JPH1137838A - 高感度受光素子 - Google Patents

高感度受光素子

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JPH1137838A
JPH1137838A JP9194023A JP19402397A JPH1137838A JP H1137838 A JPH1137838 A JP H1137838A JP 9194023 A JP9194023 A JP 9194023A JP 19402397 A JP19402397 A JP 19402397A JP H1137838 A JPH1137838 A JP H1137838A
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G9/00Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
    • H01G9/20Light-sensitive devices
    • H01G9/2045Light-sensitive devices comprising a semiconductor electrode comprising elements of the fourth group of the Periodic System (C, Si, Ge, Sn, Pb) with or without impurities, e.g. doping materials
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/542Dye sensitized solar cells

Abstract

(57)【要約】 【課題】 応答速度が速く、しかも安定性に優れた高感
度受光素子を提供する。 【解決手段】 高感度受光素子において、透明電極1
と、イオン導電性電解質2と、シリコン電極3とを備
え、光量変化に対して時間微分型の光電応答を出力す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光量の変化を迅速
な応答速度で電気信号に変換する機能を有する高感度受
光素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、微分応答性を示す受光素子は、既
に透明電極/バクテリオロドプシン薄膜/電解質/対極
の構成からなる電気化学セルで達成されている(特開平
3−205520号公報やMiyasaka,Koya
ma,and Itoh Science 255 3
42 1992など参照)。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】このような受光素子
は、材料レベルで微分型の応答を示す最初の例として知
られ、数々のメリットを有するが、最大の欠点は感度が
非常に低いことであった。また、基本材料としてタンパ
ク質を用いている関係で、その安定性も懸念されてい
た。
【0004】図3はかかる従来の受光素子の応答パター
ンを示す図である(本発明の効果との関係で後述す
る)。本発明は、上記問題点を除去し、応答速度が速
く、しかも安定性に優れた高感度受光素子を提供するこ
とを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、 〔1〕高感度受光素子において、透明電極と、イオン導
電性電解質と、半導体電極とを備え、光量変化に対して
時間微分型の光電応答を出力するようにしたものであ
る。
【0006】〔2〕上記〔1〕記載の高感度受光素子に
おいて、前記半導体電極がシリコンである。 〔3〕上記〔2〕記載の高感度受光素子において、前記
シリコンがn形シリコンである。 〔4〕上記〔2〕記載の高感度受光素子において、前記
シリコンがp形シリコンである。
【0007】〔5〕上記〔1〕記載の高感度受光素子に
おいて、前記イオン導電性電解質が固体電解質である。 〔6〕上記〔1〕記載の高感度受光素子において、立ち
上がりの応答速度が20μs以下の高速である。
【0008】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しながら詳細に説明する。図1は本発明の実施例
を示す高感度受光素子の構成図である。この図に示すよ
うに、高感度受光素子は、透明電極1と作用極としての
シリコン電極(シリコン基板)3の間に、イオン導電性
電解質2を挟む構成となっている。
【0009】この高感度受光素子の外部端子間には応答
速度の調整用抵抗4(抵抗が小さくなるにしたがって応
答速度が速くなる)が接続されるとともに、シリコン基
板3の出力線はアース5されている。その出力端子6,
7間にオシロスコープ8が接続されている。このような
構成の高感度受光素子に可視光を透明電極1側から照射
すると、外部回路に光電流の早い立ち上がりが観測され
た後、そのままゼロレベルにもどり、光オフで光電流は
逆方向にふれ、元のレベルに戻った。いわゆる時間微分
型の応答性を有する。
【0010】このときシリコン電極3にn形を用いる
と、光オン時の光電流は、アノード側にふれる。換言す
れば、電子はイオン導電性電解質2からシリコン電極3
側へと移動し、光オフ時に電子はシリコン電極3側から
イオン導電性電解質2側へと移動する。シリコン電極3
がp形では逆のパターンが得られる。すなわち、光オン
時の光電流は、カソード側にふれる。換言すれば、電子
はシリコン電極3側からイオン導電性電解質2側へと移
動し、光オフ時に電子はイオン導電性電解質2側からシ
リコン電極3側へと移動する。
【0011】〔具体例〕透明電極1としてSnO2 、イ
オン導電性電解質2として、0.1モルKCl(NaC
lなどでもよい)を、作用極であるn形シリコン基板を
用い、図1に示すような2電極系の電気化学セルを構成
した。イオン導電性電解質2の厚みは1mmに設定し
た。このセルに150Wキセノン光をIR(赤外線)カ
ットフィルターと黄色フィルター(HOYA Y48)
を通して0.25秒間露光した。
【0012】図2は本発明の実施例を示すn形シリコン
基板を使用した高感度受光素子の応答パターンを示す図
である。この図からも明らかなように、本発明の高感度
受光素子の応答は、図3に示す従来の受光素子の応答と
比較すると、応答感度が、数千倍(縦軸のメモリV対m
V)改良されているのがわかる。安定性もすべて無機材
料から構成されている関係で全く問題はない。
【0013】このように、本発明によれば、シリコン電
極3を作用極として用いることによって、従来のセルに
比べて感度で3桁、応答速度で少なくとも1桁以上改善
することができた。更に、電極の説明をすると、透明電
極としては、各種の貴金属(Au,Ptなど)あるいは
導電性の金属酸化物(SnO2 ,In2 2 ,RuO2
など)が好ましく用いられる。中でも光透過性の点で好
ましいものは、AuもしくはPtの薄膜(厚さ1000
Å以下)、もしくはSnO2 ,In2 2 及びこれらの
複合体(ITO)の薄膜である。これらの中でも、光透
過性の良さに加えて電極材料の化学的安定性及び光応答
における電流のS/N比の点で特に好ましく用いられる
ものは、SnO2 及びITOである。
【0014】SnO2 及びITOの導電性は、伝導率と
して102 Ω-1cm-1以上が好ましく、103 Ω-1cm
-1以上が特に好ましい。これらの導電性電極材料はガラ
スや樹脂など透明の支持体上に真空蒸着法やスパッタリ
ング法などによって薄膜として担持され、その薄膜は好
ましくは100〜10000Å、特に500〜6000
Åが好ましい。
【0015】次に、電解質について述べると、本発明で
イオン伝導性の媒体として用いる電解質は、電解水溶
液、無機材料もしくは高分子有機材料からなる固体電解
質が含まれる。電解水溶液は支持塩を含む水溶液であ
り、支持塩としては、例えば、KCl,NaCl,K2
SO4 ,KNO2 ,LiCl,NaClO4 などが用い
られる。
【0016】支持塩の濃度は、通常0.01モル/l〜
2モル/lであり、好ましくは0.05モル/l〜1モ
ル/lである。固体電解質としては、高分子有機材料を
媒体とする高分子電解質が好ましく用いられ、例えば、
ゼラチン、寒天、ポリアクリルアミド、ポリビニルアル
コール、汎用のカチオンおよびアニオン交換樹脂やこれ
らの混合物を媒体とし、これにイオンキャリアーとして
支持塩と必要ならば水分を含むものが用いられる。
【0017】また、固体電解質としては、例えば、H+
- WO3 系、Na+ −β- Al2 3 系、K+ - ZnO
系、PbCl2 /KCl,SnCl2 などの無酸化物の
他、ゼラチン、寒天、ポリビニルアルコール、汎用のカ
チオン交換樹脂やアニオン交換樹脂などの高分子化合物
の媒体中にイオンキャリアーとして塩を含ませてなる高
分子電解質も用いることができる。
【0018】なお、上記実施例では、2電極系の例を挙
げたが、必要ならば第3の電極要素として参照電極を含
んでいてもよく、この場合、参照電極は、イオン導電性
電解質中に挿入される。この際、参照極と作用極もしく
は透明電極との間に、外部から電圧が印加されていても
よい。3極構成のセルにおいて、電流の計測装置を含む
外部回路のセットアップとして有用なものの1つとして
定電位電解装置(ポテンシオスタット)が挙げられる。
【0019】第3の電極を用いる場合には、好ましいも
のは、銀/塩化銀電極、塩化水銀電極もしくは飽和カロ
メル電極であるが、素子の形状の微小化のためには、銀
/塩化銀電極が好ましく用いられる。これら、対極、参
照電極の形状は薄膜もしくは基板の形態でもよいし、微
小なプローブの形状でもよい。この応答プロフィール
は、数千回の露光に対しても減衰することなく再現でき
た。バンドパスフィルターを用いて光源を分光すること
によって、応答の分光スペクトルを測定した結果、約4
00nmから700nmの可視光全域で強い応答が得ら
れた。
【0020】また、立ち上がりの応答速度は20μs以
下と高速である。このように、本発明の高感度受光素子
は、光の変化を迅速に電気信号に変換する機能を有し、
光センサー、光スイッチ、人工網膜など工学的に有用な
素子として構成可能である。なお、高感度受光素子の外
部回路には増幅器等を付加して増幅する等の波形処理を
施すようにすることは必要に応じて適宜実施することが
できる。
【0021】また、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
【0022】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、以下のような効果を奏することができる。 (A)応答速度が速く、しかも安定性に優れた高感度受
光素子を提供することができる。
【0023】(B)光の変化を迅速に電気信号に変換す
ることができる。その場合、出力される光電流の方向を
作用極としてのシリコン基板をn形かp形の選択によっ
て変更することができる。 (C)光センサー、光スイッチ、人工網膜など工学的に
有用な素子として構成可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例を示す高感度受光素子の構成図
である。
【図2】本発明の実施例を示すn形シリコン基板を使用
した高感度受光素子の応答パターンを示す図である。
【図3】従来の受光素子の応答パターンを示す図であ
る。
【符号の説明】
1 透明電極 2 イオン導電性電解質 3 シリコン電極(シリコン基板)(作用極) 4 抵抗 5 アース 6,7 出力端子 8 オシロスコープ

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】(a)透明電極と、(b)イオン導電性電
    解質と、(c)半導体電極とを備え、(d)光量変化に
    対して時間微分型の光電応答を出力することを特徴とす
    る高感度受光素子。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の高感度受光素子におい
    て、前記半導体電極がシリコンであることを特徴とする
    高感度受光素子。
  3. 【請求項3】 請求項2記載の高感度受光素子におい
    て、前記シリコンがn形シリコンであることを特徴とす
    る高感度受光素子。
  4. 【請求項4】 請求項2記載の高感度受光素子におい
    て、前記シリコンがp形シリコンであることを特徴とす
    る高感度受光素子。
  5. 【請求項5】 請求項1記載の高感度受光素子におい
    て、前記イオン導電性電解質が固体電解質であることを
    特徴とする高感度受光素子。
  6. 【請求項6】 請求項1記載の高感度受光素子におい
    て、立ち上がりの応答速度が20μs以下の高速である
    ことを特徴とする高感度受光素子。
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