CN109690800A - 光伏装置 - Google Patents

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Abstract

一种光伏装置，具备：有机半导体(10)，其包括产生激子的光活性区域(11)；以及无机半导体(20)，其包括将激子所包含的载流子解离出的解离区域(21)，具有压电性，其中，在光活性区域(11)与解离区域(21)之间，能级的关系满足下述式(1)和下述式(2)中的至少任一方。

Description

光伏装置
技术领域
本发明涉及一种光伏装置。
背景技术
已知如下的光伏装置：将作为无机半导体的ZnO纳米棒形成为柱状的构造体，设置在作为有机半导体的P3HT内(非专利文献1)。
非专利文献1：Journal of Material Chemistry，“Nanostructured metaloxide/conjugated polymer hybrid solar cells by low temperature solutionprocesses”，17，p.4571(2008)
发明内容
发明要解决的问题
然而，在上述以往的光伏装置中存在以下问题：在施主/受主的界面，激子的解离效率低，因此转换效率低。
本发明要解决的课题在于提供一种提高转换效率的光伏装置。
用于解决问题的方案
本发明通过以下的光伏装置来解决上述课题：该光伏装置具备：有机半导体，其包括光活性区域；以及无机半导体，其包括解离区域，具有压电性，其中，在光活性区域与激子解离区域之间，能级的关系满足下述式(1)和下述式(2)中的至少任一方。
[数1]
ELUMO＞EC (1)
EHOMO＜EV (2)
发明的效果
根据本发明，起到能够提供提高了转换效率的光伏装置的效果。
附图说明
图1是本实施方式所涉及的光伏装置的截面图。
图2示出沿着图1的II-II线的截面处的能量图。
图3A是比较例1所涉及的有机薄膜太阳能电池的截面图。
图3B是比较例1所涉及的有机薄膜太阳能电池的能量图。
图4示出比较例2所涉及的半导体装置的能量图。
图5是发明的另一实施方式所涉及的光伏装置的截面图。
图6示出沿着图5的VI-VI线的截面处的能量图。
图7是示出了载流子分布的能量依赖性和费米能级以后的相同分布的累积频率的关系的图表。
图8是变形例所涉及的光伏装置的截面图。
图9是变形例所涉及的光伏装置的截面图。
图10是发明的另一实施方式所涉及的光伏装置的截面图。
图11是发明的另一实施方式所涉及的光伏装置的截面图。
图12示出沿着图11的XII-XII线的截面处的能量图。
图13是发明的另一实施方式所涉及的光伏装置的截面图。
图14示出沿着图13的XIV-XIV线的截面处的能量图。
图15示出发明的另一实施方式所涉及的光伏装置的能量图。
图16示出发明的另一实施方式所涉及的光伏装置的能量图。
图17是沿着图16的XVII-XVII线的截面处的能量图。
图18是发明的另一实施方式所涉及的光伏装置的截面图。
图19是发明的另一实施方式所涉及的光伏装置的截面图。
图20是变形例所涉及的光伏装置的截面图。
图21是变形例所涉及的光伏装置的截面图。
具体实施方式
下面，基于附图来说明本发明的实施方式。
《第一实施方式》
本实施方式所涉及的光伏装置是将有机半导体与无机半导体进行组合而成的混合动力构造的太阳能电池。本实施方式所涉及的光伏装置应用于要求兼顾高转换效率和低成本的装置、例如汽车等。例如，在将太阳能电池用于汽车的情况下，想到将太阳能电池设置于汽车的车身。在对一般的轿车设定太阳能电池的情况下，太阳能电池的可设置面积为5m2左右。因此，为了将太阳能电池的电动势用作车辆的驱动力，要求一种高效率的太阳能电池。
此前也开发了如下面列出的那样的很多太阳能电池。例如，人工卫星所利用的太阳能电池是由GaAs等III-V族半导体的单晶体构成的具有串联型(多结型)的电池。该太阳能电池的能量转换效率超过30％，能够实现高效率。然而，存在成本非常高的问题。另外，作为其它高效率的太阳能电池，主要由晶体硅(Si)、CIS(Cu-In-Se：铜-铟-硒)等形成的太阳能电池出售给家庭使用。该太阳能电池的转换效率最高为20％左右。然而，成本依然高。
作为廉价的太阳能电池，存在非晶硅薄膜太阳能电池、有机薄膜太阳能电池。非晶硅太阳能电池与晶体硅相比光吸收系数高。非晶硅太阳能电池能够以厚度为100nm左右的薄膜形成在玻璃基板等不具有结晶性的基板上。不具有结晶性的基板较为廉价，因此能够抑制太阳能电池整体的成本。有机薄膜太阳能电池由于作为材料的有机半导体廉价，不使用高真空就能够通过涂布工艺等制作，因此能够抑制成本。然而，研究和开发的阶段中的转换效率为10％左右，尚且需要进一步改进，为了实现作为太阳能电池路线图而提出的7日元/kWh，要解决的问题还很多。
太阳能电池由于在发电时不排出二氧化碳、且能够在电力消耗地进行分散型发电，因此应用于一般家庭、建筑物、人工卫星以及各种电器。而且，各种太阳能电池所要求的性能根据其应用领域而不同。
例如在面向人工卫星的情况下要求极高的转换效率，但另一方面即使比较昂贵也有需求，因此能够使用如上所述的由GaAs等III-V族半导体的单晶体构成的太阳能电池。
例如，在面向家庭的晶体硅和CIS等、还有期待设置于建筑物的窗等的有机薄膜太阳能电池的情况下，由于能够确保数十m2以上的大设置面积并能够将电力出售给电力公司，因此即使是10％～20％左右的转换效率以及当前的价格也有需求。非晶硅薄膜太阳能电池虽然输出小，但是由于其低成本性，因此在计算器、手表等消耗电力少的电器中有需求。
如上所述，如果是重视转换效率和成本中的某一方的要求，则能够应用如上所述的以往的太阳能电池。然而，对于汽车领域等希望兼顾高转换效率和低成本这样的要求，很难说以往的太阳能电池能够满足要求。本实施方式所涉及的光伏装置作为兼顾了高转换效率和低成本的太阳能电池，具有如以下那样的结构。
图1是本实施方式所涉及的光伏装置的截面图。图2示出沿着图1的II-II线的截面处的能量图。图2的横轴(X)表示与图1的x轴相同的位置，纵轴(E)表示能量的大小。
光伏装置具备有机半导体10、无机半导体20、阳极电极30以及阴极电极40。有机半导体10由有机材料形成，具有光活性区域11。有机半导体10形成为沿着阳极电极30的电极面和阴极电极40的电极面的层状。光活性区域11是利用来自半导体元件的外部的光来产生激子的区域。
形成光活性区域的材料、即有机半导体所包含的有机材料包括从P3HT、P3OT、P3DDT、PTAA、MEH-PPV、MDMO-PPV、F8BT、F8T2、POT-co-DOT、p-DTS(FBTTh2)2、DR3TSBDT、Pd(PPh)4、苯并卟啉、四苯并卟啉、酞菁、并四苯、蒽、三亚苯、芘、屈、苯并蒽、苝、晕苯、六苯并蔻、PDI、PDITh、PC60BM、PC61BM、PC70BM、PC71BM、PC84BM、Bis-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、以及它们的衍生物中选择的至少一种。此外，衍生物还包括在分子骨架中包含上述列举的物质的衍生化合物。
无机半导体20由无机材料形成，具有解离区域21。另外，无机半导体20具有压电性。即，无机半导体20是无机压电体。无机半导体20在有机半导体10内形成为柱状。无机半导体20所包括的解离区域21从阴极电极40的电极面朝向阳极电极30延伸，并且形成为柱状。解离区域21的顶端部(在延伸方向(y方向)上看时，位于与阴极电极相反的一侧的顶端部分)不与阳极电极30连接，而是被有机材料覆盖。另一方面，解离区域21的位于与被有机材料覆盖的顶端部相反的一侧的端部与阴极电极40直接连接。解离区域21设置有多个。解离区域21是将在光活性区域产生的激子所包含的载流子解离出的区域。
形成解离区域的材料、即无机半导体20所包含的无机材料包括从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、和ZnTe、以及它们的衍生物中选择的至少一种。
阳极电极30是从外部将太阳能电池视作电源时的正极，形成于有机半导体10的表面(上表面)。阴极电极40是负极，形成于有机半导体10的背面(下表面)。
接着，使用图2来说明光活性区域11与解离区域21之间的界面60处的能级的关系。在图2的例子中，光活性区域11是施主(p型)，解离区域21是受主(n型)。由于光活性区域11吸收光而产生激子50，激子50的一部分扩散到光活性区域11与解离区域21之间的界面60。
当将光活性区域11的LUMO能级设为ELUMO、将光活性区域11的HOMO能级设为EHOMO、将解离区域21的导带底的能级设为EC、将解离区域21的价带顶的能级设为EV时，各个能级的能量关系表示为下述式(1)和式(2)。
[数2]
ELUMO＞EC (1)
[数3]
EHOMO＞＞EV (2)
此外，一般来说利用固体物理学的带(band)的概念来说明无机半导体的能量，使用导带底(下面，简单地记载为“导带”或“EC”(E-Conduction Band的含义))和价带顶(下面，简单地记载为“价带”或“EV”(E-Valence Band的含义))、费米能级(“EF”)来说明无机半导体的能量。与此相对，一般来说利用前线轨道理论的概念来说明有机半导体的能量，使用LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital：最低未占轨道。下面也记载为ELUMO)、HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital：最高占据轨道。下面也记载为EHOMO)等来说明有机半导体的能量。
如上述式(1)所示，光活性区域11的LUMO能级(ELUMO)比解离区域21的导带底的能级(EC)高。因此，激子50所包含的载流子中的仅电子51移动到解离区域21。光活性区域11的HOMO能级(EHOMO)比解离区域21的价带顶的能级(EV)高。对于空穴52形成能量势垒，因此空穴52不移动到解离区域21。当电子51向解离区域21移动时，电子51在界面60成为与电荷转移络合物相同的状态。
如上所述，解离区域21由无机压电体形成。因此，由于解离区域21中包括的晶体内的压电效应(Piezo effect)，在解离区域21产生电场。由于因材料之间的热膨胀的不同或者晶格常数的不同等引起的应变应力而产生电场。或者，半导体由于接受光而被加热，通过基于热能量的应力而产生电场。
电子51在远离界面60的方向上受力。如图2所示，解离区域21的导带底的能级朝向远离界面60的方向平滑地下降。换言之，解离区域21的导带底的能级是以界面60处的能级(EC)为最大能量并逐渐变低。特别是，无机压电体的介电常数高，因此能够通过电场来降低作用于电子与空穴之间的束缚力。因此，能够高效地进行激子的解离。
即，电场被施加于作为施主的有机半导体10与作为受主的无机半导体20之间以促进激子解离。并且，电子能够向无机半导体20移动，由于电场，价带底的能级(EC)以规定的斜率倾斜(能级(EC)不是水平的)。因此，能够提高激子的解离效率。
将有机半导体与无机半导体进行比较，来说明因介电常数引起的束缚力的不同。
有机半导体的相对介电常数是非常低的值，例如P3HT的相对介电常数为4.4，PCBM的相对介电常数为3.9。另一方面，无机半导体的相对介电常数高，硅的相对介电常数为11.8、GaAs的相对介电常数为12.8。在此，因库仑力而产生的引力作用于具有负电荷的电子与具有正电荷的空穴之间。库仑力表示为下述式(3)。
[数4]
其中，F表示库仑力，εr表示相对介电常数，ε0表示真空的介电常数，q1表示电荷(例如电子)的电荷量，q2表示电荷(例如空穴)的电荷量，r表示电子-空穴间距离。
根据上述式3，为了提高激子的解离效率，相比于有机半导体，介电常数高的无机半导体更好。因此，使本实施方式所涉及的光伏装置为如下的构造：将解离区域21设置于无机半导体20，并且为了进一步提高解离效率，在解离区域21产生电场。
即，本实施方式所涉及的光伏装置通过在光吸收系数高的有机半导体10设置光扩散区域11，来产生大量的激发。另外，设为如下的结构：使在光活性区域产生的激子在界面60扩散，并在有机半导体10与无机半导体20之间取得规定的能量匹配关系，以使激子所包含的载流子越过界面地移动。
在此，详细叙述用于太阳能电池时的有机半导体的材料特性和无机半导体的材料特性。
图3A示出了比较例1所涉及的有机薄膜太阳能电池的截面图。比较例1所涉及的有机薄膜太阳能电池具备透明基板101、透明导电膜102、缓冲层103、光活性区域104、缓冲层105以及阴极电极106。
透明基板101是玻璃等的基板。透明导电膜102是阳极电极。缓冲层103是选择性地仅使空穴能够通过的层。光活性区域104由有机半导体形成。缓冲层105是选择性地仅使电子能够通过的层。而且，在透明基板101上依次层叠透明导电膜102、缓冲层103、光活性区域104、缓冲层105以及阴极电极106。光从透明基板101入射。在此为了简单化，作为例子，方便地将光活性区域内的施主-受主界面107(pn界面)表现为直线，表现成如同平面型构造。
入射的光在光活性区域104被吸收，激发出电子，由此产生激子108。激子108通过扩散而部分地到达施主-受主界面107，成为电荷转移络合物。之后，激子被解离为电子51和空穴110，电子51到达阴极电极106，空穴110到达作为阳极电极的透明导电膜102，由此作为电力被输出到外部。
图3B表示比较例1所涉及的有机薄膜太阳能电池的能量图。图3B的横轴(X)表示比较例1所涉及的有机薄膜太阳能电池的深度方向(x方向)的位置，纵轴(Y)表示对于电子而言的能量的大小。此外，对于具有与电子相反的电荷的空穴而言，纵轴的负方向为高能量。
光入射到光活性区域104，施主HOMO能级113的电子被激发为LUMO能级112，由此，作为电子51的缺损，空穴110形成为HOMO能级113，从而产生作为电子-空穴对的激子108。当一部分激子到达pn界面107时，由于HOMO能级113与LUMO112能级的能量关系，仅电子51能够从施主116移动到受主117，空穴109留在施主116，从而形成电荷转移络合物的状态。在此，由于pn间的能量差，激子108被解离为电子51和空穴110，分别移动到阴极电极106和透明导电膜(阳极电极)102。
有机半导体一般来说为聚合物(polymer)或单体(monomer)的状态，聚合物虽然尺寸比较大而电子能够比较容易地移动到其中，但是与无机半导体相比其尺寸小。在有机半导体中，电子为了穿过光活性区域，必须通过借助热能量的跳跃传导来在聚合物间移动。而且，由于有机半导体的载流子扩散的主体是跳跃传导，因此有机半导体的扩散长度短。因此，如图3B所示，从激子108解离而生成的载流子(电子和空穴)在到达阴极电极106和透明导电膜(阳极电极)102之前重新结合，激子和通过激子解离而产生的载流子在作为电力被取出之前弛豫为原来的能级。因此，比较例1所涉及的有机薄膜太阳能电池的转换效率变低。另外，有机半导体的扩散长度短，难以取出载流子，因此难以使有机半导体的光活性区域为100nm左右以上。
作为对就有机半导体的特性而言扩散长度短这一点进行改善的太阳能电池，已知非专利文献1中公开的太阳能电池(下面称为比较例2所涉及的半导体装置)。比较例2所涉及的太阳能电池由使柱状或树状的无机半导体穿入有机半导体而成的构造构成。
无机半导体一般来说为晶体状态或非晶质的状态，但是相邻的原子之间为进行了共价键结合等化学键结合的状态，原子间的电子、空穴能够比较容易地移动。载流子的迁移率表示为下述式(4)。
[数5]
其中，L表示扩散长度，D表示扩散系数，τ表示载流子寿命，kB表示玻尔兹曼常数，T表示绝对温度，q表示基元电荷，μ表示迁移率。
因此，载流子的迁移率高，如式(4)所示，在无机半导体中，具有载流子的扩散长度长的特征。另一方面，无机半导体与有机半导体相比存在光吸收系数(吸光度)低的问题。
比较例2所涉及的半导体装置为用于将如上所述的有机半导体的特性和无机半导体的特性一起使用的构造。图4示出比较例2所涉及的半导体装置的能量图。
如图4所示，比较例2所涉及的半导体装置在设置于有机半导体的光活性区域201与设置于无机半导体的解离区域之间具备界面203。而且，光活性区域201的LUMO能级(ELUMO)比解离区域22的导带底的能级(EC)高。
光入射到光活性区域201，产生激子。当激子204到达界面203的附近时，电子205从施主处移动到受主处，空穴206留在施主处。由此，激子204在界面附近发生解离。
如图4所示，在比较例2中，不是如本申请发明那样对解离区域施加电场的结构，因此解离区域202的导带底的能级是水平的。因此，解离效率低。另外，界面60的附近的电子难以移动至电极。即，在比较例中，不存在使电子-空穴对分离的电场。另外，即使激子204因界面203附近的能量差而暂时解离，也不会变为进一步促进该解离的能级。因此，比较例2所涉及的半导体装置也存在转换效率低的问题。
如上所述，本实施方式所涉及的光伏装置具备：有机半导体10，其包括光活性区域11；以及无机半导体20，其包括解离区域21，具有压电性。而且，在光活性区域11与解离区域21之间，能级的关系满足上述式(1)。由此，通过在具有高吸光度的光活性区域进行光吸收，能够高效地执行光吸收和激子生成。能够使激子所包含的电子移动到解离区域，来实现介电常数高(电子-空穴间的束缚力弱)的状态。另外，能够利用在解离区域21产生的电场来提高激子解离的效率。作为其结果，能够提高转换效率。
此外，在本实施方式中，也可以使光活性区域11的HOMO能级(EHOMO)比解离区域21的价带顶的能级(EV)低，来代替使光活性区域11的LUMO能级(ELUMO)比解离区域21的导带底的能级(EC)高。即，也可以将有机半导体10和无机半导体20构成为能级(ELUMO、EHOMO、EC、EV)的能量关系满足下述式(5)和式(6)。
[数6]
ELUMO＜＜EC (5)
[数7]
EHOMO＜EV (6)
如上述式(6)所示，光活性区域11的HOMO能级(EHOMO)比解离区域21的价带顶的能级(EV)高。因此，激子50所包含的载流子中的仅空穴52移动到解离区域21。光活性区域11的LUMO能级(ELUMO)比解离区域21的导带底的能级(EC)高。对于电子51形成能量势垒，因此电子51不移动到解离区域21。而且，利用在解离区域21产生的电场，空穴52在远离界面60的方向上受力。由此，能够在提高激子解离的效率的同时，提高转换效率。
另外，在本实施方式中，解离区域21被形成有机半导体10的有机材料包围，解离区域21的一部分与阴极电极40直接连接。由此，载流子是从扩散长度长的无机半导体取出的，因此能够高效地取出载流子。另外，能够使受扩散长度所限制的光活性区域11的膜厚变厚至解离区域21的扩散长度左右。
此外，在本实施方式中，无机半导体20也可以除了包括解离区域21以外还包括光活性区域11。入射到有机半导体10的光中的一部分光通过有机半导体10。无机半导体20具有光活性区域11的功能，由此能够将通过有机半导体10后的光利用于发电。由此，能够提高转换效率。
此外，关于能级的条件，式(1)所示的条件是针对电子的行为的条件式。在从电子的能级来看的情况下，式(1)示出了解离区域21相对于光活性区域11的能级的关系为低能量。另外，式(6)所示的条件是针对空穴的行为的条件式。在从空穴的能级来看的情况下，式(6)示出了解离区域21相对于光活性区域11的能级的关系为低能量。即，关于图2所示的图表的纵轴，若是对于电子而言的能量，则E轴的正方向表示高能量侧，若是对于空穴而言的能量，则E轴的负方向表示高能量侧。
《第二实施方式》
图5是发明的另一实施方式所涉及的光伏装置的截面图。在本例中，相对于上述的第一实施方式，解离区域21、22的结构和能级的关系不同。除此以外的结构与上述的第一实施方式相同，引用相应的记载。
本实施方式所涉及的光伏装置具备有机半导体10、无机半导体20、阳极电极30以及阴极电极40。
无机半导体20具有多个解离区域21和多个解离区域22。解离区域21、22在有机半导体10内形成为柱状。解离区域21、22的形状为针状(纳米丝)、柱状(纳米棒)或者圆形(纳米粒子)等。
解离区域21从阴极电极40的电极面朝向阳极电极30延伸，形成为柱状。解离区域21的顶端部(在从延伸方向看时，位于与阴极电极40相反的一侧的顶端部分)不与阳极电极30连接，而是被有机材料覆盖。另一方面，解离区域21的位于与被有机材料覆盖的顶端部相反的一侧的端部与阴极电极40直接连接。解离区域21是仅电子能够通过的区域。
解离区域22从阳极电极30的电极面朝向阴极电极40延伸，形成为柱状。解离区域22的顶端部(在从延伸方向(y方向)看时，位于与阳极电极30相反的一侧的顶端部分)不与阴极电极40连接，而是被有机材料覆盖。另一方面，解离区域22的位于与被有机材料覆盖的顶端部相反的一侧的端部与阳极电极30直接连接。解离区域22是仅空穴能够通过的区域。
解离区域21、22构成为朝向各个电极连续的形状。另外，解离区域21、22构成为：沿着各电极的连接面的方向与延伸方向之间的角度为60°以内。在解离区域21、22中包括的无机材料不连续的情况下，载流子必须通过跳跃传导来穿过有机半导体，因此扩散长度会变短。在本实施方式中，解离区域21、22为连续的形状，因此能够使扩散长度长。
多个解离区域21和多个解离区域22在相对于各区域的延伸方向垂直的方向(沿着阳极电极30和阴极电极40的电极面的方向：x方向)上交替地并排配置。此外，也可以是，解离区域21和多个解离区域22未必以1个区域为单位交替地配置。解离区域的排列顺序例如也可以是在2个区域21之间配置3个解离区域22。另外，也可以是，解离区域21和多个解离区域22未必以对齐排列的状态配置。
使用图6来说明光活性区域11与解离区域21、22之间的界面61、62处的能级的关系。图6示出沿着图5的VI-VI线的截面处的能量图。图6的横轴(X)表示与图5的x轴相同的位置，纵轴(E)表示能量的大小。
说明光活性区域11与解离区域21之间的界面61处的能级的关系。当将光活性区域11的LUMO能级设为ELUMO、将光活性区域11的HOMO能级设为EHOMO、将解离区域21的导带底的能级设为EC1、将解离区域21的价带顶的能级设为EV1时，各个能级的能量关系满足下述式(7)和式(8)。
[数8]
ELUMO-EC1≤0.3[eV] (7)
[数9]
EHOMO-EV1≥0.3[eV] (8)
说明光活性区域11与解离区域22之间的界面61处的能级的关系。当将解离区域22的导带底的能级设为EC2、将解离区域22的价带顶的能级设为EV2时，各个能级的能量关系表示为下述式(9)和式(10)。
[数10]
EC2-ELUMO≥0.3[eV] (9)
EV2-EHOMO≤0.3[eV] (10)
界面61和界面62是作为异种材料的结的异质结的界面，因此LUMO与导带之间、或者价带与HOMO之间产生能量差。在太阳能电池中，界面61、62处的能量差成为电压损耗的原因，因此使能量差小。另一方面，在能量差小的情况下，存在以下担忧：一部分载流子反流到不期望的方向，引起转换效率的下降。即，为了在确保正方向的流动的同时防止载流子的反流，最好使能量差为规定范围或为规定值以下，该正方向为想要使载流子流动的方向。
使用图7来说明能量差的优选范围。图7是示出了载流子分布的能量依赖性和费米能级以后的相同分布的累积频率的关系的图表。在设为相比于费米能级而言高能量侧的150℃(423.15K)的条件下，根据费米＝狄拉克分布函数和状态密度来计算载流子分布的能量依赖性。
无论是有机材料、无机材料，除了发生超导这样的特别情况以外，针对物体内的电子的能量的频率分布都遵循费米＝狄拉克分布。示出了以下情况：在相对于费米能级的0.218eV处累积频率为99.9％，99.9％以上的载流子存在于与费米能级相差0.218eV以内。
例如在费米能级上0.05eV处累积频率为约50％。示出了以下情况：激子的解离区域的费米能级存在于EC附近(假设为EC下0eV的位置)，在光活性区域的ELUMO与解离区域的EC之差ELUMO-EC＝0.05eV的情况下，一半的载流子可能反流。在实际的物质中，即使是p型半导体，费米能级也存在于EC下0.03eV～0.5eV左右的位置，因此即使ELUMO-EC＝0.05eV，累积频率也为约73％(图7中ELUMO-EC＝0.08eV处的值)以上，是能够应用于实际的水平。
即，为了使由于ELUMO与EC的能量差而产生的电压损耗充分降低，ELUMo-EC为0.05eV～0.3eV是最佳的。
在太阳能电池中，通过从彼此不同的电极(阳极和阴极)取出所生成的电子和空穴，能够作为电力取出到外部，但是载流子的反流成为太阳能电池转换效率下降的原因。如图7所示，如利用费米＝狄拉克分布函数说明的那样，即使在150℃下，电子、空穴的约99.9％以上也分布在与费米能级相差0.218eV以内。因此，能够通过在同阴极电极40连接的解离区域21的价带EV1与光活性区域EHOMO之间形成0.2eV以上、优选0.3eV以上的势垒来防止空穴的反流。另外，关于电子也同样地，能够通过在同阳极电极30连接的解离区域22的导带EC1与光活性区域ELUMO之间形成0.2eV以上、优选0.3eV以上的势垒来防止电子的反流。
如上所述，在本实施方式中，在光活性区域11与解离区域21、22之间，能级的关系满足下述式(11)和下述式(12)。
[数11]
ELUMO＞EC1 (11)
[数12]
EHOMO＜EV1 (12)
由此，通过在具有高吸光度的光活性区域中进行光吸收，能够高效地执行光吸收和激子生成。能够使激子所包含的电子移动到解离区域21、使激子所包含的空穴移动到解离区域22，来实现介电常数高(电子-空穴间的束缚力弱)的状态。另外，能够利用在解离区域21、22产生的电场来提高激子解离的效率。作为其结果，能够提高转换效率。
另外，在本实施方式中，界面61处的能级的关系满足上述式(7)。由此，在界面61，能够在防止电子的反流的同时降低电压损耗。
另外，在本实施方式中，界面62处的能级的关系满足上述式(10)。由此，在界面62，能够在防止空穴的反流的同时降低电压损耗。
另外，在本实施方式中，界面61处的能级的关系满足上述式(8)。由此，在界面61，能够在防止空穴的反流的同时降低电压损耗。
另外，在本实施方式中，界面62处的能级的关系满足上述式(9)。由此，在界面62，能够在防止电子的反流的同时降低电压损耗。
另外，在本实施方式中，包括使载流子中的电子通过的解离区域21以及使载流子中的空穴通过的解离区域22，解离区域21、22被形成有机半导体10的有机材料包围，解离区域21的一部分与电极40直接连接，解离区域22的一部分与电极30直接连接。由此，电子和空穴通过扩散长度长的区域，因此能够高效地取出载流子。
此外，作为本实施方式的变形例，光伏装置也可以具备解离区域21和解离区域22中的仅某一方的区域。图8是具有解离区域21的光伏装置的截面图，图9是具有解离区域22的光伏装置的截面图。
如图8所示，解离区域21的顶端部不与阳极电极30连接，而是被有机材料覆盖。另一方面，解离区域21的位于与被有机材料覆盖的顶端部相反的一侧的端部与阴极电极40直接连接。
如图9所示，解离区域22的顶端部不与阴极电极40连接，而是被有机材料覆盖。另一方面，解离区域22的位于与被有机材料覆盖的顶端部相反的一侧的端部与阳极电极30直接连接。
在变形例所涉及的本实施方式中，载流子是从扩散长度长的无机半导体取出的，因此能够高效地取出载流子。另外，能够使受扩散长度所限制的光活性区域11的膜厚变厚至解离区域21的扩散长度左右。
《第三实施方式》
图10是发明的另一实施方式所涉及的光伏装置的截面图。在本例中，相对于上述的第一实施方式，多个解离区域21的间隔的长度不同。除此以外的结构与上述的第一实施方式相同，引用相应的记载。
如图10所示，解离区域21а在x方向上隔着有机半导体10地与解离区域21b相向。相向面21A和相向面21B被配置成隔开间隔D地彼此面对面。相向面21A是解离区域21а的与解离区域21b相向的面。相向面21B是解离区域21b的与解离区域21а相向的面。相向面21A、21B是解离区域21а、21b的沿着延伸方向(y方向)的面。而且，间隔D为激子的扩散长度的2倍以内。
有机半导体的扩散长度在很多材料中为数nm至20nm左右。有机半导体10中生成的激子在左右扩散与扩散长度相应的长度。也就是说，在扩散长度的2倍以内的间隔不存在施主-受主界面(pn界面)的情况下，激子的电子与空穴重新结合，成为能量损耗。
在本实施方式中，以使间隔D为激子扩散长度的2倍以内的方式配置解离区域21а、21b。由此，能够在抑制激子的重新结合的同时、提高激子的解离的效率性。
《第四实施方式》
图11是发明的另一实施方式所涉及的光伏装置的截面图。图12示出沿着图11的XII-XII线的截面处的能量图。图12的横轴(X)表示与图11的x轴相同的位置，纵轴(E)表示能量的大小。在本例中，相对于上述的第一实施方式，光活性区域11的结构不同。除此以外的结构与上述的第一实施方式相同，适当引用第一实施方式～第三实施方式的记载。
在本实施方式所涉及的光伏装置中，光活性区域11为通过使有机半导体施主(p型)与有机半导体受主(n型)混合来使施主/受主界面分布到整体的本体异质结。界面63是光活性区域11与解离区域21之间的界面。界面64是在光活性区域11内基于本体异质结得到的界面。
如图12所示，由于接收光而产生的多个激子50中的激子50а到达界面63而发生解离。未去向界面63的激子50b到达界面64从而被解离。由此，能够提高转换效率。
如上所述，在本实施方式中，光活性区域包括本体异质结。由此，未去向光活性区域11与解离区域21之间的界面63的激子到达存在于本体异质结内的界面64，从而激子发生解离。作为其结果，能够提高转换效率。
《第五实施方式》
图13是发明的另一实施方式所涉及的光伏装置的截面图。图14示出沿着图13的XIV-XIV线的截面处的能量图。图14的横轴(X)表示与图13的x轴相同的位置，纵轴(E)表示能量的大小。在本例中，相对于上述的第一实施方式，解离区域21的结构不同。除此以外的结构与上述的第一实施方式相同，适当引用第一实施方式～第四实施方式的记载。
本实施方式所涉及的解离区域21由晶格常数不同的2种材料形成。解离区域21具有由第1种材料形成的解离层21c和由第2种材料形成的解离层21d。解离层21c形成为柱状。解离层21d形成为覆盖解离层21c的外周。此外，解离区域21中包括的材料也可以为3种以上。
解离层21c的材料与解离层21d的材料的组合是从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以及MgZnSeTe/ZnTe中选择的至少一种。
在太阳能电池被太阳光加热时，由于因无机压电体中包括的各种材料的热膨胀系数的不同引起的应变应力而产生电场。然而，在利用太阳光的方法中，作用于压电体的应力的大小由于日照量、周围温度而发生变动，作为太阳能电池无法得到稳定的特性。
在本实施方式中，解离区域21由晶格常数不同的2种材料形成，因此应变应力起作用，由于压电效应(压电电场效应)而产生电场。由此，能够不受材料选定、太阳光的条件所制约而稳定地产生电场。
如上所述，在本实施方式中，解离区域21具有由互不相同的材料形成的多个层21c、21d，不同的材料的晶格常数不同。由此，在晶格常数不同的材料之间产生应变应力，因此在解离区域21中能够稳定地产生电场。
另外，形成解离区域21的多个材料是从上述的组合中选择的。由此，使用组成相近的材料，因此能够形成无机材料的层叠构造。
此外，作为本实施方式所涉及的光伏装置的变形例，解离区域21也可以由虽然是相同材料、但是组成比不同的材料形成。即，形成解离区域21的材料的组合是从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)以及(MgSe)x(ZnTe)1-x/(MgSe)y(ZnTe)1-y(x≠y)中选择的至少一种。其中，0<x<1且0<y<1。由此，解离区域21使用相同材料，因此能够降低制造时的成本。另外，能够在组成比的范围内自由地选择EC、EV的组合，因此不再存在材料选择的限制。
说明界面处的能级的调整。无机半导体20的EC、EV为由材料及其结晶性决定的固有的能级。因此，关于使无机半导体的能量与特定的有机半导体材料匹配，会变更无机半导体的材料，是很困难的。一部分化合物半导体能够通过改变半导体的晶体生长中的组成来调整EC、EV。例如，能够利用AlGaN中的Al/Ga组成比、InGaN中的In/Ga组成比来控制EC、EV。另外，以Al-In-Ga-N系、Al-In-Ga-As系为代表的能够调整带隙的多元系化合物半导体很多具有压电特性。另外，能够利用组成来改变晶体的晶格常数，因此例如能够通过设为不同的组成的二层构造来使压电效应(压电电场效应)得以发挥，从而能够形成激子的解离所需的电场。
《第六实施方式》
图15示出发明的另一实施方式所涉及的光伏装置的能量图。图15相当于沿着图13的XIV-XIV线的截面处的能量图。图15的横轴(X)表示与图13的x轴相同的位置，纵轴(E)表示能量的大小。在本例中，相对于上述的第五实施方式，解离区域21中的能级的关系不同。除此以外的结构与上述的第五实施方式相同，适当引用第一实施方式～第五实施方式的记载。
解离区域21具有多个解离层21c、21d。在解离层21c与解离层21d之间的界面65，能级的关系满足下述式(13)。
[数13]
EC3＜EF3 (13)
其中，EC3表示解离层21c的导带底的能级，EF3表示解离层21c的费米能级。
在解离区域21中，应变应力根据晶格失配率增大而增大，压电电场增大。当压电电场增大、导带底的能级EC3变得低于费米能级EF3时，在界面65形成二维电子气(在图15中，涂黑的部分)。在二维电子气的区域，不进行杂质掺杂等就能够确保导电性，因此能够抑制载流子的杂质散射，提高载流子的迁移率。因此，通过满足上述式(13)，能够使扩散长度长。
如上所述，在本实施方式中，解离区域21具有由不同的材料形成的多个层21c、21d，多个层21c、21d中的某一方的能级满足式(13)。由此，借助高迁移率的二维电子气来进行载流子的取出，因此能够使扩散长度长。另外，能够高效地取出载流子，能够使光活性区域11的厚度大。
此外，在本实施方式中，也可以是，将解离区域21与阳极电极30连接来代替与阴极电极40连接，并且，在解离层21c与解离层21d之间的界面65，能级的关系满足下述式(14)。
[数14]
EV3＞EF3 (14)
其中，EV3表示解离层21c的价带顶的能级。
由此，借助高迁移率的二维空穴气体来进行载流子的取出，因此能够使扩散长度长。另外，能够高效地取出载流子，能够使光活性区域11的厚度大。
《第七实施方式》
图16示出发明的另一实施方式所涉及的光伏装置的能量图。图17是沿着图16的XVII-XVII线的截面处的能量图。图17的横轴(X)表示与图16的x轴相同的位置，纵轴(E)表示能量的大小。在本例中，相对于上述的第一实施方式，解离区域21中的能级的关系不同。除此以外的结构与上述的第一实施方式相同，适当引用第一实施方式～第六实施方式的记载。
说明解离区域21与电极40之间的界面71处的能级的关系。期望的是，当将光活性区域11的LUMO能级设为ELUMO、将界面66处的解离区域21的导带底的能级设为ECa、将连接面71处的解离区域21的导带底的能级设为ECb时，各个能级的能量关系满足下述式(15)和式(16)。
[数15]
ELUMO＞ECa (15)
[数16]
ECa-ECb≤0.3[eV] (16)
另外，界面66与连接面71之间的导带底的能级随着从界面66趋向连接面71而单调减少。换言之，在能级ECa比能级ECb低的状态下，如图17所示，解离区域中的导带底的能级的斜率缓慢地倾斜。
在将AlGaN、InGaN、AlGaAs、InGaAs、GaAsP、InGaAs等多元混晶系的材料用作半导体的材料的情况下，通过改变组成比，能够调整半导体的带隙的大小。能够利用晶体生长中的源气体比、压力、温度等生长参数来调整组成比。而且，通过连续地调整晶体的组成比，能够使相对于位置的导带底EC的能量连续地下降。在此，EC的斜率即为电场强度，电子51接受电场的力，由此电子51能够得到朝向阴极电极40的推进力。因此，能够拉长扩散长度。
当解离区域中的导带底的能级的倾斜在界面66与连接面71之间变长时，存在以下担忧：与倾斜部分的累计相当的电位下降量变大，光伏装置的输出电力变低。在本实施方式中，通过能级的条件满足式(16)，能够将因能级的倾斜引起的电位下降量抑制为0.3eV以下。由此，能够在防止载流子的反流的同时将电压损耗抑制到最低限度。
如上所述，在本实施方式中，界面66处的能级和连接面71处的能级满足式(16)。由此，能够在防止载流子的反流的同时抑制电压损耗。
另外，在本实施方式中，界面66与连接面71之间的导带底的能级随着从66界面趋向连接面71而单调减少。由此，通过使解离区域21产生电场，载流子能够得到朝向期望的电极的推进力。作为其结果，能够拉长扩散长度。
此外，在本实施方式中，也可以是，将解离区域21与阳极电极30连接来代替与阴极电极40连接，并且界面66处的能级和连接面71处的能级满足下述式(17)和式(18)，来代替满足式(15)和式(16)。
[数17]
EHOMO＜EVa (17)
[数18]
EVb-EVa≤0.3[eV] (18)
由此，能够在防止载流子的反流的同时抑制电压损耗。
另外，在本实施方式中，界面66与连接面71之间的价带顶的能级随着从界面66趋向连接面71而单调增加。连接面71是同阳极电极30连接的解离区域21与阳极电极之间的连接面。由此，通过使解离区域21产生电场，载流子能够得到朝向期望的电极的推进力。作为其结果，能够拉长扩散长度。
《第八实施方式》
图18是发明的另一实施方式所涉及的光伏装置的截面图。本实施方式所涉及的光伏装置由串联型构成。除此以外的结构与上述的第一实施方式相同，适当引用第一实施方式～第七实施方式的记载。
如图18所示，光伏装置由3结型串联型构成。光伏装置具备顶单元100、中间单元200、底单元300以及隧道重新结合层400。顶单元100具备有机半导体10、无机半导体20、阳极电极30以及阴极电极40。顶单元100中包括的有机半导体10具有光活性区域11e。顶单元100中包括的无机半导体20具有解离区域21e。
中间单元200具备有机半导体10、无机半导体20、阳极电极30以及阴极电极40。中间单元200中包括的有机半导体10具有光活性区域11f。中间单元200中包括的无机半导体20具有解离区域21f。
底单元300具备有机半导体10、无机半导体20、阳极电极30以及阴极电极40。底单元300中包括的有机半导体10具有光活性区域11g。底单元300中包括的无机半导体20具有解离区域21g。
顶单元100、中间单元200以及底单元300沿阳极电极30和阴极电极40的电极面的法线方向(图18的y方向)进行层叠。此外，顶单元100、中间单元200以及底单元300的各结构与第一实施方式所涉及的半导体装置相同，因此省略说明。
隧道重新结合层400将顶单元100中包括的阴极电极40与中间单元200中包括的阳极电极30结合，将中间单元200中包括的阴极电极40与底单元300中包括的阳极电极30结合。
光的入射方向是从顶单元100的阳极电极30朝向底单元300的阴极电极的方向(y轴的负方向)。光活性区域11e、光活性区域11f以及光活性区域11g具有互不相同的带隙，从光的入射面沿着各单元的层叠方向变小。即，光活性区域11e、光活性区域11f以及光活性区域11g的各带隙中的光的入射侧的带隙最大，朝向带隙光的透过方向依次变小。
串联型太阳能电池的基本概念是利用了以下情况：半导体吸收具有比其带隙高的能量的光，使具有比带隙低的能量的光透过。在半导体等吸收光后产生的载流子从光子接受的能量比带隙大的情况下，光子所具有的能量hν-Eg(h：普朗克常数、ν：光子的波数、Eg：带隙)由于载流子的弛豫而成为损耗。将多个具有带隙的材料进行层叠，光按带隙从大到小的顺序入射并透过，由此能够抑制各个波长带的弛豫所引起的损耗。作为其结果，原理上来说超过肖克利-奎伊瑟极限(Shockley-Queisser limit)的太阳能电池成为可能。
在有机半导体中也能够通过例如材料的选择、官能团的调整来调整光的吸收端，从而能够改变带隙的大小。例如，通过使用呈现出与3结串联型太阳能电池的顶单元100、中间单元200、底单元300分别相适应的吸收光谱的有机材料，能够抑制各波长带的损耗，从而能够进一步提高转换效率。
如上所述，在本实施方式中，具备将多个单元100、200、300进行层叠而成的层叠体，所层叠的多个单元100、200、300中分别包括的各光活性区域11e、11f、11g的带隙从光的入射面沿着单元的层叠方向变小。由此，通过使用呈现出与串联型太阳能电池的各单元分别相适应的吸收光谱的有机材料，能够抑制各波长带的损耗。作为其结果，能够提高转换效率。
此外，在本实施方式中，也可以是，解离区域21e、解离区域21f以及解离区域21g的各带隙中的光的入射侧的带隙最大，朝向带隙光的透过方向依次变小。此时，解离区域21e、解离区域21f以及解离区域21g具有光活性区域的功能。即，解离区域21e、解离区域21f以及解离区域21g的各带隙中的光的入射侧的带隙最大，朝向带隙光的透过方向依次变小。由此，通过使用呈现出与串联型太阳能电池的各单元分别相适应的吸收光谱的无机材料，能够抑制各波长带的损耗。作为其结果，能够提高转换效率。
《第九实施方式》
图19是发明的另一实施方式所涉及的光伏装置的截面图。在本实施方式所涉及的光伏装置中，无机半导体20的一部分结构不同。除此以外的结构与上述的第一实施方式相同，适当引用第一实施方式～第八实施方式的记载。此外，光的入射方向是从阳极电极30朝向阴极电极40的方向(y轴的负方向)。
无机半导体20形成为覆盖阴极电极40的表面。无机半导体20的一部分为柱状，该柱状的部分被有机半导体10的有机材料覆盖。阴极电极40被无机半导体20所覆盖，因此有机半导体11与阴极电极40不直接接触。即，在有机半导体11的端部与阴极电极之间设置有膜状的无机半导体20。
无机半导体20例如是通过CVD等晶体生长而形成的。使无机材料的晶体在板状的阴极电极40的表面上生长，在阴极电极40的表面出现无机材料的膜的时间点暂时停止生长。
将光刻等掩模图案放置在无机材料的膜上。在掩模图案的开口部利用相同的无机材料使晶体生长为柱状。由此，如图19所示，形成无机半导体20。
此外，无机半导体20的制法不限于CVD等晶体生长，可以使用S-K生长(Stranski-Krastoanov)模式。在使用S-K生长模式的情况下，只要使在阴极电极40的表面上形成的无机材料的膜中的仅无机材料的膜的表面的一部分生长为柱状即可。此外，也可以是，无机半导体20使压电体生长至图19所示的柱部分的高度(y方向的高度)，对柱的部分以外的部分(凹陷区域)进行蚀刻。
如上所述，在本实施方式中，解离区域21被有机半导体10的有机材料包围，解离区域21的一部分与阴极电极40连接，阴极电极与光活性区域11不直接接触。
与本实施方式不同，在有机半导体10与阴极电极40直接接触的情况下，通过有机半导体10的有机材料与阴极电极40的材料的组合，在有机半导体10与阴极40之间的界面处形成局域能级。而且，当局域能级变为促进载流子重新结合的能级时，在界面处形成偶极子(电偶极子)，难以得到期望的特性。
在本实施方式中，有机半导体10与阴极电极40不直接接触，因此不生成促进载流子重新结合的局域能级，能够防止在界面处形成偶极子。
此外，作为不使有机半导体10与阴极电极40直接接触的构造，本实施方式所涉及的光伏装置也可以是如图20所示的构造。
图20是本实施方式的变形例所涉及的光伏装置的截面图。变形例所涉及的光伏装置具备有机半导体10、无机半导体20、阳极电极30、阴极电极40以及保护膜70。保护膜70设置于有机半导体10与阴极电极40之间。保护膜70以覆盖阴极电极40的表面中的未与解离区域21连接的部分的方式形成在阴极电极40的表面上。保护层70也可以具有绝缘性。保护层70是通过对金属表面进行氧化所得到的氧化膜、生长法(CVD等)而形成的。在形成在阴极电极40的表面上之后，利用光刻使形成解离区域21的部分开口。然后，使无机材料在所开口的部分进行晶体生长，由此形成解离区域21。
此外，作为不使有机半导体10与阴极电极40直接接触的构造，本实施方式所涉及的光伏装置也可以是如图21所示的构造。图21是本实施方式的变形例所涉及的光伏装置的截面图。
在图21所示的变形例中，无机半导体20利用层来覆盖阴极电极40的表面，并形成为向y轴方向延伸的柱状。柱状的部分被有机半导体10的有机材料所覆盖。另外，保护膜70设置于有机半导体10与无机半导体20之间。保护膜70形成为覆盖无机半导体20的层的部分。保护膜70是用于避免阴极电极40与有机半导体10直接接触的构件。
在上述变形例中，也可以不去除用于确保使无机半导体20生长的区域的硬掩模，因此能够实现制造工艺的简化。
附图标记说明
10：有机半导体；11：光活性区域；20：无机半导体；21：解离区域；30：阳极电极；40：阴极电极；70：保护膜。

Claims (21)

1.一种光伏装置，具备：
有机半导体，其包括产生激子的光活性区域；以及
无机半导体，其包括将所述激子所包含的载流子解离出的解离区域，具有压电性，
其中，在所述光活性区域与所述解离区域之间，能级的关系满足下述式(1)和下述式(2)中的至少任一方，
ELUMO＞EC (1)
EHOMO＜EV (2)
其中，
ELUMO表示所述光活性区域中的LUMO能级，
EHOMO表示所述光活性区域中的HOMO能级，
EC表示所述解离区域中的导带底的能级，
EV表示所述解离区域中的价带顶的能级。
2.根据权利要求1所述的光伏装置，其特征在于，
在所述能级的关系满足所述式(1)的情况下，所述能级的关系满足下述式(3)，
ELUMO-EC≤0.3[eV] (3)。
3.根据权利要求1或2所述的光伏装置，其特征在于，
在所述能级的关系满足所述式(2)的情况下，所述能级的关系满足下述式(4)，
EV-EHOMO≤0.3[eV] (4)。
4.根据权利要求1或2所述的光伏装置，其特征在于，
在所述能级的关系满足所述式(1)的情况下，所述能级的关系满足下述式(5)，
EHOMO-EV≥0.3[eV] (5)。
5.根据权利要求1或3所述的光伏装置，其特征在于，
在所述能级的关系满足所述式(2)的情况下，满足下述式(6)，
EC-ELUMO≥0.3[eV] (6)。
6.根据权利要求1～5中的任一项所述的光伏装置，其特征在于，
所述光伏装置具备电极，
所述解离区域被形成所述有机半导体的有机材料所包围，
所述解离区域的一部分与所述电极直接连接。
7.根据权利要求6所述的光伏装置，其特征在于，
所述解离区域与所述光活性区域之间的界面处的能级以及所述解离区域与所述电极连接的连接面处的能级在满足式(1)的情况下满足下述式(7)，
所述解离区域与所述光活性区域之间的界面处的能级以及所述解离区域与所述电极连接的连接面处的能级在满足式(2)的情况下满足下述式(8)，
ECa-ECb≤0.3[eV] (7)
EVb-EVa≤0.3[eV] (8)
其中，
ECa表示所述界面处的导带底的能级，
EVa表示所述界面处的价带顶的能级，
ECb表示所述连接面处的导带底的能级，
EVb表示所述连接面处的价带顶的能级。
8.根据权利要求6或7所述的光伏装置，其特征在于，
所述光伏装置具备电极，
所述解离区域被形成所述有机半导体的有机材料所包围，
所述解离区域的一部分与所述电极直接连接，
所述解离区域与所述光活性区域经由界面来接合，
所述解离区域与所述电极经由连接面来连接，
所述导带底的能级随着从所述界面趋向所述连接面而单调减少，或者所述价带顶的能级随着从所述界面趋向所述连接面而单调增加。
9.根据权利要求1～5中的任一项所述的光伏装置，其特征在于，
所述光伏装置具备第一电极和第二电极，
所述解离区域包括使所述载流子中的空穴通过的第一解离区域以及使所述载流子中的电子通过的第二解离区域，
所述第一解离区域和所述第二解离区域被形成所述有机半导体的有机材料所包围，
所述第一解离区域的一部分与所述第一电极直接连接，
所述第二解离区域的一部分与所述第二电极直接连接。
10.根据权利要求1～9中的任一项所述的光伏装置，其特征在于，
多个所述解离区域以隔着形成所述有机半导体的有机材料彼此相向的方式配置，
多个所述解离区域的彼此相向的面的间隔为所述激子的扩散长度的2倍以内。
11.根据权利要求1～10中的任一项所述的光伏装置，其特征在于，
形成所述光活性区域的材料包括从P3HT、P3OT、P3DDT、PTAA、MEH-PPV、MDMO-PPV、F8BT、F8T2、POT-co-DOT、p-DTS(FBTTh2)2、DR3TSBDT、Pd(PPh)4、苯并卟啉、四苯并卟啉、酞菁、并四苯、蒽、三亚苯、芘、屈、苯并蒽、苝、晕苯、六苯并蔻、PDI、PDITh、PC60BM、PC61BM、PC70BM、PC71BM、PC84BM、Bis-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以及它们的衍生物中选择的至少一种。
12.根据权利要求1～11中的任一项所述的光伏装置，其特征在于，
所述光活性区域包含本体异质结。
13.根据权利要求1～12中的任一项所述的光伏装置，其特征在于，
所述解离区域具有由彼此不同的材料形成的多个层，
所述不同的材料的晶格常数不同。
14.根据权利要求1～13中的任一项所述的光伏装置，其特征在于，
形成所述解离区域的材料的组合是从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以及MgZnSeTe/ZnTe中选择的至少一种。
15.根据权利要求1～13中的任一项所述的光伏装置，其特征在于，
形成所述解离区域的材料的组合是从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)、CuInxGal-xS2/CuInyGa1-yS2(x≠y)、CuIn(SxSe1-x)2/CuIn(SySe1-y)2(x≠y)、CuInxGa1-xSe2/CuInyGa1-ySe2(x≠y)以及(MgSe)x(ZnTe)1-x/(MgSe)y(ZnTe)1-y(x≠y)中选择的至少一种，
其中，0＜x＜1且0＜y＜1。
16.根据权利要求1～15中的任一项所述的光伏装置，其特征在于，
所述解离区域具有由不同的材料形成的多个层，
所述多个层中的至少一层的能级满足下述式(7)或下述式(8)，
EC1＜EF1 (7)
EV1＞EF1 (8)
其中，
EC1表示所述一层的导带底的能级，
EV1表示所述一层的价带顶的能级，
EF1表示所述一层的费米能级。
17.根据权利要求1～15中的任一项所述的光伏装置，其特征在于，
所述无机半导体包括所述光活性区域。
18.根据权利要求1～17中的任一项所述的光伏装置，其特征在于，
所述光伏装置具备将多个具有所述有机半导体和所述无机半导体的单元进行层叠而成的层叠体，
进行层叠的多个所述单元各自包括的所述光活性区域的带隙从光的入射面起沿着所述单元的层叠方向变小。
19.根据权利要求1～18中的任一项所述的光伏装置，其特征在于，
所述光伏装置具备将多个具有所述有机半导体和所述无机半导体的单元进行层叠而成的层叠体，
进行层叠的多个所述单元各自包括的所述解离区域的带隙从光的入射面起朝向所述单元的层叠方向变小。
20.根据权利要求1～19中的任一项所述的光伏装置，其特征在于，
所述光伏装置具备电极，
所述解离区域被形成所述有机半导体的有机材料所包围，
所述解离区域的一部分与所述电极直接连接，
同所述解离区域连接的所述电极不与所述有机半导体直接接触。
21.根据权利要求20所述的光伏装置，其特征在于，
所述光伏装置具备保护膜，该保护膜设置于同所述解离区域连接的所述电极与所述有机半导体之间。
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