励起子拡散長の２倍以内になるように、解離領域２１а、２１ｂが配置されている。これにより、励起子の再結合を抑制しつつ、励起子の解離の効率性を高めることができる。
【００８５】
《第４実施形態》
図１１は、発明の他の実施形態に係る光起電力装置の断面図である。図１２は、図１１のXII‐XII線に沿う断面におけるエネルギーダイアグラムを示す。図１２の横軸（Ｘ）は図１１のｘ軸と同様の位置を示し、縦軸（Ｅ）はエネルギーの大きさを表している。本例では上述した第１実施形態に対して、光活性領域１１の構成が異なる。これ以外の構成は上述した第１実施形態と同じであり、第１〜第３実施形態の記載を適宜、援用する。
【００８６】
本実施形態に係る光起電力装置において、光活性領域１１は、有機半導体ドナー（ｐ型）と有機半導体アクセプタ（ｎ型）を混合させることで、ドナー／アクセプタ界面を全体に分布させたバルクヘテロ接合になっている。界面６３は、光活性領域１１と解離領域２１との間の界面である。界面６４は、光活性領域１１内でバルクヘテロ接合による界面である。
【００８７】
図１２に示すように、受光により発生した複数の励起子５０のうち、励起子５０аは、界面６３に到達し解離する。界面６３に向かわなかった励起子５０ｂは界面６４に到達することで解離される。これにより、変換効率を高めることができる。
【００８８】
上記のように本実施形態において、光活性領域はバルクヘテロ接合を含む。これにより、光活性領域１１と解離領域２１との間の界面６３に向かわなかった励起子がバルクヘテロ接合内に存在する界面６４に到達することにより、励起子が解離する。その結果として、変換効率を高めることができる。
【００８９】
《第５実施形態》
図１３は、発明の他の実施形態に係る光起電力装置の断面図である。図１４は、図１３のXIV‐XIV線に沿う断面におけるエネルギーダイアグラムを示す。図１４の横軸（Ｘ）は図１３のｘ軸と同様の位置を示し、縦軸（Ｅ）はエネルギーの大きさを表している。本例では上述した第１実施形態に対して、解離領域２１の構成が異なる。これ以外の構成は上述した第１実施形態と同じであり、第１〜第４実施形態の記載を適宜、援用する。
【００９０】
本実施形態に係る解離領域２１は、格子定数の異なる２種類の材料により形成されている。解離領域２１は、１種類目の材料で形成され解離層２１ｃと、２種類目の材料で形成された解離層２１ｄを有している。解離層２１ｃは柱状に形成されている。解離層２１ｄは、解離層２１ｃの外周を覆うように形成されている。なお、解離領域２１に含まれる材料は、３種類以上でもよい。
【００９１】
解離層２１ｃの材料と及び解離層２１ｄの材料との組み合わせは、ＡｌＮ／ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＩｎＮ、ＡｌＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ、ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｓ、ＡｌＰ／ＡｌＧａＰ、ＡｌＧａＰ／ＧａＰ、ＧａＰ／ＧａＡｓＰ、ＧａＡｓＰ／ＧａＡｓ、ＡｌＰ／ＡｌＡｓＰ、ＡｌＡｓＰ／ＡｌＡｓ、ＡｌＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＡｓ、ＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ、ＧａＡｓＳｂ／ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ／ＡｌＧａＳｂ、ＡｌＧａＳｂ／ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ／ＡｌＩｎＳｂ、ＡｌＩｎＳｂ／ＩｎＳｂ、ＭｇＳ／ＭｇＺｎＳ、ＭｇＺｎＳ／ＺｎＳ、ＭｇＳ／ＭｇＳＳｅ、ＭｇＳＳｅ／ＭｇＳｅ、ＺｎＳ／ＺｎＳＳｅ、ＺｎＳＳｅ／ＺｎＳｅ、ＭｇＳｅ／ＭｇＺｎＳｅ、ＭｇＺｎＳｅ／ＺｎＳｅ、ＣｕＡｌＳ２／ＣｕＡｌＳＳｅ、ＣｕＡｌＳＳｅ／ＣｕＡｌＳｅ２、ＣｕＡｌＳ２／ＣｕＧａＡｌＳ２、ＣｕＧａＡｌＳ２／ＣｕＧａＡｌＳ２、ＣｕＧａＳ２／ＣｕＧａＳＳｅ、ＣｕＧａＳＳｅ／ＣｕＧａＳｅ２、ＣｕＧａＳ２／ＣｕＩｎＧａＳ２、ＣｕＩｎＧａＳ２／ＣｕＩｎＳ２、ＣｕＩｎＳ２／ＣｕＩｎＳＳｅ、ＣｕＩｎＳＳｅ／ＣｕＩｎＳｅ２、ＣｕＧａＳｅ２／ＣｕＩｎＧａＳｅ２、ＣｕＩｎＧａＳｅ２／ＣｕＩｎＳｅ２、ＭｇＳｅ／ＭｇＺｎＳｅＴｅ及びＭｇＺｎＳｅＴｅ／ＺｎＴｅから選択される少なくとも一種である。
【００９２】
太陽光により太陽電池が加熱された際に、無機圧電体に含まれる各種材料の熱膨張係数の違いによるひずみ応力によって、電界が発生する。しかしながら、太陽光を利用する方法では、日射量や周囲温度により圧電体に作用する応力の大きさが変動し、太陽電池として安定した特性が得られない。
【００９３】
本実施形態では、解離領域２１は、格子定数の異なる２種類の材料で形成されているため、ひずみ応力が作用し、圧電効果（ピエゾ電界効果）により、電界が発生する。これにより、材料選定や太陽光の条件による制約を受けることなく、電界を安定して発生させることができる。
【００９４】
上記のように、本実施形態において、解離領域２１は、互いに異なる材料により形成された複数の層２１ｃ、２１ｄを有しており、異なる材料の格子定数が異なっている。これにより、格子定数の異なる材料間にひずみ応力が発生するため、解離領域２１において、電界を安定して発生することができる。
【００９５】
また、解離領域２１を形成する複数の材料は、上記の組み合わせから選択される。これにより、組成が近い材料同士を用いるため、無機材料の積層構造を形成できる。
【００９６】
なお、本実施形態に係る光起電力装置の変形例として、解離領域２１は、同一材料であって、組成比の異なる材料により形成されてもよい。すなわち、解離領域２１を形成する材料の組み合わせが、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（ｘ≠ｙ）、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ／ＩｎｙＧａ１−ｙＮ（ｘ≠ｙ）、ＡｌＧａｘＡｓ１−ｘ／ＡｌＧａｙＡｓ１−ｙ（ｘ≠ｙ）、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ／ＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ、ＡｌＧａｘＰ１−ｘ／ＡｌＧａｙＰ１−ｙ（ｘ≠ｙ）、ＧａＡｓｘＰ１−ｘ／ＧａＡｓｙＰ１−ｙ（ｘ≠ｙ）、ＡｌＡｓｘＰ１−ｘ／ＡｌＡｓｙＰ１−ｙ（ｘ≠ｙ）、ＩｎｘＡｌ１−ｘＡｓ／ＩｎｙＡｌ１−ｙＡｓ（ｘ≠ｙ）、ＧａＡｓｘＳｂ１−ｘ／ＧａＡｓｙＳｂ１−ｙ（ｘ≠ｙ）、ＡｌｘＧａ１−ｘＳｂ／ＡｌｙＧａ１−ｙＳｂ（ｘ≠ｙ）、ＡｌｘＩｎ１−ｘＳｂ／ＡｌｙＩｎ１−ｙＳｂ（ｘ≠ｙ）、ＭｇｘＺｎ１−ｘＳ／ＭｇｙＺｎ１−ｙＳ（ｘ≠ｙ）、ＭｇｘＺｎ１−ｘＳｅ／ＭｇｙＺｎ１−ｙＳｅ（ｘ≠ｙ）、ＣｕＡｌ（ＳｘＳｅ１−ｘ）２（ｘ≠ｙ）、ＣｕＡｌｘＧａ１−ｙＳ２／ＣｕＡｌｙＧａ１−ｙＳ２（ｘ≠ｙ）、ＣｕＧａ（ＳｘＳｅ１−ｘ）２／ＣｕＧａ（ＳｙＳｅ１−ｙ）２（ｘ≠ｙ）、ＣｕＩｎｘＧａ１−ｘＳ２／ＣｕＩｎｙＧａ１−ｙＳ２（ｘ≠ｙ）、ＣｕＩｎ（ＳｘＳｅ１−ｘ）２／ＣｕＩｎ（ＳｙＳｅ１−ｙ）２（ｘ≠ｙ）、ＣｕＩｎｘＧａ１−ｘＳｅ２／ＣｕＩｎｙＧａ１−ｙＳｅ２（ｘ≠ｙ）及び（ＭｇＳｅ）ｘ（ＺｎＴｅ）１−ｘ／（ＭｇＳｅ）ｙ（ＺｎＴｅ）１−ｙ（ｘ≠ｙ）から選択される少なくとも一種である。ただし、０＜ｘ＜１及び０＜ｙ＜１である。これにより、解離領域２１に同一材料を用いるため、製造時のコストを低減できる。また組成比の範囲内で自由にＥＣ、ＥＶの組み合わせを選択できるため、材料選択の制限がなくなる。
【００９７】
界面におけるエネルギー準位の調整について説明する。無機半導体２０のＥＣ、ＥＶは材料およびその結晶性により決まる固有なエネルギー準位である。そのため、特定の有機半導体材料に対して無機半導体のエネルギーを整合させることは、無機半導体の材料を変更することになり困難である。一部の化合物半導体は、半導体の結晶成長中の組成を変えることで、ＥＣ、ＥＶを調整できる。例えば、ＡｌＧａＮ中のＡｌ／Ｇａ組成比やＩｎＧａＮ中のＩｎ／Ｇａ組成比によってＥＣ、ＥＶを制御可能である。また、Ａｌ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｎ系やＡｌ−Ｉｎ−Ｇａ−Ａｓ系に代表されるバンドギャップを調整可能な多元系化合物半導体は、圧電特性を有するものが多い。また組成により結晶の格子定数を変えることができるため、例えば異なる組成の二層構造とすることで圧電効果（ピエゾ電界効果）を発揮させることができ、励起子の解離に必要な電界を形成することができる。
【００９８】
《第６実施形態》
図１５は、発明の他の実施形態に係る光起電力装置のエネルギーダイアグラムを示す。図１５は、図１３のXIV‐XIV線に沿う断面におけるエネルギーダイアグラムに相当する。図１５の横軸（Ｘ）は図１３のｘ軸と同様の位置を示し、縦軸（Ｅ）はエネルギーの大きさを表している。本例では上述した第５実施形態に対して、解離領域２１におけるエネルギー準位の関係が異なる。これ以外の構成は上述した第５実施形態と同じであり、第１〜第５実施形態の記載を適宜、援用する。
【００９９】
解離領域２１は複数の解離層２１ｃ、２１ｄを有している。解離層２１ｃと解離層２１ｄとの間の界面６５において、エネルギー準位の関係が下記式（１３）を満たしている。
【数１３】
0006791249.tif 000014
ただし、ＥＣ３は解離層２１ｃの伝導帯下端のエネルギー準位を示し、ＥＦ３は解離層２１ｃのフェルミ準位を示す。
【０１００】
解離領域２１ではひずみ応力が格子不整合率増大によって増大し、ピエゾ電界が増大する。ピエゾ電界が増大し、伝導帯下端のエネルギー準位ＥＣ３がフェルミ準位ＥＦ３より低くなると、２次元電子ガスが界面６５に形成される（図１５において、黒塗りの部分）。２次元電子ガスの領域では、不純物ドーピング等を行うことなく、導電性を確保できるため、キャリアの不純物散乱を抑制し、キャリアの移動度を向上させることができる。ゆえに、上記式（１３）を満たすことにより、拡散長を長くすることができる。
【０１０１】
上記のように、本実施形態において、解離領域２１は、異なる材料により形成された複数の層２１ｃ、２１ｄを有し、複数の層２１ｃ、２１ｄのうちいずれか一方におけるエネルギー準位が式（１３）を満たしている。これにより、高移動度の２次元電子ガスを介してキャリアの取り出しを行うため、拡散長を長くすることができる。また、キャリアを効率的に取り出すことができ、光活性領域１１の厚さを大きくすることができる。
【０１０２】
なお、本実施形態では、解離領域２１をカソード電極４０の代わりにアノード電極３０に接続しつつ、解離層２１ｃと解離層２１ｄとの間の界面６５において、エネルギー準位の関係が下記式（１４）を満たしてもよい。
【数１４】
0006791249.tif 000015
ただし、ＥＶ３は解離層２１ｃの価電子帯上端のエネルギー準位を示す。
【０１０３】
これにより、高移動度の２次元正孔ガスを介してキャリアの取り出しを行うため、拡散長を長くすることができる。また、キャリアを効率的に取り出すことができ、光活性領域１１の厚さを大きくすることができる。
【０１０４】
《第７実施形態》
図１６は、発明の他の実施形態に係る光起電力装置のエネルギーダイアグラムを示す。図１７は、図１６のXVII‐XVII線に沿う断面におけるエネルギーダイアグラムである。図１７の横軸（Ｘ）は図１６のｘ軸と同様の位置を示し、縦軸（Ｅ）はエネルギーの大きさを表している。本例では上述した第１実施形態に対して、解離領域２１におけるエネルギー準位の関係が異なる。これ以外の構成は上述した第１実施形態と同じであり、第１〜第６実施形態の記載を適宜、援用する。
【０１０５】
解離領域２１と電極４０との間の界面７１におけるエネルギー準位の関係を説明する。光活性領域１１のＬＵＭＯ準位をＥＬＵＭＯとし、界面６６における解離領域２１の伝導帯下端のエネルギー準位をＥＣаとし、接続面７１における解離領域２１の伝導帯下端のエネルギー準位をＥＣｂとすると、それぞれの準位のエネルギー関係は、下記式（１５）及び式（１６）を満たしていることが望ましい。
【数１５】
0006791249.tif 000016
【数１６】
0006791249.tif 000017
【０１０６】
また界面６６と接続面７１との間の、伝導帯下端のエネルギー準位が、界面６６から接続面７１に向かった単調減少になっている。言い換えると、エネルギー準位をＥＣаがエネルギー準位ＥＣｂより低い状態で、図１７に示すように、解離領域における伝導帯下端のエネルギー準位の傾きが緩やかに傾いている。
【０１０７】
半導体の材料として、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓ等の多元混晶系の材料を使用した場合に、組成比を変えることで、半導体のバンドギャップの大きさを調整できる。組成比は、結晶成長におけるソースガス比や圧力や温度等の成長パラメータにより調整できる。そして、結晶の組成比を連続的に調整することで、位置に対する伝導帯下端ＥＣのエネルギーを連続的に低下させることができる。ここで、ＥＣの傾きは電界強度であり、電子５１が電界の力を受けることで、電子５１はカソード電極４０へ向かう推進力を得ることができ。ゆえに、拡散長を伸ばすことができる。
【０１０８】
解離領域における伝導帯下端のエネルギー準位の傾斜が、界面６６と接続面７１との間で長くなっていると、傾斜部分の積算に相当する電位低下量が大きくなり、光起電力装置の出力電力が低くなるおそれがある。本実施形態では、エネルギー準位の条件が式（１６）を満たすことで、エネルギー準位の傾斜による電位低下量が０．３ｅＶ以下に抑制できる。これにより、キャリアの逆流を防ぎつつ電圧損失を最低限に抑えることができる。
【０１０９】
上記のように本実施形態において、界面６６におけるエネルギー準位及び接続面７１におけるエネルギー準位が、式（１６）を満たしている。これにより、キャリアの逆流を防ぎつつ電圧損失を抑制できる。
【０１１０】
また本実施形態において、界面６６と接続面７１との間の伝導帯下端のエネルギー準位は、６６界面から接続面７１に向かって単調減少する。これにより、解離領域２１に電界を発生させることで、キャリアが所望の電極へ向かう推進力を得ることができる。その結果として、拡散長を伸ばすことができる。
【０１１１】
なお、本実施形態では、解離領域２１をカソード電極４０の代わりにアノード電極３０に接続しつつ、界面６６におけるエネルギー準位及び接続面７１におけるエネルギー準位が、式（１５）及び式（１６）を満たす代わりに、下記式（１７）及び式（１８）を満たしてもよい。
【０１１２】
【数１７】
0006791249.tif 000018
【数１８】
0006791249.tif 000019
【０１１３】
これにより、キャリアの逆流を防ぎつつ電圧損失を抑制できる。
【０１１４】
また本実施形態において、界面６６と接続面７１との間の、価電子帯上端のエネルギー準位が、界面６６から接続面７１に向かって単調増加になっている。接続面７１は、アノード電極３０に接続された解離領域２１とアノード電極との間の接続面である。これにより、解離領域２１に電界を発生させることで、キャリアが所望の電極へ向かう推進力を得ることができる。その結果として、拡散長を伸ばすことができる。
【０１１５】
《第８実施形態》
図１８は、発明の他の実施形態に係る光起電力装置の断面図である。本実施形態に係る光起電力装置は、タンデム型で構成されている。これ以外の構成は上述した第１実施形態と同じであり、第１〜第７実施形態の記載を適宜、援用する。
【０１１６】
図１８に示すように、光起電力装置は、３接合型タンデム型で構成されている。光起電力装置は、トップセル１００、ミドルセル２００、ボトムセル３００及びトンネル再結合層４００を備えている。トップセル１００は、有機半導体１０、無機半導体２０、アノード電極３０及びカソード電極４０を備えている。トップセル１００に含まれる有機半導体１０は光活性領域１１ｅを有している。トップセル１００に含まれる無機半導体２０は解離領域２１ｅを有している。
【０１１７】
ミドルセル２００は、有機半導体１０、無機半導体２０、アノード電極３０及びカソード電極４０を備えている。ミドルセル２００に含まれる有機半導体１０は光活性領域１１ｆを有している。ミドルセル２００に含まれる無機半導体２０は解離領域２１ｆを有している。
【０１１８】
ボトムセル３００は、有機半導体１０、無機半導体２０、アノード電極３０及びカソード電極４０を備えている。ボトムセル３００に含まれる有機半導体１０は光活性領域１１ｇを有している。ボトムセル３００に含まれる無機半導体２０は解離領域２１ｇを有している。
【０１１９】
トップセル１００、ミドルセル２００及びボトムセル３００は、アノード電極３０及びカソード電極４０の電極面の法線方向（図１８のｙ方向）に積層されている。なお、トップセル１００、ミドルセル２００及びボトムセル３００の各構成は、第１実施形態に係る半導体装置と同様であるため、説明を省略する。
【０１２０】
トンネル再結合層４００は、トップセル１００に含まれるカソード電極４０とミドルセル２００に含まれるアノード電極３０とを結合し、ミドルセル２００に含まれるカソード電極４０とボトムセル３００に含まれるアノード電極３０とを結合する。
【０１２１】
光の入射方向は、トップセル１００のアノード電極３０からボトムセル３００のカソード電極に向かう方向（ｙ軸の負方向）である。光活性領域１１ｅ、光活性領域１１ｆ及び光活性領域１１ｇはそれぞれ異なるバンドギャップをもっており、光の入射面から各セルの積層方向に沿って小さくなっている。すなわち、光活性領域１１ｅ、光活性領域１１ｆ及び光活性領域１１ｇの各バンドギャップのうち、光の入射側のバッドギャップが一番大きく、バンドギャップ光の透過方向に向かう順に小さくなっている。
【０１２２】
タンデム型太陽電池の基本的な概念は、半導体がそのバンドギャップより高いエネルギーを持つ光を吸収し、バンドギャップより低いエネルギーを持つ光を透過させることを利用するものである。半導体等が光を吸収して発生したキャリアが光子から受け取ったエネルギーがバンドギャップよりも大きい場合、光子の持つエネルギーｈν−Ｅｇ（ｈ：プランク定数、ν：光子の波数、Ｅｇ：バンドギャップ）はキャリアの緩和により損失となる。複数のバンドギャップを持った材料を積層しつつ、バンドギャップの大きい順番で、光が入射し透過することで、それぞれの波長帯の緩和による損失を抑制できる。その結果として、ショックレー・クワイサー限界を超える太陽電池が原理的には可能となる。
【０１２３】
有機半導体でも例えば材料の選択や官能基の調整により光の吸収端を調整することができ、バンドギャップの大きさを変えることができる。例えば３接合タンデム型太陽電池のトップセル１００、ミドルセル２００、ボトムセル３００にそれぞれ適した吸収スペクトルを示す有機材料を用いることにより、各波長帯の損失を抑制することができ、さらなる変換効率の向上が可能となる。
【０１２４】
上記のように本実施形態では、セル１００、２００、３００を複数積層した積層体を備え、積層された複数のセル１００、２００、３００にそれぞれ含まれる各光活性領域１１ｅ、１１ｆ、１１ｇのバンドギャップは、光の入射面からセルの積層方向に沿って小さくなる。これにより、タンデム型太陽電池の各セルにそれぞれ適した吸収スペクトルを示す有機材料を用いることにより、各波長帯の損失を抑制することができる。その結果として変換効率の向上が可能となる。
【０１２５】
なお、本実施形態では、解離領域２１ｅ、解離領域２１ｆ及び解離領域２１ｇの各バンドギャップのうち、光の入射側のバッドギャップが一番大きく、バンドギャップ光の透過方向に向かう順に小さくしてもよい。このとき、解離領域２１ｅ、解離領域２１ｆ及び解離領域２１ｇは、光活性領域の機能をもっている。すなわち、解離領域２１ｅ、解離領域２１ｆ及び解離領域２１ｇの各バンドギャップのうち、光の入射側のバッドギャップが一番大きく、バンドギャップ光の透過方向に向かう順に小さくなっている。これにより、タンデム型太陽電池の各セルにそれぞれ適した吸収スペクトルを示す無機材料を用いることにより、各波長帯の損失を抑制することができる。その結果として変換効率の向上が可能となる。
【０１２６】
《第９実施形態》
図１９は、発明の他の実施形態に係る光起電力装置の断面図である。本実施形態に係る光起電力装置は、無機半導体２０の一部の構成が異なる。これ以外の構成は上述した第１実施形態と同じであり、第１〜第８実施形態の記載を適宜、援用する。なお、光の入射方向は、アノード電極３０からカソード電極４０に向かう方向（ｙ軸の負方向）である。
【０１２７】
無機半導体２０は、カソード電極４０の表面を覆うように形成されている。無機半導体２０の一部が柱状になっており、この柱状の部分が有機半導体１０の有機材料に覆われている。カソード電極４０は無機半導体２０に覆われているため、有機半導体１１とカソード電極４０は直接接触していない。すなわち、有機半導体１１の端部とカソード電極との間には、膜状の無機半導体２０が設けられている。
【０１２８】
無機半導体２０は、例えばＣＶＤ等の結晶成長により形成される。板状のカソード電極４０の表面上に、無機材料の結晶を成長させて、カソード電極４０の表面に、無機材料の膜ができた時点で、成長を一旦止める。
【０１２９】
フォトリソグラフィ等のマスクパターンを、無機材料の膜に置く。マスクパターンの開口部に、同じ無機材料で柱状に結晶を成長させる。これにより、図１９に示すように、無機半導体２０が形成される。
【０１３０】
なお、無機半導体２０の製法はＣＶＤ等の結晶成長に限らず、Ｓ−Ｋ成長（Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔｏａｎｏｖ）モードを用いてよい。Ｓ−Ｋ成長モードを用いる場合には、カソード電極４０の表面上に形成された無機材料の膜のうち、無機材料の膜の表面の一部のみを柱状に成長させればよい。なお、無機半導体２０は、図１９に示す柱部分の高さ（ｙ方向の高さ）まで圧電体を成長させて、柱の部分以外の部分（窪み領域）をエッチングしてもよい。
【０１３１】
上記のように、本実施形態において、解離領域２１は有機半導体１０の有機材料に囲まれており、解離領域２１の一部がカソード電極４０に接続されており、カソード電極と光活性領域１１が直接接触していない。
【０１３２】
本実施形態とは異なり、有機半導体１０とカソード電極４０が直接接触している場合には、有機半導体１０の有機材料とカソード電極４０の材料との組み合わせによって、局在準位が、有機半導体１０とカソード４０との間の界面に形成される。そして、局在準位がキャリア再結合を促進する準位になっていると、界面においてダイポール（電気双極子）が形成され、所望の特性を得ることが難しくなる。
【０１３３】
本実施形態では、有機半導体１０とカソード電極４０が直接接触しないため、キャリア再結合を促進するような局在準位が生成されず、界面でダイポールが形成されることを防止できる。
【０１３４】
なお、有機半導体１０とカソード電極４０と直接接触させない構造として、本実施形態に係る光起電力装置は、図２０に示すような構造でもよい。
【０１３５】
図２０は、本実施形態の変形例に係る光起電力装置の断面図である。変形例に係る光起電力装置は、有機半導体１０、無機半導体２０、アノード電極３０、カソード電極４０及び保護膜７０を備えている。保護膜７０は、有機半導体１０とカソード電極４０との間に設けられている。保護膜７０は、カソード電極４０の表面のうち、解離領域２１と接続していない部分を覆うように、カソード電極４０の表面上に形成されている。保護層７０は、絶縁性を有してもよい。保護層７０は、金属表面を酸化した酸化膜、成長法（ＣＶＤ等）により形成される。カソード電極４０の表面上に形成した後、解離領域２１を形成する部分を、フォトリソグラフィで開口させる。そして、開口した部分に無機材料を結晶成長させることで、解離領域２１を形成する。
【０１３６】
なお、有機半導体１０とカソード電極４０と直接接触させない構造として、本実施形態に係る光起電力装置は、図２１に示すような構造でもよい。図２１は、本実施形態の変形例に係る光起電力装置の断面図である。
【０１３７】
図２１に示す変形例において、無機半導体２０は、カソード電極４０の表面を層で覆いつつ、ｙ軸方向に延在した柱状に形成されている。柱状の部分が有機半導体１０の有機材料に覆われている。また、保護膜７０は、有機半導体１０と無機半導体２０との間に設けられている。保護膜７０は、無機半導体２０の層の部分を覆うように、形成されている。保護膜７０は、カソード電極４０と有機半導体１０とを直接接触させないための部材である。
【０１３８】
上記変形例では、無機半導体２０を成長させる領域を確保するためのハードマスクを除去しなくてもよいため、製造プロセスの簡略化を図ることができる。
【符号の説明】
【０１３９】
１０…有機半導体
１１…光活性領域
２０…無機半導体
２１…解離領域
３０…アノード電極
４０…カソード電極
７０…保護膜
【図１】
0006791249.tif 000027
【図２】
0006791249.tif 000028
【図３Ａ】
0006791249.tif 000029
【図３Ｂ】
0006791249.tif 000030
【図４】
0006791249.tif 000031
【図５】
0006791249.tif 000032
【図６】
0006791249.tif 000033
【図７】
0006791249.tif 000034
【図８】
0006791249.tif 000035
【図９】
0006791249.tif 000036
【図１０】
0006791249.tif 000037
【図１１】
0006791249.tif 000038
【図１２】
0006791249.tif 000039
【図１３】
0006791249.tif 000040
【図１４】
0006791249.tif 000041
【図１５】
0006791249.tif 000042
【図１６】
0006791249.tif 000043
【図１７】
0006791249.tif 000044
【図１８】
0006791249.tif 000045
【図１９】
0006791249.tif 000046
【図２０】
0006791249.tif 000047
【図２１】
0006791249.tif 000048