CN108352257A - 光电转换装置 - Google Patents

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阿波贺邦夫
松下未知雄
苏普拉瓦特·卡拉卡
汤山佳菜子
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Nagoya University NUC
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Abstract

本发明提供一种将光能转换成交流电能而输出的光电转换装置。光电转换装置(10)具有：一对电极，包括第1电极(31)和第2电极(34)；电荷分离层(32)(电荷分离部)，其设置为与第1电极(31)接触；绝缘极化层(33)(绝缘极化部)，其设置为被夹在电荷分离层(32)与第2电极(34)之间；以及入射切换部(20)，其基于第1电极(31)与第2电极(34)之间流动的电流，从而使光入射至电荷分离层(32)的入射状态和光不入射至电荷分离层(32)的非入射状态交替地切换，其特征在于，通过经由电荷分离层(32)的电荷分离、经由绝缘极化层(33)的蓄电及放电、以及经由入射切换部(20)的入射状态和非入射状态的切换，使得光电转换装置(10)进行自激振荡，从输出端子持续地输出交流电流或交流电压。通过该构成，可以由自激振荡持续地输出交流电能。

Description

光电转换装置
技术领域
本发明涉及一种将光能转换为电能并输出的光电转换装置。
背景技术
作为利用有机物将光能转换为电能的太阳能电池，已知有：与无机系的太阳能电池同样地以来自pn结的电荷分离为起点的有机薄膜太阳能电池，以及以来自氧化钛表面的吸附染料的电荷分离为起点的染料敏化太阳能电池。
在有机薄膜太阳能电池或染料敏化太阳能电池中，由于直流电流通常在设备内连续地流动，因而对于移动性低的有机物而言，不得不说有机薄膜太阳能电池和染料敏化太阳能电池在本质上是不利的结构。另外，在上述能量转换中，必然会输出直流电流，而不会输出交流电流。
以往，公开了涉及这样的有机光电转换元件的技术的一个例子(例如参照专利文献1)，该有机光电转换元件的目的在于能够廉价地制作、能够尽可能地抑制暗电流的产生、并且在光照射后会产生大的且响应速度快的暂态电流。该有机光电转换元件具有：功函数各不相同的第1电极及第2电极、在光照射后分离电荷的电荷分离层、以及将电极与电荷分离层彼此绝缘以进行极化的绝缘极化层。通过组合电荷分离层和绝缘极化层，从而可导出大的暂态电流。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2011/114708号
发明内容
发明所要解决的课题
然而，专利文献1中所记载的有机光电转换元件以诸如斩波光(chopped light)之类的断续光入射为条件而输出交流电流。也就是说，在仅仅使光入射时，是无法输出交流电流的。因此，当需要交流电流时，会存在这样的问题：需要利用外部电源来驱动光线断续器(light chopper)等以调制光。
本发明是鉴于这样的情况而完成的，其目的在于提供一种可进行自激振荡以能够将光能持续地转换为交流电能的光电转换装置。
用于解决课题的技术方案
用于解决上述课题而作出的第1发明是将光能转换成电能而输出的光电转换装置，具有：
一对电极，包括成为输出端子的第1电极和第2电极；
电荷分离部，其设置为与所述第1电极接触，并且在光照射后进行电荷分离；
绝缘极化部，其设置为被夹在所述电荷分离部与所述第2电极之间，并且将所述第1电极与所述电荷分离部绝缘并极化；
入射切换部，其基于所述第1电极与所述第2电极之间产生的电动势，从而使光入射至所述电荷分离部的入射状态和光不入射至所述电荷分离部的非入射状态交替地切换，
其特征在于，
通过经由所述电荷分离部的电荷分离、经由所述绝缘极化部的蓄电及放电、以及经由所述入射切换部的所述入射状态和所述非入射状态的切换，使得所述光电转换装置进行自激振荡，从所述输出端子持续地输出交流电流或交流电压。
根据该结构，在入射状态下在电荷分离部中进行了电荷分离的载体(即，正空穴和电子)在绝缘极化部中累积而被充电，因而电流从一侧的电极(例如，第1电极)流向另一侧的电极(例如，第2电极)。在非入射状态下累积于绝缘极化部中的载体发生放电，因而电流从另一侧的电极流向一侧的电极。也就是说，在入射状态与非入射状态下电流的流动方向是相反的。入射切换部交替地切换入射状态和非入射状态。通过将这些组合，从而使光电转换装置进行自激振荡，从输出端子(即，第1电极及第2电极)持续地输出交流电流或交流电压。此外，入射切换部基于在第1电极与第2电极之间流动的电流而交替地切换入射状态和非入射状态，因而能够使从输出端子输出的电能成为交流。
第2发明的特征在于：在所述电动势的变化、以及所述入射切换部中的所述入射状态和非入射状态的切换之间设置预定的时间延迟(time lag)。根据该结构，在入射状态下电动势变大、载体累积于绝缘极化部中从而切换至非入射状态；或者在非入射状态下累积于绝缘极化部中的载体进行放电从而切换至入射状态。由于充电的缘故，从而需要时间延迟以从入射状态切换至非入射状态，由于放电的缘故，从而也需要时间延迟以从非入射状态切换至入射状态。预定的时间延迟若过短则无法进行自激振荡、若过长也不会进行自激振荡，因而根据光、电荷分离部、绝缘极化部以及入射切换部等条件而设定适宜的数值即可。通过适宜地设定预定的时间延迟，能够可靠地进行自激振荡、并且从输出端子持续地输出交流电流或交流电压。
第3发明的特征在于：所述电荷分离部包含在光照射后可进行电荷分离的有机化合物、无机化合物、金属配合物当中的至少一者。根据该结构，可以由能够可靠地进行发电的材料构成电荷分离部。
第4发明的特征在于：所述电荷分离部包含具有电荷转移吸收带的供体及受体当中的一者或两者。根据该结构，能够由与入射光的波长范围对应的材料构成电荷分离部。
第5发明的特征在于：所述电荷分离部包含钙钛矿型晶体结构的化合物。根据该结构，能够低成本且高效率地进行发电，并且能够提高交流电流或交流电压。
第6发明的特征在于：所述绝缘极化部为包含阳离子和阴离子作为主成分的离子液体。根据该结构，通过在与电荷分离部的界面处形成双电层，从而促进了电荷分离，可得到大的发电容量。
第7发明的特征在于：所述离子液体显示出塑性结晶相。根据该结构，可以确保离子液体中所含的离子的自由移动，可以防止离子液体从光电转换元件泄露至外部。
第8发明的特征在于：所述入射切换部为：至少覆盖所述电荷分离部从而能够随时间地交替变换光的透过和遮挡的液晶快门；或者以通过所述光源与所述电荷分离部之间的方式使不透明构件移动从而能够交替地变换光的透过和遮挡的移动机构。根据该结构，通过可靠地交替切换入射状态与非入射状态，从而能够可靠地使从输出端子输出的电能变得持续。
在此，流过连接在第1电极和第2电极之间的导线的“电流”主要是暂态电流。“电荷分离部”只要由在照射光后能够分离电荷的材料形成即可，包括钙钛矿型晶体结构的化合物。“绝缘极化部”只要由介电性优于导电性的物质形成即可，包括含有阳离子和阴离子作为主成分的离子液体(Ionic Liquid)。对于“离子液体”，只要在含有阳离子和阴离子作为主成分的范围内，可以是液体，也可以是凝胶状。一对电极(即，第1电极及第2电极)被用作如同交流电源那样地彼此转换极性的电极。“接触”包括接合，是指经由接触面极化从一侧传至另外一侧的形式。“透过”包括反射。
附图简要说明
[图1]为表示光电转换装置的第1结构例的示意图。
[图2]为表示入射切换部的第1结构例的示意图。
[图3]为示意性地表示光电转换元件的结构例的截面图。
[图4]为表示输出电流随时间变化的时间图。
[图5]为表示输出电压随时间变化的时间图。
[图6]为表示输出电流与输出电压的关系的例子的曲线图。
[图7]为表示光电转换装置的第2结构例的示意性侧视图。
[图8]为表示光电转换装置的第2结构例的示意性俯视图。
[图9]为表示入射切换部的第2结构例的示意图。
[图10]为表示输出随时间变化的时间图。
具体实施方式
以下，基于附图来说明用于实施本发明的方式。需要说明的是，除非另有说明，否则“连接”意味着电连接。各图示出了用于说明本发明所必须的要素，并不一定示出实际的所有要素。当提到上下左右等方向时，以附图的记载为基准。
[实施方式1]
将参照图1至图6来说明实施方式1。图1所示的光电转换装置10A为光电转换装置10的一个例子。该光电转换装置10A具有入射切换部20A和光电转换元件30等。
入射切换部20A和光电转换元件30通过导线W1、W2连接。导线W1和W2中的一者连接到参考地线GND(ground GND)即可。参考地线GND为共通电位，并不一定是0[V]。接地后的参考地线GND变为0伏。如后所述，输出电压Vout和输出电流Iout是交流的，因而如图1所示，可以将导线W2连接到参考地GND，虽然未示出，但也可以将导线W1连接到参考地GND。
入射切换部20A为入射切换部20的一个例子。图2中由单点划线表示的入射切换部20A至少具有液晶快门23等。根据需要，入射切换部20A可以进一步具备由双点划线表示的放大器21和信号发生器22等。
放大器21将从光电转换元件30输出的电能放大并输出。当通过从光电转换元件30输出的电能无法直接驱动液晶快门23时，可以具备该放大器21。电能为电力，包括图4所示的输出电流Iout和图5所示的输出电压Vout等。除非另外指明，否则在本实施方式中，将输出电压Vout应用于电能。
只要放大器21可以放大电能并输出，则其可以任意地构造。图2所示的结构例为包含电容器C、电阻器R和运算放大器Q的反相放大器。为了防止振荡以进行相位补偿，电容器C与电阻器R并联连接以形成低通滤波器。通过将该并联连接的两端连接到运算放大器Q的负输入(也称为反相输入)和输出，从而进行负回报的反馈。运算放大器Q的正输入(也称为非反相输入)连接到参考地线GND，负输入连接到导线W1。在本实施方式中，将电容器C的静电容量定为100pF，将电阻器R的电阻值定为10MΩ。
基于放大后的输出电压Vout，信号发生器22产生用于切换液晶快门23的显示/不显示的切换信号并将其输出。当将从光电转换元件30输出的电能假定为电力信号时，在需要在电力信号之后通过设置时间延迟以产生切换信号从而继续进行自激振荡的情况下，入射切换部20A可以具备信号发生器22。该切换信号的形式可以任意地设定，例如相当于脉冲信号或数据信号等。显示/不显示的切换频率可以任意地设定，也可以适应于商用电源的频率(例如50Hz或60Hz等)。基于从信号发生器22输出的信号，液晶快门23使从外部入射至光电转换元件30的光透过/无法透过。
只要能够使来自外部的光透过/无法透过，则液晶快门23可以任意地构造。虽然省略了图示，但在本实施方式中，液晶快门23具有液晶面板、以及驱动该液晶面板的驱动电路等，其中该液晶面板不含光源但是包含偏振滤光片。若光透过液晶快门23，则成为光入射至光电转换元件30的入射状态。与此相对，若光无法透过液晶快门23，则成为光未入射至光电转换元件30的非入射状态。
发射光的光源是任意的，可以是太阳光等自然光，也可以是电灯等人造光。对于光而言，直接光或间接光均可，也不管光亮或亮度等随时间的变化。然而，将包括固定光并持续发出的光作为对象。对于光而言，只要能够入射到光电转换元件30并产生激发，则可以从任何方向入射。例如，图1中的箭头D1所示的入射方向仅是一个例子。只要能够在光电转换元件30中产生电动势，则光的波长是任意的。例如，可以是诸如太阳光之类的由多个波长构成的光，也可以是诸如激光或LED光之类的由单一波长构成的光。
如图3所示，光电转换元件30具有第1电极31、电荷分离层32、绝缘极化层33、第2电极34等。第1电极31及第2电极32相当于“一对电极”，可以由具有导电性的任意材料形成。不管功函数的差异如何，也不管是否为透明的。如理化学辞典第5版(岩波书店，1998年)中所记载的那样，功函数是指“将1个电子从物质(金属或半导体晶体等)表面导出至其外侧所需的最小能量”。当第1电极11的功函数与第2电极15的功函数之间存在差异时，电荷分离层32内的电荷分离会增加。第1绝缘体12和第2绝缘体14也有助于电荷分离。也就是说，将在电荷分离层32内产生的极化传递给第1电极11及第2电极，从而在两者中产生了过渡性的电位差，由此，与常规相比，电荷分离层32在受到光照射之后所输出的响应性(高的光-电流转换效率以及短的光-电流转换时间)可以进一步提高。
当通过电极激发电荷分离层32时，需要使电极为透明的。透明性导电材料对应于(例如)掺杂有锑或氟等的氧化锡(ATO、FTO)、氧化锡、氧化锌、氧化铟、氧化铟锡(ITO)、氧化铟锌(IZO)等导电性金属氧化物等。电极也可以是金、银、铬、镍等的金属薄膜。电极也可以是导电性金属氧化物或金属薄膜与导电性金属氧化物的混合物或层叠物。电极也可以是碘化铜或硫化铜等无机导电性物质。电极也可以是碳纳米管、聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯、聚乙烯二氧噻吩(PEDOT)等有机导电性材料。电极也可以是将金属、无机导电性物质及有机导电性材料中的一者以上与氧化铟锡(ITO)进行层叠而形成的层叠物。从高导电性及透明性等观点考虑，透明导电性金属氧化物是优选的。
电荷分离层32对应于“电荷分离部”。只要在光照射后分离出电荷的化合物，该电荷分离层32可以由任意材料形成为任意形状，而不管是否是半导体(包括p型和n型等类型)。也就是说，只要当光照射后分离出电荷时，正空穴或电子移动至第1电极31的材料即可。作为电荷分离层32在光照射后能够进行电荷分离的条件，可以包含有机化合物、无机化合物及金属配合物中的一种以上的材料。电荷分离层32的厚度可以从光照射后使电荷分离容易、确保所需电动势的观点来进行设定。这是因为，随着电荷分离层32变薄，电荷分离变得容易，但另一方面，电动势也变小。
作为电荷分离层32的材料的例子，可以为(例如)钙钛矿型晶体结构的化合物。具体而言，为由通式ABX3表示的3元系构成的化合物，诸如钛酸钡(BaTiO3)或碘化铅甲基铵(CH3NH3PbI3)等。A、B、X对应于金属离子、烷基、氨基等。通过组合这样的A离子和B离子从而形成钙钛矿结构，该A离子与B离子的原子价相加再取平均后为3价。在X为氧的氧化物的情况下，例如有A2+B4+O3、A1+B5+O3、A3+B3+O3等组合。
电荷分离层32可以是在入射光所包括的特定波长范围内具有吸收带的供体或受体、在特定波长范围内具有电荷转移吸收带的电荷转移配合物(供体与受体的分子间化合物)、或者该供体与受体的混合物等。也就是说，只要能够产生电荷分离即可，可以使用激发包括电荷转移吸收带在内的吸收带的供体和受体来形成。这里提到的供体是“电子供给性化合物”，其对应于容易供给电子的化合物，同样地，受体是“电子接受性化合物”，其对应于容易接受电子的化合物。
在特定波长范围为可见光的波长范围的情况下，电荷分离层32由在可见光波长范围内具有电荷转移吸收带的电荷转移配合物、或者其供体与受体的混合物形成。同样地，在特定波长范围为紫外光波长范围的情况下，电荷分离层32由在紫外光波长范围内具有吸收带的供体或受体、或者该供体与受体的混合物形成。
虽然供体与受体的组合相对地由作为组合对象的化合物的能级的能量水平来决定，但是可以应用任意的材料。例如，酞菁(M-Pc)对应作为供体，富勒烯化合物对应作为受体。配位于酞菁的中心部分的M可以应用H2、TiO、VO、Mn、Fe、Co、Zn、Sn、Pb、Li等。除了富勒烯C60以外，富勒烯化合物还对应于富勒烯C70、富勒烯C76、富勒烯C78、富勒烯C80、富勒烯C82、富勒烯C84、富勒烯C90、富勒烯C96、富勒烯C240、富勒烯C540、混合富勒烯、富勒烯纳米管等。
上述富勒烯化合物中可以包含附加有取代基的富勒烯衍生物。作为该取代基，可以应用任意的基团。例如，该取代基对应于卤素原子、烷基、烯基、炔基、芳基、杂环基、氰基、羟基、硝基、羧基、烷氧基、芳氧基、甲硅烷氧基、杂环氧基、酰氧基、氨基甲酰氧基、烷氧基羰基氧基、芳氧基羰基氧基、氨基、铵基、酰氨基、氨基羰基氨基、烷氧基羰基氨基、芳氧基羰基氨基、氨磺酰基氨基、烷基及芳基磺酰氨基、巯基、烷硫基、芳硫基、杂环硫基、氨磺酰基、磺基、烷基或芳基亚磺酰基、烷基或芳基磺酰基、酰基、芳氧基羰基、烷氧基羰基、氨基甲酰基、芳基、以及杂环偶氮基、酰亚胺基、膦基、氧膦基、氧膦基氧基、氧膦基氨基、膦酰基、甲硅烷基、肼基、脲基、硼酸基、磷酸根合基、硫酸根合基等。
除了上述供体与受体的混合物以外，电荷分离层32也可以由单组分物质形成。除了环状噻唑基自由基(BDTDA)以外，单组分物质还对应于(例如)N-乙基吩嗪基等。
在上述特定波长范围为红外光(优选近红外光)的波长范围的情况下，电荷分离层32由在红外光(或近红外光)具有电荷转移吸收带的电荷转移配合物、或者其供体与受体的混合物形成。供体与受体的组合只要满足上述条件可以应用任意物质。例如，对应于作为供体的四硫富瓦烯(TTF)与作为受体的氯醌(CA)的组合。另外，也对应于作为供体的环状噻唑化合物(NT)与作为受体的四氰基喹啉二甲烷(TCNQ)的组合。
绝缘极化层33对应于“绝缘极化部”。该绝缘极化层33可以由兼具绝缘性和蓄电性的任意材料(例如离子液体或固体绝缘体等)形成为任意形状。也就是说，绝缘极化层33促进了电荷分离层32中的电荷分离，并具有使分离后的电荷容易被第2电极34吸收的功能。绝缘极化层33的厚度可以从确保更大的静电容量、使极化变得容易的观点来设定即可。这是因为，随着绝缘极化层33变厚，静电容量减少，极化也减少，从而电动势变小。可以设定绝缘极化层33的静电容量，使得交流电流(后述的输出电流Iout)或交流电压(后述的输出电压Vout)成为目标值(最大值或振幅值等)。
绝缘极化层33可以由任意物质形成。例如，可以应用包含阳离子和阴离子作为主成分的离子液体。离子液体通常具有极低的蒸气压，并且具有难燃性或不燃性。离子液体有时也被称为常温熔融盐，熔点多在室温附近。本实施方式的离子液体在使用温度范围内为液体即可。
阳离子没有特别的限制。例如，可列举出含氮化合物阳离子、季鏻阳离子、锍阳离子等。作为含氮化合物阳离子，例如对应于：咪唑鎓阳离子、吡啶鎓阳离子等杂环芳香族阳离子；哌啶鎓阳离子、吡咯烷鎓阳离子、吡唑鎓阳离子、噻唑鎓阳离子、吗啉鎓阳离子等杂环脂肪族阳离子；季铵阳离子；或附加有氢的芳香族胺、脂肪族胺、脂环式胺的形式的阳离子等。
阴离子没有特别的限制。例如，该阴离子对应于：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]-等酰胺阴离子或酰亚胺阴离子；RSO3 -、RSO4 -、RfSO3 -、RfSO4 -等硫酸根阴离子或磺酸根阴离子；Rf2P(O)O-、PF6 -、Rf3PF3 -等磷酸根离子；SbF6等锑阴离子等。需要说明的是，R为“脂族族烃基或芳香族烃基”，Rf为“含氟卤代烃基”。此外，该阴离子也对应于：乳酸根离子、硝酸根离子、三氟乙酸根离子等各种阴离子。
离子液体可以由上述阳离子及阴离子中的各一种组合而成。离子液体也可以由其中一者或两者为上述阳离子及阴离子中的两种以上的阳离子及阴离子混合而成。
另外，作为离子液体，可以使用表现出凝胶或塑性结晶相(软粘性结晶相)的离子液体。塑性结晶也被称为软粘性结晶，其是表现出中间相状态的物质，该中间相状态在呈现结晶形态的同时也具有柔软性，并且，塑性结晶表现出相对高的离子传导性。当加热到高温时，塑性结晶像普通晶体一样地熔化。与离子几乎完全固定的结晶状态不同，塑性结晶具有这样的优点：在塑性结晶相中离子可以在一定程度上自由移动。在具有离子液体的不燃性不挥发性的特性的同时，还在室温下保持如同软质聚合物一样的形状，因此，在离子液体不会泄露的同时，还可以得到与离子液体相同的性能。
可以使用固体绝缘体以代替上述离子液体。固体绝缘体对应于(例如)聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚氟乙烯(PVF)、聚四氟乙烯(PTFE)、四氟乙烯-乙烯共聚物(ETFE)、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(FEP)、四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物(PFA)、聚氯-三氟乙烯(PCTFE)、氯三氟乙烯-乙烯共聚物(ECTFE)等的氟系塑料(氟树脂)等。需要说明的是，不限于这些物质，也可以形成电荷移动极其困难的空间(即真空或半真空空间)。
光电转换元件30的制造方法是任意的。例如，在图3所示的结构中，可以以从左侧的第1电极31向右侧的顺序进行制作，也可以以从右侧的第2电极34向左侧的顺序进行制作。电荷分离层32与绝缘极化层33也可以整体地作为有机层而一体成形。若第1电极31和第2电极34为有机材料，则电极也可以一并一体成形。电荷分离层32和绝缘极化层33可以分别成形，然后再彼此接触。
光电转换元件30的在第1电极31与电荷分离层21之间产生的电动势的变化(即上升或下降)优选是急剧变化的。入射切换部20中的入射状态与非入射状态的切换也优选为急剧切换的。急剧变化或急剧切换的时间尺度越快越好(即变化所需的时间越短越好)。作为自激振荡的条件，若比时间延迟更快(即时间更短)即可。
预定的时间延迟可以根据光的种类、电荷分离层32、绝缘极化层33及入射切换部20等各个构成而设定为适宜的数值。为了进行自激振荡，预定的时间延迟比上升时间或下降时间更长即可。也就是说，若满足切换时间≤时间延迟的关系即可。当电动势的自身变化就有时间延迟时，则没有必要特意地设定由外部电路引起的时间延迟。也就是说，预定的时间延迟对应于这样的时间延迟：伴随着光的入射，在电荷分离层32中进行电荷分离，电动势变大，并且载流子积累于绝缘极化层33中，然后入射切换部20切换为非入射状态的时间延迟。另外，预定的时间延迟对应于这样的时间延迟：光不再入射，累积于绝缘极化层33中的载流子进行放电，然后入射切换部20切换为入射状态的时间延迟。通过适当地设定预定的时间延迟，交流电流或交流电压从作为输出端子的第1电极31和第2电极34自激振荡并输出，并且能持续输出。
接着，对于光电转换装置10的操作例，参照图4至图6来进行说明。得到图4、图5所示特征线的光电转换元件30具有如下的构成。第1电极31使用了氧化铟(ITO/PEDOT：PSS)。电荷分离层32使用了具有钙钛矿晶体结构的碘化铅甲基铵(CH3NH3PbI3)。绝缘极化层33使用了作为离子液体之一的N,N-二乙基-N-甲基-N-(2-甲氧基乙基)铵-四氟硼酸盐(DEME-BF4)。第2电极34使用了铝(Al)。光从ITO一侧入射，ITO成为阴极。该构成仅仅是一个例子而已，即使将用于上述各要素的材料任意组合，也能够得到与后述结果相同的结果。
图4所示的输出电流Iout是通过在导线W1与导线W2之间连接电流计而测得的结果。上部所示的“LC”是液晶快门23的操作。图示“T”表示光透过的意思，即光透过液晶快门23而入射到光电转换元件30的入射状态；图示“NT”表示光无法透过的意思，即光无法透过液晶快门23而无法入射到光电转换元件30的非入射状态。为了更容易辨别，以阴影线表示无法透过。也就是说，光透过的时间段分别为从时刻t10至时刻t11、从时刻t12至时刻t13、从时刻t14至时刻t15。光无法透过的时间段分别为从时刻t11至时刻t12、从时刻t13至时刻t14。
当光入射时，输出电流Iout在正方向上变化，当光无法入射时，输出电流Iout在负方向上变化。也就是说，当光入射到电荷分离层32时，其发生能量激发并进行电荷分离，从而分离为正空穴和电子，在该过程中产生极化。该极化使绝缘极化层33极化。绝缘极化层33将该极化传导至导线W1和W2，使得在正方向上流动有输出电流Iout。当光无法入射到电荷分离层32时，极化被消除，因而在导线W1和W2中流动有方向与光入射时的方向相反(即负方向)的输出电流Iout。因此，输出电流Iout成为交流电流。需要说明的是，根据电荷分离层32的构成，振幅如箭头D2和D3所示地那样发生变化。
图5所示的输出电压Vout是通过在导线W1与导线W2之间连接电压计而测得的结果。上部所示的“LC”与图4中的相同。因此，光透过的时间段分别为从时刻t20至时刻t21、从时刻t22至时刻t23、从时刻t24至时刻t25。光无法透过的时间段分别为从时刻t21至时刻t22、从时刻t23至时刻t24。与图4的输出电流Iout同样地，输出电压Vout随着电荷分离和极化而发生变化，因而输出电压Vout成为交流电压。需要说明的是，根据电荷分离层32的构成，振幅如箭头D4和D5所示地那样发生变化。
需要说明的是，在图4和图5中示出了使光透过的透过期间与无法透过光的无法透过期间不同的例子。当然，也可以通过切换液晶快门23的显示/不显示以使得透过期间与无法透过期间变得相同。
图6示出了当以纵轴表示输出电流Iout并以横轴表示输出电压Vout时在改变交流频率的情况下的特性。当交流频率为400Hz时，如特性线L1那样地进行变化，当交流频率为50Hz时，如特性线L2那样地进行变化。如图中箭头D6所示，随着交流频率的增加，输出电流Iout变大。换句话说，当需要大电流时，增加频率即可。
若图2所示的液晶快门23基于从信号发生器22传来的信号而切换透过与无法透过，则输出1个周期的输出电流Iout和输出电压Vout。因此，为了得到图6所示的特征线L1的400Hz，可以使信号发生器22输出交替重复400次的透过与无法透过的信号。同样地，为了得到特性线L2的50Hz，可以使信号发生器22输出交替重复50次的透过与无法透过的信号。也就是说，通过适当地设定并控制信号发生器22所产生的信号，从而可以以目标频率输出输出电流Iout和输出电压Vout。
[实施方式2]
将参照图7至图9来说明实施方式2。需要说明的是，为了使附图及说明变得简单，除非另有说明，否则对于与实施方式1中所用的要素相同的要素赋予相同的符号并省略其说明。因此，将主要说明与实施方式1不同的方面。
图7至图9所示的光电转换装置10B是光电转换装置10的一个例子。该光电转换装置10B具有入射切换部20B和光电转换元件30等。光电转换装置10B与光电转换装置10A的不同之处在于：使用了入射切换部20B以代替入射切换部20A。
对应于“移动机构”的入射切换部20B具有放大器21、电动机26、不透明构件27等。另外，可以包括图9中所示的整流器24和逆变器25。
电动机26根据从放大器21输出的信号而使不透明构件27旋转。不透明构件27被固定到电动机26的旋转轴上以使得其在光源与光电转换元件30之间穿过。只要能够遮蔽光线，不透明构件27的任何形式(例如，材料、形状、数量等)都可以。不透明构件27的形状是任意的，只要其具有在随着旋转而光透过的入射状态与随着旋转而光无法透过的非入射状态之间交替切换的形状即可。旋转方向可以是箭头D7方向所示的向左旋转，也可以是未图示的向右旋转。图8示出了这样构成的例子：2个不透明构件27成形为中心角为90度的扇形。虽然未图示，但不透明构件27也可以形成为扇形以外的形状。中心角可以任意设定，只要能够确保光无法入射到电荷分离层32的非入射状态即可。
为了稳定地使电动机26旋转，可以设置整流器24，并且可以进一步设置逆变器25。整流器24可以包括能够输出恒定电压的元件(例如齐纳二极管等)或恒定电压电路，或者可以包括能够输出恒定电流的元件(例如恒定电流二极管等)或恒定电流电路。若电动机26是直流电动机，则可以通过整流器24对从光电转换元件30输出的交流电进行整流并将其转换为直流电，从而驱动。若电动机26是交流电动机，则可以通过整流器24对从光电转换元件30输出的交流电进行整流以转换为直流电，并进一步通过逆变器25将直流电转换为交流电，从而驱动。
对于图8的结构例中所示的不透明构件27，其每旋转一次就分别切换入射状态和非入射状态各两次，因而输出2个周期的输出电流Iout和输出电压Vout。因此，为了得到图6所示的特征线L1的400Hz，则可以以200rpm的转速进行旋转。同样地，为了得到特征线L2的50Hz，则可以以25rpm的转速进行旋转。也就是说，通过适当地设定并控制电动机26的旋转，从而可以以目标频率输出输出电流Iout和输出电压Vout。
(其他实施方式)
尽管以上已经根据实施方式1和2说明了用于实施本发明的实施方式，但是本发明不以任何方式局限于该实施方式。换言之，可以在不脱离本发明的主旨的范围内以各种形式实施本发明。例如，可以实施以下所示的各种实施方式。
对于上述实施方式2中的入射切换部20B的不透明构件27，其由成形为中心角90度的扇形的2个不透明构件27构成(参照图8)。作为该实施方式的替代，也可以由成形为具有90度以外的中心角的预定形状的多个不透明构件27构成。预定形状可以是扇形，也可以是诸如三角形、正方形等的几何形状。例如，对应于以60度中心角而成形的三个不透明构件27、或者以45度中心角而成形的四个不透明构件27等。随着个数的增加，电动机26的转数可以减少，因而可以抑制驱动电动机26所需的电力消耗。可以应用包括除了不透明构件27之外的使光透过/无法透过的部件的移动机构。在任何情况下，都可以获得与第二实施方式相同的作用和效果。
上述实施方式1的液晶快门23被配置成在整个面上进行入射状态与非入射状态的切换，另外实施方式2的不透明构件27具有成形为扇形的结构(参照图1、图8)。根据实施方式1和2的构成，波形如图4和5所示，是与正弦波(可以是余弦波，以下同样适用)不同的波形。作为该实施方式的替代，液晶快门23可以被配置为使得其进行显示控制以部分地切换对于电荷分离层32的入射状态与非入射状态，另外不透明构件27也可以被配置为部分地切换对于电荷分离层32的入射状态与非入射状态的形状。“部分地切换”指的是控制液晶快门23或设置具有特定形状的不透明构件27，以使光透过液晶快门23或不透明构件27而入射到电荷分离层32的透过率从0％依次增加到100％，或者相反地使透过率从100％依次减少到0％。若适当地进行控制或设定形状，可以使从作为输出端子的第1电极31及第2电极34输出的输出电流Iout或输出电压Vout成为图10所示的正弦波。虽然未图示，但是也可以进行控制或设定形状以使所输出的输出电流Iout或输出电压Vout成为正弦波以外的波形(例如矩形波、三角波、锯齿波等)。根据该构成，可以以目标波形将输出电流Iout或输出电压Vout输出，可得到与实施方式1和2同样的作用和效果。
在上述实施方式1和2中，光电转换元件30中所含的绝缘极化层33由一定容量形成的离子液体构成(参照图3)。作为该实施方式的替代，也可以为具有用于增减绝缘极化层33中所含的离子液体的容量的液体增减控制部的构成。也就是说，绝缘极化层33具有绝缘体容器、以及用于增减离子液体相对于该容器的容量的液体增减控制部。随着离子液体容量的增减，静电容量也增减。因此，通过控制容器中所含的离子液体的容量，可以将输出电流Iout和输出电压Vout控制为预定的目标值。
在上述实施方式1中，入射切换部20A的液晶快门23与光电转换元件30被分开配置(参见图3)。作为该实施方式的替代，通过共用液晶快门23的电极和光电转换元件30的电极，也可以为液晶快门23与光电转换元件30一体成形而得的构成。共用的电极处于相同的电位。因此，当液晶快门23的驱动电压与光电转换元件30的电动势不同时，优选将共用的电极设为参考地线GND。根据该构成，在成为一体化了的光电转换装置10从而能够实现小型化的同时，还可以得到与实施方式1相同的作用和效果。
[作用和效果]
根据上述实施方式1和2以及其他实施方式，可以得到以下所示的各效果。
(1)光电转换装置10(10A、10B)中具有：一对电极，由成为输出端子的第1电极31和第2电极34构成；电荷分离层32(电荷分离部)，其设置为与第1电极31接触、并且在光照射后进行电荷分离；绝缘极化层33(绝缘极化部)，其设置为被夹在电荷分离层32与第2电极34之间，并且将第1电极31和电荷分离层32绝缘并极化；入射切换部20(20A、20B)，其基于第1电极31与第2电极34之间流动的电流，从而交替地切换光入射至电荷分离层32的入射状态与光不入射至电荷分离层32的非入射状态，光电转换装置10(10A、10B)被构成为：通过经由电荷分离层32的电荷分离、经由绝缘极化层33的蓄电及放电、以及经由入射切换部20的入射状态与非入射状态的切换，使得光电转换装置10(10A、10B)进行自激振荡，从输出端子持续地输出交流电流或交流电压(参照图1、图7和图8)。根据该结构，在入射状态下电流从一侧的电极(例如，第1电极31)流向另一侧的电极(例如，第2电极34)，在非入射状态下电流从另一侧的电极流向一侧的电极。入射切换部20交替地切换入射状态与非入射状态。通过将这些组合，从而使光电转换装置10(10A、10B)进行自激振荡，从输出端子(即，第1电极31及第2电极34)持续地输出交流电流或交流电压。此外，入射切换部20基于在第1电极31与第2电极34之间流动的电流而交替地切换入射状态与非入射状态，因而能够使从输出端子输出的电能成为交流。
(2)设置成这样的结构：在电动势的变化、以及入射切换部中的入射状态和非入射状态的切换之间设置预定的时间延迟。根据该结构，能够可靠地进行自激振荡、并且从输出端子持续地输出交流电流或交流电压。
(3)设置成这样的结构：电荷分离部32包含在光照射后可进行电荷分离的有机化合物、无机化合物、金属配合物当中的至少一者。根据该结构，可以由能够可靠地进行发电的材料构成电荷分离部。
(4)设置成这样的结构：电荷分离部32包含具有电荷转移吸收带的供体及受体当中的一者或两者。根据该结构，能够由与入射光的波长范围对应的材料构成电荷分离层32。
(5)设置成这样的结构：电荷分离部32包含钙钛矿型晶体结构的化合物。根据该结构，能够低成本且高效率地进行发电，并且能够提高输出电流Iout(交流电流)或输出电压Vout(交流电压)。
(6)设置成这样的结构：绝缘极化层33为包含阳离子和阴离子作为主成分的离子液体。根据该结构，在与电荷分离层32的界面处形成双电层，从而促进了载流子的生成，可得到大的发电容量。
(7)设置成这样的结构：离子液体显示出塑性结晶相。根据该结构，可以确保离子液体中所含的离子的自由移动，可以防止离子液体从光电转换元件30泄露至外部。
(8)设置成这样的结构：入射切换部20为：至少覆盖光电转换元件30(即电荷分离层32)从而能够随时间地交替变换光的透过与遮挡的液晶快门23；或者以通过光源与光电转换元件30之间的方式使不透明构件27移动从而能够交替地变换光的透过与遮挡的移动机构(参照图1、图7和图8)。根据该结构，通过可靠地交替切换入射状态与非入射状态，从而能够可靠地使从输出端子(第1电极31及第2电极34)输出的电能变得持续。
工业实用性
根据本发明，可以提供能够进行自激振荡以将光能持续地转换为交流电能的光电转换装置。
符号说明
10 (10A、10B)光电转换装置
20 (20A、20B)入射切换部
21 放大器
22 信号发生器
23 液晶快门
24 整流器
25 逆变器
26 电动机
27 不透明构件
30 光电转换元件
31 第1电极(输出端子)
32 电荷分离层(电荷分离部)
33 绝缘极化层(绝缘极化部)
34 第2电极(输出端子)

Claims (8)

1.一种将光能转换成电能而输出的光电转换装置，具有：
一对电极，包括成为输出端子的第1电极和第2电极；
电荷分离部，其设置为与所述第1电极接触，并且在光照射后进行电荷分离；
绝缘极化部，其设置为被夹在所述电荷分离部与所述第2电极之间，并且将所述第1电极与所述电荷分离部绝缘并极化；
入射切换部，其基于所述第1电极与所述第2电极之间产生的电动势，从而使光入射至所述电荷分离部的入射状态和光不入射至所述电荷分离部的非入射状态交替地切换，
其特征在于，
通过经由所述电荷分离部的电荷分离、经由所述绝缘极化部的蓄电及放电、以及经由所述入射切换部的所述入射状态和所述非入射状态的切换，使得所述光电转换装置进行自激振荡，从所述输出端子持续地输出交流电流或交流电压。
2.根据权利要求1所述的光电转换装置，其中，在所述电动势的变化、以及所述入射切换部中的所述入射状态和所述非入射状态的切换之间设置预定的时间延迟。
3.根据权利要求1或2所述的光电转换装置，其中，所述电荷分离部包含在光照射后能够进行电荷分离的有机化合物、无机化合物、金属配合物当中的至少一者。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光电转换装置，其中，所述电荷分离部包含具有电荷转移吸收带的供体及受体当中的一者或两者。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光电转换装置，其中，所述电荷分离部包含钙钛矿型晶体结构的化合物。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光电转换装置，其中，所述绝缘极化部为包含阳离子和阴离子作为主成分的离子液体。
7.根据权利要求6所述的光电转换装置，其中，所述离子液体显示出塑性结晶相。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的光电转换装置，其中，所述入射切换部为：至少覆盖所述电荷分离部从而能够随时间地交替变换光的透过和遮挡的液晶快门；或者以通过光源与所述电荷分离部之间的方式使不透明构件移动从而能够交替地变换光的透过和遮挡的移动机构。
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