CN108028321B - 光电变换元件 - Google Patents

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Abstract

提供与当前相比能够提高电流强度和响应速度这两者的光电变换元件以及光电变换装置。光电变换元件(10)具有：一对电极，其由第1电极(11)和第2电极(15)构成；以及有机半导体(13)，其接收光而产生电动势，具有：第1绝缘体(12)，其具有第1静电容量(C1)且设置为与第1电极(11)接触；以及第2绝缘体(14)，其具有小于第1绝缘体(12)的第2静电容量(C2)、且设置为与第2电极(15)接触，有机半导体(13)介于第1绝缘体(12)与第2绝缘体(14)之间且与它们接触。根据该结构，第1绝缘体(12)具有较大的第1静电容量(C1)，因此能够激起有机半导体层的极化、并增大极化电流。第2绝缘体(14)具有较小的第2静电容量(C2)，响应性得到提高。因而，与当前相比能够提高电流强度和响应速度这两者。

Description

光电变换元件
技术领域
本发明涉及将光能变换为电能的光电变换元件。
背景技术
当前，公开了与以光电变换效率良好且光响应性优异为目的的光电变换元件相关的技术的一个例子(例如参照专利文献1)。该光电变换元件的光电变换层具有电荷分离层以及极化层。电荷分离层含有电子迁移率以及空穴迁移率不同的半导体材料、以及具有电子传导性的掺杂物。极化层由离子液体形成，该离子液体的主成分由阳离子和阴离子的组合构成。
专利文献1：日本特开2013-218924号公报
非专利文献1：Ji Yu,Chong-Xin Shan,Qian Qiao,Xiu-Hua Xie,Shuang-PengWang,Zhen-Zhong Zhang and De-Zhen Shen,Enhanced Responsivity ofPhotodetectors Realized via Impact Ionization,Sensors,12,1280-1287(2012)
非专利文献2：Ghusoon M Ali and P Chakrabarti,ZnO-based interdigitatedMSM and MISIM ultraviolet photodetectors,JOURNAL OF PHYSICS(2010)
非专利文献3：W J Wang,C X Shan,H Zhu,F Y Ma,D Z Shen,X W Fan and K LChoy,Metal-insulator-semiconductor-insulator-metal structured titaniumdioxide ultraviolet photodetector,JOURNAL OF PHYSICS(2009)
发明内容
然而，即使应用专利文献1、非专利文献1～3所记载的技术，也存在下面的问题。第1，为了增大在系统中流动的电流，只要增大极化层的静电容量即可，但时间常数也增大，因此高速响应变得困难。第2，为了应对高速响应，只要减小极化层的静电容量即可，但随着静电容量的减小，在系统中流动的电流也减小。即，电流强度和响应速度呈相反关系。
本发明就是鉴于上述问题而提出的，其目的在于提供与当前相比能够提高电流强度和响应速度这两者的光电变换元件。
为了解决上述问题而提出的第1发明是一种光电变换元件，其具备：一对电极，其由第1电极和第2电极构成；以及有机半导体，其接收光而产生电动势，所述光电变换元件的特征在于，具有：第1绝缘体，其具有第1静电容量，且设置为与所述第1电极接触；以及第2绝缘体，其具有小于所述第1绝缘体的第2静电容量，且设置为与所述第2电极接触，所述有机半导体介于所述第1绝缘体与所述第2绝缘体之间且与它们接触。
根据该结构，第1绝缘体具有较大的静电容量(即第1静电容量)，因此，因有机半导体层的光激励产生的电荷分离和极化而引起第1绝缘体也大幅极化。该第1绝缘体的极化在有机半导体层形成较大的电场，因此进一步促进了有机半导体层的电荷分离。通过该叠加效应而能够增大电路整体的极化电流。第2绝缘体具有较小的静电容量(即第2静电容量)，因此响应速度加快。因此，与当前相比能够提高电流强度和响应速度这两者。
第2发明的特征在于，所述第1绝缘体是包含以阳离子和阴离子作为主成分的离子液体、或者由规定的绝缘性材料成型的固体绝缘体。
根据该结构，无论第1绝缘体是离子液体和固体绝缘体的哪一种，都具有大于第2绝缘体的静电容量，因此能够增大电流。因此，与当前相比能够更可靠地提高电流强度。
第3发明的特征在于，所述有机半导体以规定的比例混入有微粒状的导电体。
根据该结构，混入有微粒状的导电体的有机半导体的电阻减小并提高了响应性。因此，能够进一步提高响应速度。
第4发明的特征在于，所述光是脉冲光、斩波光、调制光中的任一种光。
根据该结构，相对于光强度调制后的光，电流强度增强，响应速度加快。
这里，在与第1电极和第2电极之间连接的导线流动的“电流”主要是迁移电流。“有机半导体”是由接收光而能够使电荷(也称为载体)分离的有机材料成型的半导体。该有机材料可以应用任意材料。可以设为直接接收光的结构，也可以设为在电极、绝缘体由透明材料形成的情况下间接地接收光的结构。另一方面，在电极、绝缘体由不透明材料形成的情况下，只要以光能够到达有机半导体的电解质(即薄膜)形成即可。只要“第1绝缘体”和“第2绝缘体”均由电感性优于导电性的物质形成则可以是任意的。“第1绝缘体”可以是包含阳离子和阴离子作为主成分的离子液体。一对电极(即第1电极以及第2电极)如交流电源那样双方均用作极性变换的电极。“接触”包含接合，表示在接触面从一者向另一者传递极化的方式。“离子液体(Ionic Liquid)”只要包含阳离子和阴离子作为主成分，则可以是液体，也可以是凝胶。“电流强度”也称为电流量。“混入”中包含掺杂。
附图说明
图1是示意性地表示光电变换元件的第1结构例的剖面图。
图2是对光电变换元件的工作原理进行说明的示意图。
图3是用于对第1结构例的特性进行测定的电路图。
图4是表示第1结构例的特性的曲线图。
图5是示意性地表示光电变换元件的第2结构例的剖面图。
图6是表示第2结构例的特性的曲线图。
图7是示意性地表示光电变换元件的第3结构例的剖面图。
具体实施方式
下面，基于附图对用于实施本发明的方式进行说明。此外，只要未特别明确地示出，在提到“连接”的情况下表示电连接。各图示出了用于对本发明进行说明所需的要素，不必对实际的所有要素都进行图示。在提及上下左右等方向的情况下，以附图的记载为基准。
[实施方式1]
参照图1～图4对实施方式1进行说明。图1所示的光电变换元件10A是光电变换元件10的一个例子。该光电变换元件10A具有第1电极11、第1绝缘体12、有机半导体13A、第2绝缘体14、第2电极15等。
第1电极11以及第2电极15相当于“一对电极”。第1电极11和第2电极15只要是能够直接对有机半导体13A进行光的激励的元件构造，则无需利用具有透光性的透明性电极。但是，在透过电极而对有机半导体13A进行激励的情况下，该电极需要具有透明性。作为透明性导电材料的例子，可以是掺杂有锑、氟等的氧化锡(ATO、FTO)、氧化锡、氧化锌、氧化铟、氧化铟锡(ITO)、氧化锌铟(IZO)等导电性金属氧化物。可以是金、银、铬、镍等的金属薄膜。可以是导电性金属氧化物或者金属薄膜、和导电性金属氧化物的混合物或者层叠物。可以是碘化亚铜、硫化铜等无机导电性物质。可以是碳纳米管、聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯、聚乙烯二氧噻吩等有机导电性材料。可以是金属、无机导电性物质、有机导电性材料中的大于或等于一种的材料、和氧化铟锡(ITO)层叠而成型的层叠物。根据高导电性、透明性等观点，优选为透明导电性金属氧化物。
第1电极11和第2电极15可以设为功函数无差异的材料，也可以以使得功函数存在差异的方式使材料不同。功函数如理化学辞典第5版(岩波书店，1998年)中记载的那样，表示“为了从物质(金属、半导体的晶体等)表面向其外侧将1个电子取出而需要的最小能量”。为了产生快速且较大的电流，优选将第1电极11和第2电极15的功函数之差设定为规定范围(例如0.1[eV]至3[eV]的范围)。在第1电极11和第2电极15之间的功函数存在差异的情况下，有机半导体13A内的电荷分离增强。第1绝缘体12、第2绝缘体14也有助于电荷分离，将在有机半导体13A内产生的极化向第1电极11以及第2电极15传递而在二者产生暂态的电位差，因此与当前相比，能够进一步提高有机半导体13A接收到光之后将暂态电流输出的响应性(较高的光-电流变换效率以及较短的光-电流变换时间)。
第1绝缘体12以及第2绝缘体14承担对在有机半导体13A中分离的空穴(也称为空孔)、电子进行蓄积的功能。第1绝缘体12设置为与第1电极11接触、且具有第1静电容量C1。第2绝缘体14设置为与第2电极15接触、且具有第2静电容量C2。第1绝缘体12和第2绝缘体14分别形成为第1静电容量C1大于第2静电容量C2(即，C1＞C2)。但是，第1绝缘体12和第2绝缘体14均可以由兼具绝缘性和蓄电性的任意材料(例如固体绝缘体、离子液体等)形成。
作为固体绝缘体的材料的例子，能举出聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚氟乙烯(PVF)、聚四氟乙烯(PTFE)、乙烯四氟乙烯共聚物(ETFE)、全氟乙烯丙烯共聚物(FEP)、少量全氟丙基全氟乙烯基醚与聚四氟乙烯的共聚物(PFA)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、乙烯三氟氯乙烯共聚物(ECTFE)等之类的氟系塑料(氟树脂)等。
第1绝缘体12可以应用包含阳离子和阴离子作为主成分的离子液体以代替上述固体绝缘体。离子液体通常具有极低的蒸汽压力、阻燃性或者不燃性。大多如被称为常温熔融盐那样熔点处于室温附近。本方式的离子液体只要在使用温度范围内为液体即可。
阳离子并不特别限定，例如能举出含氮化合物阳离子、季磷阳离子、锍阳离子等。作为含氮化合物阳离子，例如能举出咪唑鎓盐阳离子、砒啶阳离子等多环式芳香族系阳离子、哌啶阳离子、吡咯烷鎓阳离子、吡唑啉鎓阳离子、噻唑鎓阳离子、吗啉阳离子等多环式脂肪族系阳离子、季铵阳离子、或者芳香族胺、脂肪族胺、脂环式胺中附加有氢的形式的阳离子等。
阴离子并不特别限定，例如能举出Cl-、Br-、I-等卤化物阴离子、BF4 -、B(CN)4 -、B(C2O4)2 -等硼化物阴离子、(CN)2N-、[N(SO2F)2]-、[N(SO2CF3)2]-、[N(SO2C2F5)2]-等酰胺阴离子、酰亚胺阴离子、RSO3 -(R表示“脂肪族碳化氢基”或者芳香族碳化氢基」。下同)、RSO4 -、RfSO3 -(Rf表示“含氟卤化碳化氢基”。下同)、RfSO4 -等硫酸盐阴离子或者磺酸盐阴离子、Rf2P(O)O-、PF6 -、Rf3PF3 -等磷酸阴离子、SbF6等的锑阴离子；其他为乳酸、硝酸根离子、三氟醋酸盐等各种阴离子。
离子液体可以由上述阳离子以及阴离子的各1种的组合构成，也可以由阳离子以及阴离子的一者或者混合有大于或等于2种的双方构成。
有机半导体13A是有机半导体13的一个例子。该有机半导体13A介于第1绝缘体12和第2绝缘体14之间且与它们接触，承担接受从外部光源照射的光使电荷分离而产生电动势的功能。只要承担该功能，则可以是n型有机半导体、p型有机半导体、或者双性有机半导体，或者可以是上述物质的多层膜、混合物。光源是任意的，可以是如太阳光那样由多个波长构成的光，也可以是如激光、LED光那样由单一波长构成的光。但是，需要对光强度进行调制。例如，能举出如脉冲光、斩波光、调制光等那样用于光信号的光。
n型有机半导体是受主性有机半导体，是主要以电子传送性化合物为代表、且具有容易接受电子的性质的有机化合物。具体而言，是在使2种化合物接触而使用时电子亲和性较大的有机化合物。
受主性有机半导体只要是具有电子接收性的化合物，则可以应用任意有机化合物。例如，能举出选择由富勒烯及其衍生物构成的组的富勒烯类、含有氮原子、氧原子、硫原子的杂环化合物、聚亚芳基化合物、芴化合物、环戊二烯化合物、甲硅烷化合物等。也可以是具有含氮杂环化合物作为配合基的金属络合物。
对于上述杂环化合物，例如能举出吡啶、吡嗪、嘧啶、哒嗪、三嗪、喹啉、喹喔啉、喹唑啉、酞嗪、噌啉、异喹啉、蝶啶、吖啶、吩嗪、菲咯啉、四唑、吡唑、咪唑、噻唑、恶唑、吲唑、苯并咪唑、苯并三氮唑、苯并噁唑、苯并噻唑、咔唑、嘌呤、三唑哒嗪、三唑嘧啶、四氮杂茚、噁二唑、咪唑并吡啶、吡咯烷、吡咯并吡啶、噻二唑吡啶、二苯并氮杂、三苯并氮杂等。
p型有机半导体是施主性有机半导体，是主要以空穴传送性有机化合物为代表、且具有容易提供电子的性质的有机化合物。具体而言，是在使2种有机材料接触而使用时电离电位较小的有机化合物。
施主性有机半导体只要是具有电子给予性的有机化合物，则可以应用任意有机化合物。例如，三芳基胺化合物、联苯胺化合物，吡唑啉化合物、苯乙烯胺化合物、腙化合物、三苯基甲烷化合物、咔唑化合物、聚硅烷化合物、噻吩化合物、酞菁化合物、亚酞菁化合物、喹吖啶酮化合物、卟啉化合物、花青化合物、份菁化合物、氧杂菁化合物、多胺化合物、吲哚化合物、吡咯化合物、二酮吡咯并吡咯化合物、吡唑化合物、聚亚芳基化合物、缩合芳香族碳环化合物、聚噻吩、聚芴、聚吡咯等的均聚物、施主受主型的共聚物等符合。也可以是具有含窒素杂环化合物作为配合基的金属络合物。
对于上述缩合芳香族碳环化合物，例如能举出萘衍生物、蒽衍生物、菲衍生物、并四苯衍生物、芘衍生物、苝衍生物、荧衍生物等。
双性有机半导体被称为双极性有机半导体，是显示出n型有机半导体和p型有机半导体这两者的特性的有机半导体。例如，能举出二(4-二甲氨基二硫代二苯乙二酮)镍(II)、1,3,6,8-苯基芘等。
第1绝缘体12介于第1电极11与有机半导体13A之间，第2绝缘体14介于有机半导体13A与第2电极15之间，因此假设即使在光电变换元件10A的制造过程中产生小孔，也能尽量抑制暗电流的产生。这是因为，即使在有机半导体13A分离的电荷要向一个电极移动，第1绝缘体12、第2绝缘体14对于空穴以及电子双方的移动也造成阻碍。
光电变换元件10A的制造方法是任意的。例如在图1所示的构造的光电变换元件10A中，可以从左侧的第1电极11向右侧按顺序制作，也可以从右侧的第2电极15向左侧按顺序制作。无论哪种制造法，都不存在将有机半导体13A蒸镀于第1电极11、第2电极15的工序，因此不会对有机半导体13A造成损伤。
参照图2对以上述方式构成的光电变换元件10A的工作原理进行说明。如图2所示，第1绝缘体12具有确保第1静电容量C1的厚度T1。有机半导体13A具有厚度T2。第2绝缘体14具有确保第2静电容量C2的厚度T3。
第1静电容量C1和第2静电容量C2满足C1＞C2的不等式。作为带来高速响应的第2绝缘体14(较小的静电容量：第2静电容量C2)的厚度T3，具有足够的绝缘性，因此优选设为足够厚(例如50nm-1000nm的范围)。另外，作为产生较大电流的第1绝缘体12(较大的静电容量：第1静电容量C1)的厚度，增大了第1静电容量C1，因此如果由固体的电介质、强电介质构成则优选设为足够薄(例如10nm-200nm的范围)。此外，在由离子液体等电解质制作第1绝缘体12的情况下，界面双电层的形成不依赖于T1，因此能够设为(例如10nm-1mm的范围)的范围。
光只要能够照射至有机半导体13A并进行激励，则可以从任何方向进行照射。图2、图3中由箭头图形所示的照射方向不过是一个例子。本方式的光只要是用于光的通信的光则可以是任意光，例如能举出红外线、可视光线。光的频率只要处于小于或等于10GHz的范围则可以是任意的。
有机半导体13A如果接收到光，则进行能量激励而进行电荷分离，分离为由图中的δ+表示的空穴、以及由图中的δ-表示的电子，其中产生极化。该极化使第1绝缘体12以及第2绝缘体14极化。并且，该极化向外部电路(即导线W)传递而产生极化电流。如果停止光的照射，则极化被消除，因此在外部电路中流动有与照射光时方向相反的电流。
在照射光时，在有机半导体13A中分离的电子蓄积于第1绝缘体12和第2绝缘体14，在未照射光时从第1绝缘体12和第2绝缘体14放电。第1绝缘体12具有较大的静电容量，因此能够促进有机半导体13A中的电荷分离，能够确保在导线W流动的较大的暂态电流的电流强度。相反，第2绝缘体14具有较小的静电容量，因此能够确保在导线W流动的电流的较大的响应速度。因而，能够兼顾电流强度和响应速度。
下面，参照图3和图4对在反复进行光的照射/不照射的情况下光电变换元件10A的工作进行说明。图3所示的测量用电路为了对光电变换元件10A的特性进行测定而利用导线W将第1电极11和第2电极15之间连接，对在该导线W流动的电流I进行测量的电流计20介于它们之间。
作为测量用电路，图3所示的光电变换元件10A以如下方式构成。对于第2电极15而采用氧化铟锡(ITO)玻璃。对于第2绝缘体14而采用聚甲基丙烯酸甲酯树脂(PMMA；Polymethyl methacrylate)且将厚度设为200nm。对于有机半导体13A采用Sn(II)萘菁且将厚度设为70nm。第1绝缘体12作为固体绝缘体而采用聚偏二氟乙烯(PVDF)、且将厚度设为400nm，作为离子液体而采用TMPA-TFSI且将厚度设为100μm。TMPA是三甲基丙基铵，TFSI是三氟甲烷磺酰亚胺(化学式为[N(SO2CF3)2]-)。对于第1电极11而采用银。光从第2电极15侧进行照射，使得第2电极15变为阴极。
图4的上段示出了照射的光随时间的变化，下段示出了在导线W流动的电流I随时间的变化。关于上段的光，ON表示照射，OFF表示不照射。即，从时刻t10至时刻t11、从时刻t12至时刻t13、从时刻t14至时刻t15、从时刻t16至时刻t17分别进行照射。周期Cy1是反复实施光的照射/不照射的间隔。本方式的周期Cy1示出了应用500纳秒(即，如果由频率表示则为2MHz)的例子。
在图4的下段，由虚线的特性线L1示出了对于光电变换元件10A的第1绝缘体12而应用离子液体的情况下的特性。另外，作为对比例，由实线的特性线L2表示应用例如专利文献1所记载的光电变换元件的情况下的特性。并且，由细线的特性线L3表示对于专利文献1所记载的光电变换元件的绝缘体而应用固体的情况下的特性。
特性线L1、L2在以下方面相同，即，如果均照射光，则电流I在处于周期Cy1内的方向(例如图3所示的电流I的方向)上流动，如果不照射光，则电流I在相反方向(例如图3所示的电流I的相反方向)上流动。在该情况下，在周期Cy1的每半个周期内反复引起蓄电和放电。L1的上升趋势比L2的上升趋势陡。即，与现有技术相比，针对光的照射/不照射的响应速度一样快或者更快。
另外，对于特性线L1、L3而言，电流迅速增强，因此电流强度在半个周期内饱和。如图所示，特性线L1的最大电流的绝对值为|I13|，特性线L3的最大电流的绝对值为|I11|。显然，|I13|＞|I11|，因此与现有技术相比能确保一样强或者更强的电流强度。
此外，图4表示光以2MHz的频率对光电变换元件10A照射/不照射的情况下的特性。省略了图示，但即使以达到10GHz的频率对光电变换元件10A照射/不照射光，也能获得与图4所示的特性线L1相同的特性。
[实施方式2]
参照图5、图6对实施方式2进行说明。此外，为了使图示以及说明变得简单，只要未特别明确地示出，则对与实施方式1中使用的要素相同的要素标注相同的标号并省略其说明。因此，主要对与实施方式1的不同点进行说明。
图5所示的光电变换元件10B是光电变换元件10的一个例子。该光电变换元件10B具有第1电极11、第1绝缘体12、有机半导体13B、第2绝缘体14、第2电极15等。光电变换元件10B与光电变换元件10A的不同点在于，使用有机半导体13B代替有机半导体13A。
有机半导体13B是有机半导体13的一个例子。该有机半导体13B与有机半导体13A同样地介于第1绝缘体12与第2绝缘体14之间并与它们接触，担负接受从外部的光源照射的光而使电荷分离的功能。有机半导体13B与有机半导体13A的不同点在于，以规定的比例而混入有微粒状的导电体。
导电体是微粒状的导电体，例如能举出金属、导电性树脂(也称为导电性塑料)、纳米传导物质等。金属包含金、铜、银、铝等。导电性树脂包含聚乙炔、聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺等。纳米传导物质包含纳米管、石墨烯、碳纳米等。规定的比例可以设定为如下范围，即，能减小有机半导体13B的电阻且提高响应性，另一方面，不会阻碍有机半导体13B的光激励，另外，不会将有机半导体13B电磁屏蔽。例如，能举出小于或等于50体积％的范围。
下面，参照图6对在反复进行光的照射/不照射的情况下光电变换元件10B的工作进行说明。此外，本方式的测量用电路与图3所示的测量用电路相同。即，利用导线W将有机半导体13B的第1电极11与第2电极15之间连接，使对在该导线W流动的电流I进行测量的电流计20介于第1电极11与第2电极15之间。
用于测量用电路的图5所示的光电变换元件10B以如下方式构成。对于第2电极15而采用氧化铟锡(ITO)玻璃。对于第2绝缘体14而采用聚甲基丙烯酸甲酯树脂(PMMA；Polymethyl methacrylate)且将厚度设为200nm。对于有机半导体13B而采用Sn(II)萘菁且将厚度设为70nm，作为导电体而混入金微粒子。与规定的比例相当的比率为Sn(II)萘菁：金微粒＝10:1。第1绝缘体12采用离子液体的TMPA-TFSI且将厚度设为100μm。对于第1电极11而采用银。从第2电极15侧照射光而使得第2电极15变为阴极。
图6与图4相同地，上段示出了照射的光随时间的变化，下段示出了在导线W流动的电流I随时间的变化。从时刻t20至时刻t21、从时刻t22至时刻t23、从时刻t24至时刻t25、从时刻t26至时刻t27，分别照射光。周期Cy2与图4所示的周期Cy1相同地，应用500纳秒(即，由频率表示则为2MHz)。
在图6的下段，由虚线的特性线L4表示光电变换元件10B的有机半导体13B中混入有微粒状的导电体的情况。作为参考，由实线的特性线L5表示光电变换元件10A即有机半导体13B中未混入微粒状的导电体的情况(即，相当于特性线L1)。
特性线L4、L5的相同点在于，如果均照射光，则电流I在周期Cy2内的方向(例如图3所示的电流I的方向)上流动，如果不照射光，则电流I在相反方向(例如图3所示的电流I的相反方向)上流动。在该情况下，蓄电和放电分别在周期Cy2的半个周期内完毕，并且，特性线L4与特性线L5相比，上升趋势更快，因此针对光的照射/不照射的响应速度进一步提高。
特性线L4与特性线L5相比，照射光之后的电流强度的升高速度更快。这是因为，有机半导体13B中混入有导电体而减小了电路整体的电阻。其结果，如图所示，特性线L4的最大电流的绝对值为|I22|，特性线L5的最大电流的绝对值为|I21|。显然，|I22|＞|I21|。
此外，图6表示以2MHz的频率对光电变换元件10B照射/不照射光的情况下的特性。省略了图示，但即使以达到10GHz的频率对光电变换元件10B照射/不照射光，也能获得与图6所示的特性线L4相同的特性。
[其他实施方式]
以上根据实施方式1、2对用于实施本发明的方式进行了说明，但本发明并不限定于该方式。换言之，还可以在未脱离本发明的主旨的范围内以各种方式而实施。例如，可以实现下面所示的各方式。
在上述实施方式1、2中，有机半导体13以由第1绝缘体12和第2绝缘体14夹成三明治状的构造而构成光电变换元件10(参照图1、图5)。可以代替该方式而以其他构造构成光电变换元件10。其他构造能举出除了三明治状构造以外的构造，例如图7所示的光电变换元件10C。光电变换元件10C在基板16的上方配置有第1电极11、第1绝缘体12、有机半导体13、第2绝缘体14、第2电极15等。第2绝缘体14以将第2电极15覆盖的方式设置为与其接触。有机半导体13以将第2绝缘体14覆盖的方式设置为与其接触。第1绝缘体12以将有机半导体13以及第1电极11覆盖的方式设置为与其接触。导线W1与第2电极15连接，导线W2与第1电极11连接。为了将电信号输出而设置导线W1、W2，不论是否将基板16贯通。省略了图示，但第1电极11、第1绝缘体12、有机半导体13、第2绝缘体14、第2电极15的各要素的剖面不需要为图示的形状，可以是包含圆形、多边形等的几何形状。无论以何种形状成型，只要第1电极11与第1绝缘体12接触、第2绝缘体14与第2电极15接触、且有机半导体13介于第1绝缘体12与第2绝缘体14之间并与它们接触即可。因此，无论光电变换元件10的构造以任何方式构成，都能够获得与实施方式1、2相同的作用效果。
在上述实施方式1、2中，在针对第1绝缘体12而应用离子液体的情况下，设为在常温下应用液体的结构。为了防止离子液体泄漏，第1绝缘体12可以应用凝胶的离子液体以代替上述方式。除此以外，还可以应用多酸、离子传导体、质子传导体等。多酸是化学式由[MxOy]n-(其中，M＝Mo，V，W，Ti，Al，Nb等)表示的分子，是除了第3族以外的前期过渡金属元素的氧缩合而生成的缩合氧酸(即，阴离子性的金属多核氧络合物)。离子传导体是电荷为离子的传导体。质子传导体是质子(例如氢离子)作为在晶体内最具有优势的电荷载体而起作用的传导体。无论作为第1绝缘体12而应用任何材料，都容易在固体和液体的界面形成双电层，因此能够可靠地进行电荷(空穴、电子)的交接。因此，能获得与实施方式1、2同样的作用效果。
在上述实施方式1、2中，作为使电荷分离为空穴和电子的电荷分离材料，设为应用由n型有机半导体或者p型有机半导体构成的有机半导体13的结构(参照图1、图5)。可以设为应用其他有机半导体的结构以代替上述方式。其他有机半导体利用在特定的波长域具有吸收带的施主(电子供体)或者受主(受容体)、由在特定的波长域具有电荷移动吸收带的施主和受主的化合物构成的电荷移动络合物、或者施主和受主的混合物等而形成。在该情况下，可以包含(α)在特定的波长域具有吸收带的施主、(β)在特定的波长域具有吸收带的受主、(γ)由在特定的波长域具有电荷移动吸收带的施主和受主的化合物构成的电荷移动络合物、(δ)(α)至(γ)所示的施主和受主的混合物的任一种。总之，只要是能够接受光的照射而使电荷分离为空穴和电子的电荷分离材料，则可以是任意材料。根据该结构，由在特定的波长域具有吸收带的物质形成，因此能够与照射的光的波长对应地使电荷分离。因此，能够获得与实施方式1、2同样的作用效果。
[作用效果]
根据上述实施方式1、2以及其他实施方式，能够获得下面所示的各效果。
(1)光电变换元件10(10A、10B)形成为如下结构，即，具有：第1绝缘体12，其具有第1静电容量C1，设置为与第1电极11接触；以及第2绝缘体14，其具有小于第1绝缘体12的静电容量的第2静电容量C2，设置为与第2电极15接触，有机半导体13介于第1绝缘体12与第2绝缘体14之间并与它们接触(参照图1、图5)。根据该结构，第1绝缘体12具有较大的静电容量(即第1静电容量C1)，因此其极化能够促进有机半导体层的电荷分离而增大电流I。第2绝缘体14具有较小的静电容量(即第2静电容量C2)，因此电流I容易流动而提高了响应性。因此，与当前相比能够提高电流强度和响应速度这两者。另外，第1绝缘体12介于第1电极11与有机半导体13之间，第2绝缘体14介于有机半导体13与第2电极15之间，即使假设在光电变换元件10的制造过程中产生了小孔，也能够抑制暗电流的产生。
(2)第1绝缘体12设为包含阳离子和阴离子作为主成分的的离子液体、或者由规定的绝缘性材料成型的固体绝缘体的结构。根据该结构，第1绝缘体12无论是离子液体和固体绝缘体的哪一种，均具有较大的静电容量，因此其极化能够促进有机半导体层的电荷分离而增大电流I。因此，与当前相比，能够可靠地提高电流强度。
(3)有机半导体13B设为以规定的比例混入有微粒状的导电体的结构(参照图5)。根据该结构，有机半导体13B因混入的微粒状的导电体而减小了电阻并提高了响应性。因此，能够进一步提高响应速度。
(4)设为如下结构，即，光为脉冲光、斩波光、调制光中的任一种光。根据该结构，相对于调制了光强度的光，电流强度增强，响应速度加快。
工业实用性
本发明的光电变换元件具有接受光而产生电动势的功能。作为灵活应用该功能的部件、装置，可以作为光-电流变换素子、光传感器(包含光电二极管)、光度传感器等而应用。光-电流变换元件以超高速将光纤中的红外线脉冲变换为电流。光度传感器对光的强度进行检测。
标号的说明
10(10A、10B、10C) 光电变换元件
11 第1电极
12 第1绝缘体(离子液体，固体绝缘体)
13(13A、13B) 有机半导体
14 第2绝缘体(固体绝缘体)
15 第2电极

Claims (3)

1.一种光电变换元件，具有：一对电极，其由第1电极和第2电极构成；以及有机半导体，其接收光而产生电动势，
所述光电变换元件的特征在于，具有：
第1层，其具有第1静电容量，且设置为与所述第1电极接触；以及
第2层，其具有小于所述第1层的第2静电容量，且设置为与所述第2电极接触，
所述第1层以及所述第2层包含以阳离子和阴离子作为主成分的离子液体，
所述有机半导体介于所述第1层与所述第2层之间且与它们接触。
2.根据权利要求1所述的光电变换元件，其特征在于，
所述有机半导体以规定的比例混入有微粒状的导电体。
3.根据权利要求1或2所述的光电变换元件，其特征在于，
所述光是脉冲光、斩波光、调制光中的任一种光。
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