JP6978775B2 - 光電変換素子、光センサ、発電装置、及び光電変換方法 - Google Patents

光電変換素子、光センサ、発電装置、及び光電変換方法 Download PDF

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Description

本発明は、光電変換部への光入射により光電変換部に多数キャリア（電子又は正孔）の移動を生じさせ、この移動による電流を光電変換部に設けた電極から取り出す技術に関する。
従来において、一般的な光電変換部は、ｎ型半導体とｐ型半導体とを備えている。ｎ型半導体とｐ型半導体とのｐ−ｎ接合により、光電変換部には内部電界が発生している。この光電変換部への光入射により、電子が価電子帯から伝導帯へ飛び移り、電子と正孔のペアが生じる。これらの電子と正孔は、内部電界により、それぞれｎ型側とｐ型側に移動して分離する。これにより、光電変換部から電流を取り出すことができる。このような光電変換素子は、例えば特許文献１に記載されている。
特開２０１５−１３０４６４号公報
しかし、ｐ−ｎ接合を有する光電変換部への光入射により生じたキャリア（電子又は正孔）は、光電変換部における不純物、欠陥、格子振動などにより散乱する。キャリアの移動には、このような散乱を伴うため、キャリアのエネルギーが散逸される。そのため、ｐ−ｎ接合を有する光電変換部から電流を取り出す効率には限界がある。
そこで、本発明の目的は、光電変換部への光入射により生じたキャリアの散乱を少なくし、当該キャリアの移動による電流を効率よく光電変換部から取り出せる技術を提供することにある。
本発明による光電変換素子は、極性材料からなりｐ−ｎ接合を有しない光電変換部と、光電変換部に設けられ間隔をおいて配置された第１及び第２の電極とを備える。光電変換部の構造は、空間反転対称性が破れている。第１及び第２の電極は、ポテンシャル障壁を実質的に生じさせない金属材料からなる。ポテンシャル障壁は、光電変換部にとっての多数キャリアが電極から光電変換部へ移動することを妨げるものである。
本発明による光センサは、上述の光電変換素子を備え、第１及び第２の電極から取り出される電流により光電変換部への光入射を検出する。
本発明による発電装置は、上述の光電変換素子を備え、第１及び第２の電極から取り出される電力を、蓄電池又は負荷へ供給する。
本発明による光電変換方法は、上述の光電変換素子を用い、第１及び第２の電極の間において光電変換部に光を入射させ、光電変換部で発生した電流を第１及び第２の電極から取り出す。
本発明によると、光電変換部への光入射により生じたキャリアの散乱が少なく、当該キャリアの移動による電流を効率よく光電変換部から取り出すことができる。
本発明の実施形態による光電変換素子の構成図である。 光電変換部の分子構造の一例を示す模式図である。 本発明の実施形態による光電変換部がｐ型半導体である場合のバンド構造図である。 比較例による光電変換部がｐ型半導体である場合のバンド構造図である。 本発明の実施形態による光電変換部がｎ型半導体である場合のバンド構造図である。 比較例による光電変換部がｎ型半導体である場合のバンド構造図である。 本発明の実施形態による光電変換素子の等価回路を示す。 実験例１の測定結果であり、各温度でのバイアス電圧と電流との関係を示す。 実験例１の測定結果であり、（Ａ）は、バイアス電圧がゼロの時の温度と電流との関係を示し、（Ｂ）は、温度と開放端電圧との関係を示す。 実験例１の測定結果であり、温度と光電変換部の抵抗との関係を示す。 実験例２における光電変換素子を示す。 実験例２の測定結果であり、（Ａ）は、温度と電流との関係を示し、（Ｂ）は、温度と開放端電圧との関係を示す。 実験例２の測定結果であり、バイアス電圧と電流との関係を示す。 実験例３における光電変換素子を示す。 実験例３の測定結果であり、（Ａ）は、光電変換部の温度が７０Ｋである場合と当該温度が９０Ｋである場合におけるレーザ光照射領域の位置と電流との関係を示し、（Ｂ）は、当該温度が９０Ｋである場合の拡大図である。 （Ａ）は、実験例４における比較例の光電変換素子を示し、（Ｂ）は、実験例４の測定結果であり、温度と電流との関係を示す。 （Ａ）は、極性材料SbSIのバンド構造を、各材料のフェルミ準位との関係で示した図であり、（Ｂ）は、電極を各材料で形成した場合の実験例５の測定結果を示す。 実験例６の測定結果であり、温度と電流との関係を示す。 （Ａ）は、本実施形態による光電変換素子を適用した光センサの概略構成図であり、（Ｂ）は、本実施形態による光電変換素子を適用した発電装置の概略構成図である。
本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。また、以下の説明は、特許請求の範囲に記載された発明を限定するものではない。例えば、本発明は、以下で述べる構成要素の全てを備えるものに限定されない。
＜光電変換素子の概要＞
図１は、本発明の実施形態による光電変換素子１０の構成図である。光電変換素子１０は、光電変換部１と、第１及び第２の電極２，３とを備える。
光電変換部１は、極性材料（polar material）からなる。極性材料は、その構造において、正負の電荷の重心位置に偏りがある材料である。極性材料は、分極している材料であってよい。例えば、極性材料は、焦電性材料または強誘電性材料である。なお、光電変換部１は、単一の極性材料により形成されていてよい。ここで、「単一の極性材料」とは、原子、分子、又はイオンが規則正しく配列されている材料を意味し、この配列に該当しない材料成分を含んでいないものであってよい。例えば、当該「単一の」とは、極性材料が後述する具体例のいずれかである場合に、光電変換部１が当該具体例以外の材料を含まないことを意味してよい。
光電変換部１の構造は、空間反転対称性が破れている。これは、光電変換部１の構造（例えば結晶構造又は分子構造）を鏡像反転した場合に、鏡像反転前の構造が鏡像反転後の構造と一致しないことを意味する。光電変換部１は、少なくとも１つの方向（図１の左右方向）において空間反転対称性が破れた構造を有する。この場合、当該方向におけるどの位置が、鏡像反転の基準点（鏡像反転用の鏡の位置）であっても、鏡像反転前の構造が鏡像反転後の構造と一致しない。なお、光電変換部１は、極性材料から形成されていることにより、上述のように、その構造の空間反転対称性が破れている。
また、光電変換部１は、ｐ−ｎ接合を有しない。光電変換部１（極性材料）は、ｐ型半導体又はｎ型半導体である。なお、極性材料は、真性半導体であってもよいし、そうでなくてもよい。
第１及び第２の電極２，３は、光電変換部１への光入射により光電変換部１で発生した多数キャリアの移動による電流（以下で単に「光電変換部１で発生した電流」ともいう）を外部へ取り出すためのものである。第１及び第２の電極２，３には、電流ライン４（例えば導線）が接続されている。光電変換部１で発生した電流は、第１及び第２の電極２，３を介して電流ライン４に流れる。第１及び第２の電極２，３は、電流ライン４を介して互いに接続されていてよい。図１の例では、電流ライン４には、抵抗（電球）１３が設けられている。
第１及び第２の電極２，３は、光電変換部１に設けられ、互いに間隔をおいて配置されている。以下において、第１及び第２の電極２，３が互いに離間している方向を電極離間方向という。第１及び第２の電極２，３は、光電変換部１に直接的に接触していてよい。電極離間方向において、光電変換部１の構造は、空間反転対称性が破れている。また、電極離間方向に光電変換部１は分極していてよい。
第１及び第２の電極２，３は、ポテンシャル障壁を実質的に生じさせない金属材料からなる。このポテンシャル障壁は、光電変換部１にとっての多数キャリア（以下で単に多数キャリアともいう）が電極２，３から光電変換部１へ移動することを妨げるものである。すなわち、第１及び第２の電極２，３が光電変換部１に接合された状態で、各電極２，３と光電変換部１との界面には、該電極２，３から見て、多数キャリアに対するポテンシャル障壁が無い。
光電変換部１がｐ型半導体である場合には、第１及び第２の電極２，３を形成する金属材料は、光電変換部１を形成する極性材料のフェルミ準位以下のフェルミ準位を有する。これは、当該金属材料の仕事関数は、当該極性材料の仕事関数以上であると表現されてもよい。これにより、第１及び第２の電極２，３は、上述のポテンシャル障壁を生じさせない（詳細は、図３と図４を参照して後述する）。なお、第１及び第２の電極２，３のフェルミ準位は、ｐ型半導体である光電変換部１のフェルミ準位以下であればよく、その下限は特になくてもよい。
一例では、光電変換部１がｐ型半導体である場合に、第１及び第２の電極２，３の上記金属材料のフェルミ準位は、極性材料のフェルミ準位よりも低い（深い）。
光電変換部１がｎ型半導体である場合には、第１及び第２の電極２，３の金属材料は、光電変換部１の極性材料のフェルミ準位以上のフェルミ準位を有する。これは、当該金属材料の仕事関数は、当該極性材料の仕事関数以下であると表現されてもよい。これにより、第１及び第２の電極２，３は、上述のポテンシャル障壁を生じさせない（詳細は、図５と図６を参照して後述する）。なお、第１及び第２の電極２，３のフェルミ準位は、ｎ型半導体である光電変換部１のフェルミ準位以上であればよく、その上限は特になくてもよい。
一例では、光電変換部１がｎ型半導体である場合に、第１及び第２の電極２，３の上記金属材料のフェルミ準位は、極性材料のフェルミ準位よりも高い（浅い）。
なお、光電変換部１がｐ型半導体であるかｎ型半導体であるかにかかわらず、第１の電極２の上記金属材料は、第２の電極３の上記金属材料と同じであっても異なっていてもよい。
以下、本発明の実施形態による光電変換素子１０について、より詳しく説明する。
＜空間反転対称性の破れ＞
図２を参照して空間反転対称性の破れをより詳しく説明する。図２は、図１の光電変換素子１０における光電変換部１の分子構造を一例として示す模式図である。図２では、光電変換部１を形成する極性材料は、強誘電性材料である。強誘電性材料は、その温度が自身のキュリー温度以下になると強誘電体となる。図２の左右方向は、電極離間方向であり図１の左右方向に一致する。
図２の上側は、キュリー温度よりも高い常誘電状態を示し、図２の下側は、キュリー温度以下の強誘電状態を示す。図２の上側と下側において、ドナー分子Ｄとアクセプタ分子Ａが電極離間方向に交互に位置している。例えば、光電変換部１を形成する極性材料はTTF-CAであり、ドナー分子Ｄは、TTF（tetrathiafulvalne）であり、アクセプタ分子ＡはCA（p-chloranil）であってよい。
図２の上側での状態から、光電変換部１に対して電極離間方向に電場を印加すると、図２の下側のように、正電荷を帯びたドナー分子Ｄは、電場の印加方向に変位し、負電荷を帯びたアクセプタ分子Ａは電場の印加方向と逆方向に変位する。これにより、光電変換部１は、図２の右方向に分極した状態になる。すなわち、光電変換部１は、電場の印加方向に分極して、構造の空間反転対称性が破れる。電圧印加の停止後も、光電変換部１の分極は保たれる。したがって、電圧印加の停止後も、光電変換部１の構造の空間反転対称性が破れた状態が保たれる。
このように、図２の下側において、光電変換部１の分子構造は、空間反転対称性が破れているので、図２の下側において、電極離間方向に直交する平面の鏡を、電極離間方向におけるどの位置に配置しても、鏡に映った分子構造は、当該分子構造に対応する元の分子構造と一致しない。
＜材料の具体例＞
光電変換部１がｐ型半導体である場合、ｐ型半導体としての極性材料は、例えば、SbSI，BiFeO3，TTF-CA(tetrathiafulvalene-p-chloranil)，TTF-BA (tetrathiafulvalene-bromanil)，TMB-TCNQ(tetramethylbenzidine- tetracyanoquinodimethane)，GeTe，CdTe，GaFeO3，RMnO3(Rは希土類元素)，Ca3Mn2O7，LuFe2O4，CH3NH3PbI3，(2-(ammoniomethyl)pyridinium)SbI5，又はSn2P2S6であってよい。この場合、第１及び第２の電極２，３を形成する金属材料は、例えば、Ag，Pt，Au，ITO，MoO3，TTF-TCNQ(tetrathiafulvalene-tetracyanoquinodimethane)，PEDOT:PSS (poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate))のうち、光電変換部１のフェルミ準位以下のフェルミ準位を有するいずれかであってよい。
光電変換部１がｎ型半導体である場合、ｎ型半導体としての極性材料は、例えば、BiSI，BaTiO3，PbTiO3，Pb5Ge3O11，Pb(Zr,Ti)O3 (PZT)，CdS，LiNbO3，LiTaO3，KNbO3，KH2PO4(KDP)，ZnO，BiTeI，BiTeBr又はGaNであってよい。この場合、第１及び第２の電極２，３を形成する金属材料は、例えば、Ca，Mg，LiF/Al，In，Alのうち、光電変換部１のフェルミ準位以上のフェルミ準位を有するいずれかであってよい。
光電変換部１を形成する極性材料は、焦電性材料であってよい。この焦電性材料は、例えば、GaFeO3，CdS，GaN，ZnO，CdTe，BiTeI，又はBiTeBrであってよい。
光電変換部１を形成する極性材料は、強誘電性材料であってよい。この強誘電性材料は、例えば、SbSI，BiSI，TTF-CA，TTF-BA，BiFeO3，TMB-TCNQ，RMnO3(Rは希土類元素)，Ca3Mn2O7，LuFe2O4，GeTe，CH3NH3PbI3，(2-(ammoniomethyl)pyridinium)SbI5，Sn2P2S6，BaTiO3，PbTiO3，Pb5Ge3O11，PZT，LiNbO3，LiTaO3，KNbO3，又はKDPであってよい。
あるいは、光電変換部１を形成する極性材料は、積層薄膜をＮ回（Ｎは１以上の整数）互いに積層したものであってもよい。この積層薄膜は、互いに結晶材料が異なるＡ層、Ｂ層、及びＣ層をこの順で積層したものである。Ａ層、Ｂ層、及びＣ層の各々は、ナノオーダーの厚みを有する原子層薄膜である。ここで、原子層薄膜は単結晶であってよい。Ａ層、Ｂ層、及びＣ層の結晶材料の組み合わせは、例えば、LaAlO3，LaFeO3，及びLaCrO3の組み合わせ、又は、CaTiO3，BaTiO3，及びSrTiO3の組み合わせであってよい。すなわち、前者の組み合わせの一例では、Ａ層がLaAlO3からなり、Ｂ層がLaFeO3からなり、Ｃ層がLaCrO3からなる。
なお、極性材料と電極２，３の材料は、上述した具体例に限定されない。例えば、極性材料は、圧電性材料であってもよい。
＜ポテンシャル障壁＞
・ｐ型半導体の場合
図３は、本発明の実施形態による光電変換部１と電極２，３のバンド構造の模式図であり、光電変換部１がｐ型半導体である場合を示す。図３において、（Ａ）は、第１及び第２の電極２，３が光電変換部１から分離している状態を示し、（Ｂ）は、第１及び第２の電極２，３を図１のように光電変換部１に接合させた状態を示す。図３において、Ｅｃは、伝導帯の下端のエネルギー準位を示し、Ｅｖは、価電子帯の上端のエネルギー準位を示す（後述する図４〜図６の場合も同じである）。
本実施形態では、光電変換部１がｐ型半導体である場合には、図３（Ａ）に示すように、第１及び第２の電極２，３（すなわち電極２，３を形成する金属材料）は、いずれも光電変換部１（すなわち光電変換部１を形成する極性材料）のフェルミ準位Ｅｆ０以下のフェルミ準位Ｅｆ１，Ｅｆ２を有する。図３（Ａ）の状態から第１及び第２の電極２，３を光電変換部１に接合させると、光電変換部１にとっての多数キャリアである正孔が、各電極２，３からフェルミ準位のより高い光電変換部１へ流れ込み、これにより各電極２，３では光電変換部１との界面が負に帯電する。その結果、図３（Ｂ）のように、第１及び第２の電極２，３のフェルミ準位Ｅｆ１，Ｅｆ２がそれぞれ光電変換部１のフェルミ準位Ｅｆ０に一致するように、光電変換部１のバンドは電極２，３側において曲がる。
図３（Ｂ）の状態では、各電極２，３と光電変換部１とは、オーム接触（ohmic contact）をなしているので、各電極２，３は、多数キャリアが該電極２，３から光電変換部１へ移動することを妨げるポテンシャル障壁を実質的に生じさせていない。すなわち、このようなポテンシャル障壁が各電極２，３と光電変換部１との界面に生じていない。したがって、光電変換部１の多数キャリア（正孔）は、電極２，３から光電変換部１へ容易に移動できる。
ここで、第１及び第２の電極２，３は、図１のように、光電変換素子１０の外部において電流ライン４を介して互いに接続されている。よって、光電変換部１への光入射により光電変換部１に電子と正孔のペアが発生すると、多数キャリアの正孔は、光電変換部１における空間反転対称性の破れにより、価電子帯において一方の電極２又は３へ移動する。図３（Ｂ）では、当該正孔は、光電変換部１の分極により第１の電極２へ移動する。
一方、各電極２，３と光電変換部１との界面には上述のポテンシャル障壁が生じていないので、他方の電極２又は３（図３では第２の電極３）から光電変換部１へ多数キャリアが次々と供給される。供給された正孔は、光入射により発生して伝導帯に励起された電子と次々と再結合する。よって、光電変換部１への光入射により正孔が生じ、光電変換部１において正孔の移動による電流が継続して発生し、当該電流を、第１及び第２の電極２，３から外部の電流ライン４へ取り出すことができる。
図４は、比較例による光電変換部と電極のバンド構造の模式図であり、光電変換部がｐ型半導体である場合を示す。図４において、（Ａ）は、第１及び第２の電極が光電変換部から分離している状態を示し、（Ｂ）は、第１及び第２の電極を光電変換部に接合させた状態を示す。
図４（Ａ）において、第１の電極は、極性材料で形成された光電変換部のフェルミ準位Ｅｆ０以下のフェルミ準位Ｅｆ１を有するが、第２の電極は、光電変換部のフェルミ準位Ｅｆ０よりも高いフェルミ準位Ｅｆ２を有する。図４において他の点は図３の場合と同じであるとする。図４（Ａ）の状態から第１及び第２の電極を光電変換部に接合させると、光電変換部にとっての多数キャリアである正孔が、第１の電極からフェルミ準位のより高い光電変換部へ流れ込み、これにより第１の電極では光電変換部との界面が負に帯電する。一方、光電変換部からフェルミ準位のより高い第２の電極へ正孔が移動し、これにより、第２の電極では光電変換部との界面が正に帯電する。その結果、図４（Ｂ）のように、第１及び第２の電極のフェルミ準位Ｅｆ１，Ｅｆ２がそれぞれ光電変換部のフェルミ準位Ｅｆ０に一致するように、光電変換部のバンドは電極側において曲がる。
図４（Ｂ）の状態では、第２の電極は、多数キャリアである正孔が第２の電極から光電変換部へ移動することを妨げるポテンシャル障壁を生じさせている。すなわち、このようなポテンシャル障壁が第２の電極と光電変換部との界面に生じている。したがって、正孔の電荷量の大きさｑとし、ポテンシャル障壁の大きさをφとすると、第２の電極から光電変換部へ正孔を供給するには、ｑφのエネルギーが必要となる。よって、第２の電極から光電変換部へ多数キャリア（正孔）が供給され難いので、光電変換部への光入射により価電子帯に正孔が生じても、光電変換部において第１の電極側への正孔の移動が抑えられ、第１及び第２の電極から外部へ取り出される電流が抑えられる。
・ｎ型半導体の場合
図５は、本発明の実施形態による光電変換部１と電極２，３のバンド構造の模式図であり、光電変換部１がｎ型半導体である場合を示す。図５において、（Ａ）は、第１及び第２の電極２，３が光電変換部１から分離している状態を示し、（Ｂ）は、第１及び第２の電極２，３を図１のように光電変換部１に接合させた状態を示す。
本実施形態では、光電変換部１がｎ型半導体である場合には、図５（Ａ）に示すように、第１及び第２の電極２，３は、いずれも光電変換部１のフェルミ準位Ｅｆ０以上のフェルミ準位Ｅｆ１，Ｅｆ２を有する。図５（Ａ）の状態から第１及び第２の電極２，３を光電変換部１に接合させると、光電変換部１にとっての多数キャリアである電子が、各電極２，３からフェルミ準位のより低い光電変換部１へ流れ込み、これにより各電極２，３では光電変換部１との界面が正に帯電する。その結果、図５（Ｂ）のように、第１及び第２の電極２，３のフェルミ準位Ｅｆ１，Ｅｆ２がそれぞれ光電変換部１のフェルミ準位Ｅｆ０に一致するように、光電変換部１のバンドは電極２，３側において曲がる。
図５（Ｂ）の状態では、各電極２，３と光電変換部１とは、オーム接触（ohmic contact）をなしているので、各電極２，３は、多数キャリアが該電極２，３から光電変換部１へ移動することを妨げるポテンシャル障壁を実質的に生じさせていない。すなわち、このようなポテンシャル障壁が各電極２，３と光電変換部１との界面に生じていない。したがって、光電変換部１の多数キャリア（電子）は、電極２，３から光電変換部１へ容易に移動できる。ここで、第１及び第２の電極２，３は、図１のように、光電変換素子１０の外部において電流ライン４を介して互いに接続されている。よって、光電変換部１への光入射により光電変換部１に電子と正孔のペアが発生すると、多数キャリアの電子は、光電変換部１における空間反転対称性の破れにより、伝導帯において一方の電極２又は３へ移動する。図５（Ｂ）では、当該電子は、光電変換部１の分極により第２の電極３へ移動する。
一方、各電極２，３と光電変換部１との界面には上述のポテンシャル障壁が生じていないので、他方の電極２又は３（図３では第１の電極２）から光電変換部１へ多数キャリア（電子）が次々と供給される。供給された電子は、光入射により価電子帯に発生した正孔と次々と再結合する。よって、光電変換部１への光入射により伝導帯に電子が生じ、光電変換部１において当該電子の移動による電流が継続して発生し、当該電流を、第１及び第２の電極２，３から外部の電流ライン４へ取り出すことができる。
図６は、比較例による光電変換部と電極のバンド構造の模式図であり、光電変換部がｎ型半導体である場合を示す。図６において、（Ａ）は、第１及び第２の電極が光電変換部から分離している状態を示し、（Ｂ）は、第１及び第２の電極を光電変換部に接合させた状態を示す。
図６（Ａ）において、第２の電極は、極性材料により形成された光電変換部のフェルミ準位Ｅｆ０以上のフェルミ準位Ｅｆ２を有するが、第１の電極は、光電変換部のフェルミ準位Ｅｆ０よりも低いフェルミ準位Ｅｆ１を有する。図６において他の点は図５の場合と同じであるとする。図６（Ａ）の状態から第１及び第２の電極を光電変換部に接合させると、光電変換部にとっての多数キャリアである電子が、第２の電極からフェルミ準位のより低い光電変換部へ移動し、これにより第２の電極では光電変換部との界面が正に帯電する。一方、光電変換部からフェルミ準位のより低い第１の電極へ電子が移動し、これにより、第１の電極では光電変換部との界面が負に帯電する。その結果、図６（Ｂ）のように、第１及び第２の電極のフェルミ準位Ｅｆ１，Ｅｆ２がそれぞれ光電変換部のフェルミ準位Ｅｆ０に一致するように、光電変換部のバンドは電極側において曲がる。
図６（Ｂ）の状態では、第１の電極は、多数キャリアである電子が第１の電極から光電変換部へ移動することを妨げるポテンシャル障壁を生じさせている。すなわち、このようなポテンシャル障壁が第１の電極と光電変換部との界面に生じている。したがって、電子の電荷量の大きさｑとし、ポテンシャル障壁の大きさをφとすると、第１の電極から光電変換部へ電子を供給するには、ｑφのエネルギーが必要となる。よって、第１の電極から光電変換部へ多数キャリア（電子）が供給され難いので、光電変換部への光入射により伝導帯に電子が生じても、光電変換部において第２の電極側への電子の移動が抑えられ、第１及び第２の電極から外部へ取り出される電流が抑えられる。
＜等価回路＞
図７は、本発明の実施形態による光電変換素子１０の等価回路を示す。図７（Ａ）では、第１及び第２の電極２，３間は開放されており、図７（Ｂ）では、第１及び第２の電極２，３は、電流ライン４により接続され、電流ライン４には電流計１４が設けられている。
光電変換部１への光入射により、光電変換部１には、その構造の空間反転対称性の破れによる電流Ｉｓｈｉｆｔが図１のように発生しているとする。この時、第１及び第２の電極２，３間を開放させた場合には、Ｉｓｈｉｆｔは、光電変換部１内の抵抗Ｒｂｕｌｋを流れるとする。この時、第１及び第２の電極２，３間の電圧（開放端電圧）をＶＯＣとする。ＶＯＣは、次式（１）で表わされる。
Figure 0006978775
図７（Ａ）において、Ｒｃｏｎｔａｃｔは、第１の電極２と光電変換部１との接触抵抗と、第２の電極３と光電変換部１との接触抵抗とを合わせた抵抗を表わす。図７（Ａ）の状態から第１及び第２の電極２，３を電流ライン４で接続して、図７（Ｂ）の状態にする。図７（Ｂ）では、上述の電流Ｉｓｈｉｆｔが、抵抗Ｒｂｕｌｋを流れる電流と、接触抵抗Ｒｃｏｎｔａｃｔを通って電流ライン４へ流れる電流ＩＳＣとに分かれる。ここで、ＩＳＣは、次式（２）で表わされる。
Figure 0006978775
したがって、ＲｂｕｌｋがＲｃｏｎｔａｃｔと比べて十分に大きい場合には、ＩＳＣがＩｓｈｉｆｔに等しいとみなすことができる。式（２）は、第１及び第２の電極２，３間にバイアス電圧を印加していない場合を示す。図７（Ｂ）において、第１及び第２の電極２，３間にバイアス電圧Ｖｂを印加すると、電流計１４で計測される電流値Ｉｏｂｓは、次式（３）で表わされる。
Figure 0006978775
式（１）（２）（３）から、Ｉｏｂｓがゼロになる時のバイアス電圧Ｖｂの大きさが、開放端電圧ＶＯＣの大きさに等しくなる。以下における記号Ｒｂｕｌｋ，Ｒｃｏｎｔａｃｔ，ＶＯＣ，ＩＳＣ，Ｖｂ，Ｉｏｂｓは、それぞれ図７を用いて上述したＲｂｕｌｋ，Ｒｃｏｎｔａｃｔ，ＶＯＣ，ＩＳＣ，Ｖｂ，Ｉｏｂｓを意味する。
＜実験例１＞
本発明の実施形態による光電変換素子１０の実験例１について説明する。この実験例１では、光電変換部１を形成する極性材料を、ｐ型半導体であるSbSIとし、第１及び第２の電極２，３を形成する材料をPtとした。SbSIのキュリー温度は約２９５Ｋであり、SbSIは、キュリー温度以下になると、強誘電体になる。
図１のように第１及び第２の電極２，３同士を電流ライン４で接続し、電流ライン４に図１の抵抗１３の代わりに電流計１４（図７（Ｂ）を参照）を設けた。光電変換部１に光を入射させた状態で、光電変換部１の温度を次第に下げた。また、光電変換部１の各温度で、第１及び第２の電極２，３間に印加するバイアス電圧Ｖｂを変えながら、電流ライン４に流れる電流の値を電流計１４で測定した。なお、各温度において、分極の向きを揃えるために光電変換部１に対し電極離間方向に電場を印加し、次いで、当該電場の印加を停止して、電流ライン４を流れる電流を測定した。なお、光電変換部１の温度がキュリー温度以下になってバイアス電圧Ｖｂがゼロの時に電流ライン４に電流が流れた後は、各温度で、電場の印加を行わずに電流の値を測定した。光電変換部１の分極の向きが既に揃った状態となっているからである。このように行った測定結果を図８〜図１０に示す。
図８において、横軸は、第１及び第２の電極２，３間に印加したバイアス電圧Ｖｂを示し、縦軸は、電流計１４で測定した電流Ｉｏｂｓを示す。図８において、各直線は、光電変換部１の各温度での測定結果である。測定時の温度が高い程、図８の直線の傾きが大きくなった。傾きが最も大きい直線は、２００Ｋの時の測定結果であり、傾きが最も小さい直線は４０Ｋの時の測定結果である。直線の傾きの逆数は、上式（３）におけるＲｂｕｌｋ+Ｒｃｏｎｔａｃｔ（≒Ｒｂｕｌｋ）に等しい。
図８が示すように、バイアス電圧Ｖｂがゼロの時において、電流ライン４には大きな電流Ｉｏｂｓが生じている。すなわち、ｐ−ｎ接合を有しない光電変換部１に光を入射させることにより、光電変換部１から電極２，３を通して電流を効率よく取り出すことができる。バイアス電圧Ｖｂがゼロの時に測定された電流Ｉobsを以下で電流Ｉｓｃとも記す。
図９（Ａ）において、横軸は光電変換部１の温度を示し、縦軸は、バイアス電圧Ｖｂがゼロの時に電流計１４で測定された電流ＩＳＣの測定値を示す。図９（Ａ）に示すように、光電変換部１の温度を下げていく過程で、光電変換部１の温度がキュリー温度以下になると、急に電流ＩＳＣが生じた。これは、光電変換部１が、キュリー温度で強誘電体に転移して、上述した電場の印加により構造の空間反転対称性が破れたことを示している。
図９（Ｂ）において、横軸は光電変換部１の温度を示し、縦軸は、第１及び第２の電極２，３間の開放端電圧ＶＯＣを示す。ＶＯＣは、図８の各直線において電流Ｉｏｂｓがゼロになる時のバイアス電圧Ｖｂから求められる。
図１０において、横軸は光電変換部１の温度を示し、縦軸は、光電変換部１の抵抗Ｒｂｕｌｋを示す。ここで、Ｒｂｕｌｋ＋ＲｃｏｎｔａｃｔがＲｂｕｌｋに等しくＩＳＣがＩｓｈｉｆｔに等しいとして、図９（Ａ）（Ｂ）と上式（１）から図１０の抵抗Ｒｂｕｌｋを求めた。
図９と図１０が示すように、温度変化によって電流ＩＳＣがあまり変わらなくても、開放端電圧ＶＯＣが非常に大きくなっている。この開放端電圧ＶＯＣは、最大で７０Ｖ程度であり、光電変換部１のバンドギャップ幅（２ｅＶ程度）に相当する電圧よりも、非常に大きい。したがって、本実施形態の光電変換素子１０では、従来のｐ−ｎ接合を用いた光電変換部１と違って、光電変換部１のバンドギャップ幅に相当する電圧よりも、非常に大きい起電力を発生させることができる。
また、図９と図１０が示すように、開放端電圧ＶＯＣが非常に大きくなっても、言い換えると、抵抗Ｒｂｕｌｋが１０４倍以上も増加しても、電流ＩＳＣはあまり変化していない。このことは、エネルギー散逸の少ない電流が光電変換部１で発生していることを示している。このような電流を本願においてシフト電流ともいう。
＜実験例２＞
本発明の実施形態による光電変換素子１０の実験例２について説明する。この実験例２では、光電変換部１を形成する極性材料を、ｐ型半導体であるTTF-CAとし、第１及び第２の電極２，３を形成する材料をPtとした。TTF-CAのキュリー温度は約８１Kであり、TTF-CAは、キュリー温度以下になると、強誘電体になる。このような光電変換素子１０を図１１のように用意した。また、図１１において、光電変換部１に実験用の第３及び第４の電極５，６を接合した。第３及び第４の電極５，６の離間方向は、第１及び第２の電極２，３の離間方向と直交する。第１〜第４の電極２，３，５，６をそれぞれ電流ライン（導線）７，８，９，１１により接地し、電流ライン７，９にそれぞれ電流計１５，１６を設けた。
実験例１と同様に、光電変換部１に光を入射させた状態で、光電変換部１の温度を次第に下げた。また、光電変換部１の各温度で、第１及び第２の電極２，３間に印加するバイアス電圧Ｖｂと第３及び第４の電極５，６間に印加するバイアス電圧Ｖｂ２を変えながら、電流ライン７，９に流れる電流の値を電流計１５，１６で測定した。なお、各温度において、分極の向きを揃えるために光電変換部１に対し第１及び第２の電極２，３の離間方向である方向ａに電場を印加し、次いで、当該電場の印加を停止して、電流ライン７，９を流れる電流を測定した。光電変換部１の温度がキュリー温度以下になってバイアス電圧Ｖｂがゼロで電流ライン７，９に電流が流れた後は、実験例１と同様に、各温度で、電場の印加を行わずに電流計１５，１６で電流を測定した。このように行った測定結果を図１２（Ａ）（Ｂ）に示す。
図１２（Ａ）において、横軸は光電変換部１の温度を示し、縦軸は、電流計１５，１６により測定した電流の値を示す。図１２（Ａ）において、太い実線は電流計１５による測定値を示し、太い破線は電流計１６による測定値を示す。なお、図１２（Ａ）は、第１及び第２の電極２，３間と第３及び第４の電極５，６間に、バイアス電圧Ｖｂ，Ｖｂ２がゼロである状態で電流計１５，１６により測定された値を示す。
図１２（Ａ）の太い実線が示すように、光電変換部１の温度を下げていく過程で、光電変換部１の温度がキュリー温度以下になると、急に電流が生じた。これは、光電変換部１が、キュリー温度で強誘電体に転移して、電場の印加により構造の空間反転対称性が破れたことを示している。
また、図１２（Ａ）の太い実線の測定結果から分かるように、光電変換部１の分極方向に第１及び第２の電極２，３を離間させることにより、光電変換部１への光入射による電流を光電変換部１から取り出すことができる。一方、図１２（Ａ）の太い破線の測定結果から分かるように、光電変換部１の分極方向と直交する方向に離間して配置した第３及び第４の電極５，６からは電流をほとんど取り出すことができない。
図１２（Ｂ）において、横軸は光電変換部１の温度を示し、縦軸は、第１及び第２の電極２，３間の開放端電圧ＶＯＣを示す。ＶＯＣの大きさは、電流計１５の測定値がゼロになる時に第１及び第２の電極２，３間に印加したバイアス電圧ＶＯＣの大きさである。図１２（Ｂ）から分かるように、ＶＯＣは、５０Ｋにおいて約６．５Ｖであり、光電変換部１のバンドギャップ幅（約０．５ｅＶ）に相当する電圧よりも非常に大きい。
また、実験例２では、図１１において光電変換部１の温度が７９Ｋである時に、光電変換部１に電場を方向ａに印加した場合と、光電変換部１に電場を方向ａと逆の方向ｂに印加した場合の各々について、上述のように第１及び第２の電極２，３間に印加するバイアス電圧Ｖｂを変えながら、電流計１５により電流を測定した。その測定結果を図１３に示す。
図１３において、横軸は、第１及び第２の電極２，３間に印加したバイアスＶｂを示し、縦軸は電流計１５により測定された電流値Ｉｏｂｓを示す。図１３において、測定結果Ａは、光電変換部１に対し電場を方向ａに印加した場合に光電変換部１に光を入射させた時の電流値Ｉｏｂｓを示し、測定結果Ｂは、光電変換部１に対し電場を方向ｂに印加した場合に光電変換部１に光を入射させた時の電流値Ｉｏｂｓを示し、測定結果Ｃは、光電変換部１に対し電場を方向ａに印加した場合に光電変換部１に光を入射させなかった時の電流値Ｉｏｂｓを示す。
図１３の測定結果Ａ，Ｂから分かるように、電場の印加方向を方向ａと方向ｂに切り替えることにより、光電変換部１の分極方向を切り換えて、第１及び第２の電圧から取り出される電流の向きを変えることができる。なお、図１３の測定結果Ｃでは、光電変換部１には光入射による電流は発生しておらず、バイアス電圧Ｖｂに比例する電流Ｉｏｂｓが発生している。
＜実験例３＞
本発明の実施形態による光電変換素子１０の実験例３について説明する。この実験例３では、光電変換部１を形成する極性材料を、TTF-CAとし、第１及び第２の電極２，３を形成する材料をPtとした。第１及び第２の電極２，３同士の離間距離を約６７０μｍに設定した。また、図１４のように、第１及び第２の電極２，３同士を電流ライン４（導線）で接続し、電流ライン４に電流計１４を設けた。
実験例３では、光電変換部１の温度をそのキュリー温度より低い７０Ｋにした場合と、光電変換部１の温度をそのキュリー温度より高い９０Ｋにした場合の各々について、次のように実験を行った。図１４のように、第１及び第２の電極２，３間の中間位置において光電変換部１にレーザ光を照射した。光電変換部１におけるレーザ光の照射領域（図１４の破線で囲んだ領域）は、電極２，３離間方向に直交する方向に線状に延びる領域である。照射領域の位置を、図１４の矢印が示す電極離間方向に変え、照射領域の位置毎に、電流計１４により電流を測定した。なお、光電変換部１の温度が７０Ｋの場合には、光電変換部１に対して電極離間方向に電場を印加することにより、光電変換部１の分極を電極離間方向に揃えてから、レーザ光を光電変換部１に照射した。
このように行った測定結果を図１５（Ａ）（Ｂ）に示す。図１５（Ａ）において、横軸は照射領域の位置を示し、縦軸は電流計１４により測定された電流値を示す。横軸の原点は、第１及び第２の電極２，３間における中央である。図１５において、太い実線は光電変換部１の温度が７０Ｋの場合の測定結果であり、太い破線は光電変換部１の温度が９０Ｋの場合の測定結果である。図１５（Ｂ）は、図１５（Ａ）における９０Ｋの場合の測定結果を縦軸方向に拡大した場合を示す。
７０Ｋの場合には、第１及び第２の電極２，３間において、どの位置にレーザ光を照射しても、大きな電流測定値が得られた。特に、７０Ｋの場合には、レーザ光を第１及び第２の電極２，３間の中央に照射した場合でも、大きな電流測定値（７０ｐＡ程度）が得られている。このことから、レーザ光により生じた多数キャリアが数１００μｍの距離を電極離間方向に移動していると理解できる。したがって、当該キャリアによる電流は、エネルギーの散逸が少ない電流（シフト電流）であることが分かる。
一方、９０Ｋの場合には、図１５（Ａ）（Ｂ）の太い破線が示すように、７０Ｋの場合と比べて電流測定値が非常に小さく、レーザ光の照射領域が電極２，３の近傍である時だけ電流が生じている。このような電流測定値のプロファイルは、生じた電流が典型的な拡散電流であることを示している。
＜実験例４：比較例との相違＞
比較例による光電変換素子２０の実験例４について説明する。光電変換素子２０は、図１６（Ａ）のように、第１及び第２の電極２２，２３を互いに離間させて光電変換部２１に接合したものである。光電変換部２１を形成する極性材料を、ｐ型半導体のSbSIとし、第１の電極２２を形成する材料をPtとし、第２の電極２３を形成する材料をLiF/Alとした。Ptのフェルミ準位は、SbSIのフェルミ準位よりも低いが、LiF/Alのフェルミ準位は、SbSIのフェルミ準位よりも高い。したがって、図１６（Ａ）の光電変換素子２０のバンド構造は上述した図４（Ｂ）のようになる。
また、図１６（Ａ）のように、第１及び第２の電極２２，２３同士を電流ライン２４で接続し、電流ライン２４に電流計２５を設けた。光電変換部２１に光を入射させた状態で、光電変換部２１の温度を次第に下げた。光電変換部２１の各温度で、第１及び第２の電極２２，２３間にバイアス電圧を印加せずに、電流ライン２４に流れる電流の値を電流計２５で測定した。なお、各温度において、光電変換部２１に対し図１６（Ａ）の方向ａに電場を印加して光電変換部２１を方向ａに分極させ、次いで、当該電場の印加を停止して、電流ライン２４を流れる電流を測定し、その後、光電変換部２１に対し図１６（Ａ）の方向ｂに電場を印加して光電変換部２１を方向ｂに分極させ、次いで、当該電場の印加を停止して、電流ライン２４を流れる電流を測定した。このように行った測定結果を図１６（Ｂ）に示す。
図１６（Ｂ）において、横軸は、光電変換部２１の温度を示し、縦軸は、電流計２５で測定した電流を示す。図１６（Ｂ）において、太い実線は、方向ａに電場を印加した場合の測定結果であり、太い破線は、方向ｂに電場を印加した場合の測定結果である。図１６（Ｂ）から分かるように、光電変換部２１の温度がキュリー温度（約２９５Ｋ）に近い場合に、光電変換部２１がキュリー温度以下において、電場の印加方向にかかわらず、電流は同じ方向に流れた。これは、図１３を参照して上述したように分極の向きを逆にすれば、第１及び第２の電極２，３から取り出される電流の向きも逆になるという本実施形態での特性と異なる。
＜実験例５＞
図１７（Ａ）は、極性材料SbSIのバンド構造を、各材料のフェルミ準位との関係で示した図である。図１７（Ａ）において、左側には、SbSIのバンド構造を示す。図１７（Ａ）の左側のSbSIにおいて、Ｅｆ０は、フェルミ準位を示し、Ｅｃは、伝導帯の下端のエネルギー準位を示し、Ｅｖは、価電子帯の上端のエネルギー準位を示す。Ｅｆ０，Ｅｃ，Ｅｖは、それぞれ、真空の電子のポテンシャルエネルギーよりも５．０ｅＶ，３．３５ｅＶ，５．５０ｅＶだけ低い。図１７（Ａ）の右側には、各材料Pt，Au，Ag，Al，LiF/Al，Mg，Caのフェルミ準位をそれぞれ太い横線で示している。
極性材料SbSIから形成された光電変換部に間隔をおいて２つの電極を設けた光電変換素子について実験を行った。この実験では、当該２つの電極の金属材料を、共に、図１７（Ａ）のPt，Au，Ag，Al，LiF/Al，Mg，又はCaとした各場合について、光電変換部の温度をSbSIのキュリー温度（約２９５Ｋ）より低い２００Ｋにし、且つ、２つの電極の離間方向に光電変換部を分極させた状態で、光電変換部への光入射により２つの電極から取り出された電流を測定した。当該測定は、２つの電極同士を接続する導線に設けた電流計で行った。この測定時に、２つの電極にはバイアス電圧を印加していない。このように行った測定結果を図１７（Ｂ）に示す。
図１７（Ｂ）において、横軸は、電極の材料の仕事関数（フェルミ準位に相当）を示し、縦軸は、上述のように測定された電流の値を示す。図１７（Ｂ）における黒い四角印は、上記２つの電極の材料が、共に、Pt，Au，Ag，Al，LiF/Al，Mg，又はCaである場合の測定結果を示す。
図１７（Ｂ）から分かるように、ｐ型半導体であるSbSIのフェルミ準位Ｅｆ０よりも低いフェルミ準位を有するPt又はAuを電極材料とした場合には、他の電極材料の場合と比べて大幅に大きい電流が取り出された。
＜実験例６：比較例との相違＞
本発明の実施形態による光電変換素子１０と従来例とを比較する実験を行った。本発明の実施形態による光電変換素子１０について、この例では、光電変換部１を形成する極性材料をSbSIとし、第１及び第２の電極２，３を形成する材料をPtとした。光電変換部１の温度を次第に下げ、上述と同様に、各温度で、光電変換部１を一定の電極離間方向に分極させ、光電変換部１に一定強度の光を入射させた状態で、第１及び第２の電極２，３から取り出される電流を測定した。図１８の太い実線は、本実施形態の測定結果である。
一方、ｐ−ｎ接合を有する従来の光電変換部と、光電変換部のｐ型半導体とｎ型半導体にそれぞれ接合された２つの電極を備える従来の光電変換素子を従来例として用意した。このような光電変換素子について、光電変換部の温度を次第に下げ、各温度で、光電変換部に一定強度の光を入射して２つの電極から取り出された電流の値を測定した。図１８の太い破線は、この従来例の測定結果である。
図１８の従来例から分かるように、ｐ−ｎ接合を有する従来の光電変換素子の場合には、低温になる程、電流が小さくなり、１００Ｋ程度以下では電流が消失している。すなわち、従来例の光電変換素子で発生じた電流は、低温では消失してしまう。これに対して、ｐ−ｎ接合を有しない本実施形態の場合には、低温になる程、電流が大きくなっている。すなわち、図１８から、本実施形態による光電変換素子１０で発生した電流は、低温でも、散乱が小さく、高い値に維持される電流（シフト電流）であることが分かる。
＜適用例＞
図１９（Ａ）は、本発明の実施形態による光電変換素子１０を適用した光センサ１００の概略構成図である。光センサ１００は、第１及び第２の電極２，３から取り出される電流により光電変換部１への光入射を検出する。光センサ１００は、上述した光電変換素子１０と、電流ライン４と、検出部１０１を備えてよい。
電流ライン４は、第１及び第２の電極２，３に接続されている。電流ライン４を介して第１及び第２の電極２，３が互いに接続されていてよい。光電変換部１で発生した電流は、第１及び第２の電極２，３を介して電流ライン４へ取り出される。
検出部１０１は、電流ライン４に流れる電流を検出する。検出部１０１は、当該電流を検出したら、光電変換部１へ光が入射した旨の検出信号を出力する。例えば、検出部１０１は、電流ライン４に流れる電流の値がしきい値を超えたら検出信号を出力するように構成されてよい。
図１９（Ｂ）は、本発明の実施形態による光電変換素子１０を適用した発電装置２００の概略構成図である。発電装置２００は、第１及び第２の電極２，３から取り出される電力を、蓄電池又は負荷（図１９（Ｂ）では蓄電池２０１）へ供給する。発電装置２００は、上述した光電変換素子１０と、電流ライン４と、蓄電池２０１（又は負荷）を備えてよい。なお、蓄電池２０１（又は負荷）は、発電装置２００の構成要素でなくてもよい。
電流ライン４は、第１及び第２の電極２，３に接続されている。電流ライン４を介して第１及び第２の電極２，３が互いに接続されていてよい。光電変換部１へ光が入射することにより光電変換部１で発生した電流は、第１及び第２の電極２，３を介して電流ライン４へ取り出される。ここで、光電変換部１へ入射する光は、例えば、太陽光であってもよいし、熱源から発せられる輻射光であってもよい。
蓄電池２０１は、光電変換部１で発生した電流による電力を、電流ライン４を介して受けて蓄える。
なお、蓄電池２０１の代わりに負荷を設ける場合、光電変換部１で発生した電流による電力は、電流ライン４を介して当該負荷に供給される。この負荷は、供給された電力を消費する機器（例えば電灯や駆動装置など）であってよい。
＜光電変換方法＞
本発明の実施形態による光電変換方法は、ステップＳ１，Ｓ２を有する。ステップＳ１では、上述した光電変換素子１０を用意して所望の位置に設置する。ステップＳ２では、ステップＳ１で用意した光電変換素子１０において、第１及び第２の電極２，３の間の位置で光電変換部１に光を入射させ、これにより光電変換部１で発生した電流を第１及び第２の電極２，３から電流ライン４に取り出す。取り出された電流は、電流ライン４を通って所望の箇所（例えば上述の検出部１０１、蓄電池２０１、又は負荷）に流入する。
ステップＳ２を行う前に、光電変換部１を電極離間方向に分極させて、光電変換部１の分極方向を揃えておく。この状態で、ステップＳ２を行う。例えば、光電変換部１を形成する極性材料が、強誘電性材料である場合には、ステップＳ２を行う前に、当該極性材料のキュリー温度以下の温度環境において、光電変換部１が強誘電体になっている状態で、光電変換部１に対して、電極離間方向に電場を印加することにより光電変換部１の分極方向を電極離間方向に揃える。この状態で、ステップＳ２を行う。ただし、ステップＳ２を行う時には、光電変換部１に対する電場の印加は解除されていてもよい。
＜実施形態の効果＞
（１）上述した本発明の実施形態によると、光電変換部１への光入射により発生する電子と正孔のペアは、光電変換部１を形成する極性材料の構造の空間反転対称性が破れていることによって、互いに反対方向に移動させられる。これにより、光電変換部１の多数キャリア（電子又は正孔）は、第１及び第２の電極２，３の一方へ移動する。
（２）一方、第１及び第２の電極２，３の他方から光電変換部１へ多数キャリアが流入することを妨げるポテンシャル障壁が生じていない。したがって、光電変換部１において多数キャリアが空間反転対称性の破れにより一方の電極２又は３へ移動することに伴って、他方の電極２又は３から多数キャリアが光電変換部１へ流れ込むようになる。
（３）上記（１）と（２）による電流は、ｐ−ｎ接合に由来して発生する電流とは発生メカニズムが基本的に異なる。このように発生メカニズムが従来と異なる電流は、散乱が少ないという特性を持つ（例えば上述の図１５（Ａ）を参照）。すなわち、従来におけるｐ−ｎ接合を有する光電変換部において光入射で生成したキャリアは、不純物、欠陥、格子振動などによる散乱の影響を受けながら移動するのに対し、本実施形態では、このような散乱の影響を受けない電流が発生する。このことに加えて、本実施形態では、上述のように多数キャリアに対するポテンシャル障壁が無いので、光電変換素子１０で発生した多数キャリアによる電流を外部へ効率よく取り出すことができる。
（４）光電変換部１がｐ−ｎ接合を有していないので、適正なｐ−ｎ接合面の形成など、ｐ−ｎ接合に関連する制約を考慮することが不要になる。
（５）温度の依存性の無い電流を、光電変換部１への光入射で発生させることが可能である（例えば上述の図９（Ａ）を参照）。
（６）光電変換部１のバンドギャップ幅に相当する電圧を遥かに超える起電力（開放端電圧ＶＯＣ）を得ることができる（例えば上述の図９（Ｂ）と図１２（Ｂ）を参照）
（７）従来のようにｐ−ｎ接合を有する光電変換部を用いて光電変換を行う場合には、電子数の揺らぎに起因するショットノイズが発生する。これに対し、上述した本実施形態による光電変換方法では、電子の波としての性質によって電流が生じるため、このようなショットノイズが発生しない。したがって、低ノイズの光電変換を実現できる。
（８）光電変換部１において電流はバンド間の光学遷移の時間スケール（通常フェムト秒程度）で発生するので、光電変換部１にパルス光を入射させる場合には、パルス光に対して応答が早くノイズの少ない光電変換が可能となる。したがって、例えば、応答が早くノイズの少ない光センサ１００を実現できる。
本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の技術的思想の範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、上述した各効果は必ずしも本発明を限定的するものではない。また、本発明は、本明細書で示された効果のいずれか、又は、本明細書から把握され得る他の効果が奏されるものであってもよい。
１ 光電変換部
２ 第１の電極
３ 第２の電極
４ 電流ライン
５ 第３の電極
６ 第４の電極
７，８，９，１１ 電流ライン
１０ 光電変換素子
１３ 抵抗
１４，１５，１６ 電流計
２０ 比較例の光電変換素子
２１ 比較例の光電変換部
２２ 比較例の第１の電極
２３ 比較例の第２の電極
２４ 電流ライン
２５ 電流計
１００ 光センサ
１０１ 検出部
２００ 発電装置
２０１ 蓄電池

Claims (14)

  1. 極性材料からなり、ｐ−ｎ接合を有しない光電変換部と、
    前記光電変換部に設けられ、間隔をおいて配置された第１及び第２の電極とを備え、
    前記光電変換部は、前記第１及び第２の電極との間で揃った方向に分極しており、空間反転対称性が破れている構造を有し、
    前記第１及び第２の電極は、ポテンシャル障壁を生じさせない金属材料からなり、
    前記ポテンシャル障壁は、前記光電変換部にとっての多数キャリアが前記第１及び第２の電極から前記光電変換部へ移動することを妨げるものであり、
    前記光電変換部に光が入射すると、前記多数キャリアが前記分極により前記第１及び第２の電極の一方へ移動して前記第１及び第２の電極間に起電力が発生するように、前記光電変換部と前記第１及び第２の電極が構成されている
    光電変換素子。
  2. 前記光電変換部がｐ型半導体である場合には、前記金属材料は、前記極性材料のフェルミ準位以下のフェルミ準位を有する
    請求項１に記載の光電変換素子。
  3. 極性材料からなり、ｐ−ｎ接合を有しない光電変換部と、
    前記光電変換部に設けられ、間隔をおいて配置された第１及び第２の電極とを備え、
    前記光電変換部の構造は、空間反転対称性が破れており、
    前記第１及び第２の電極は、ポテンシャル障壁を生じさせない金属材料からなり、
    前記ポテンシャル障壁は、前記光電変換部にとっての多数キャリアが前記第１及び第２の電極から前記光電変換部へ移動することを妨げるものであり、
    前記光電変換部がｎ型半導体である場合には、前記金属材料は、前記極性材料のフェルミ準位以上のフェルミ準位を有する
    光電変換素子。
  4. 前記第１の電極の前記金属材料は、前記第２の電極の前記金属材料と同じである
    請求項１から３のいずれか一項に記載の光電変換素子。
  5. 前記第１及び第２の電極は、前記光電変換部の分極方向に間隔をおいて配置されている
    請求項１から４のいずれか一項に記載の光電変換素子。
  6. 前記光電変換部は、焦電性材料または強誘電性材料で形成されている
    請求項１から５のいずれか一項に記載の光電変換素子。
  7. 極性材料からなり、ｐ−ｎ接合を有しない光電変換部と、
    前記光電変換部に設けられ、間隔をおいて配置された第１及び第２の電極とを備え、
    前記光電変換部の構造は、空間反転対称性が破れており、
    前記第１及び第２の電極は、ポテンシャル障壁を生じさせない金属材料からなり、
    前記ポテンシャル障壁は、前記光電変換部にとっての多数キャリアが前記第１及び第２の電極から前記光電変換部へ移動することを妨げるものであり、
    互いに結晶材料が異なるＡ層、Ｂ層、及びＣ層を順に積層したものを１つの積層薄膜として、
    前記光電変換部は、前記積層薄膜をＮ回（Ｎは１以上の整数）積層したものであり、
    前記Ａ層、Ｂ層、及びＣ層の各々は、ナノオーダーの厚みを有する原子層薄膜である
    光電変換素子。
  8. 前記焦電性材料は、GaFeO3，CdS，GaN，ZnO，CdTe，BiTeI，又はBiTeBrである
    請求項６に記載の光電変換素子。
  9. 前記強誘電性材料は、SbSI，BiSI，TTF-CA(tetrathiafulvalene-p-chloranil)，TTF-BA(tetrathiafulvalene-bromanil)，BiFeO3，TMB-TCNQ(tetramethylbenzidine- tetracyanoquinodimethane)，RMnO3(Rは希土類元素)，Ca3Mn2O7，LuFe2O4，GeTe，CH3NH3PbI3，(2-(ammoniomethyl)pyridinium)SbI5，Sn2P2S6，BaTiO3，PbTiO3，Pb5Ge3O11，Pb(Zr,Ti)O3 (PZT)，LiNbO3，LiTaO3，KNbO3，又はKH2PO4(KDP)である
    請求項６に記載の光電変換素子。
  10. 前記Ａ層、Ｂ層、及びＣ層の結晶材料の組み合わせは、LaAlO3，LaFeO3，及びLaCrO3の組み合わせ、又は、CaTiO3，BaTiO3，及びSrTiO3の組み合わせである
    請求項７に記載の光電変換素子。
  11. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の光電変換素子を備え、前記第１及び第２の電極から取り出される電流により前記光電変換部への光入射を検出する光センサ。
  12. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の光電変換素子を備え、前記第１及び第２の電極から取り出される電力を、蓄電池又は負荷へ供給する発電装置。
  13. 極性材料からなる光電変換部と、前記光電変換部に設けられ間隔をおいて配置された第１及び第２の電極とを備える光電変換素子を用いた光電変換方法であって、
    前記光電変換部は、ｐ−ｎ接合を有せず、前記第１及び第２の電極との間で揃った方向に分極しており、空間反転対称性が破れている構造を有するものであり、
    前記第１及び第２の電極は、ポテンシャル障壁を生じさせない金属材料からなり、前記ポテンシャル障壁は、前記光電変換部にとっての多数キャリアが前記第１及び第２の電極から前記光電変換部へ移動することを妨げるものであり、
    前記第１及び第２の電極の間において前記光電変換部に光を入射させることで、前記多数キャリアが前記分極により前記第１および第２の電極の一方へ移動して前記第１及び第２の電極間に起電力が発生し、前記第１及び第２の電極から電流を取り出す
    光電変換方法。
  14. 前記極性材料は、強誘電性材料であり、
    前記光電変換部に対して、前記第１及び第２の電極の離間方向に電場を印加することにより前記光電変換部の分極方向を前記離間方向に揃え、
    前記分極方向が前記離間方向に揃っている状態で、前記第１及び第２の電極の間において前記光電変換部に光を入射させ、前記光電変換部で発生した電流を前記第１及び第２の電極から取り出す
    請求項１３に記載の光電変換方法。
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