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光電変換素子、光電変換装置、光電変換素子前駆体、光の検出方法、および光電変換素子の製造方法

国内特許コード P210018006
整理番号 (K112P08WO)
掲載日 2021年12月21日
出願番号 特願2020-571137
出願日 令和2年1月30日(2020.1.30)
国際出願番号 JP2020003420
国際公開番号 WO2020162317
国際出願日 令和2年1月30日(2020.1.30)
国際公開日 令和2年8月13日(2020.8.13)
優先権データ
  • 特願2019-021974 (2019.2.8) JP
発明者
  • 二瓶 あゆみ
  • 宮坂 力
出願人
  • 国立研究開発法人科学技術振興機構
発明の名称 光電変換素子、光電変換装置、光電変換素子前駆体、光の検出方法、および光電変換素子の製造方法
発明の概要 本発明の光電変換素子は、無機半導体を主成分として含む複数の粒子またはその凝集体あるいは薄膜によって構成される第一層(104)と、前記粒子またはその凝集体の表面に対し、ペロブスカイト構造体を主成分として含む複数の粒子またはその凝集体あるいは薄膜によって構成される第二層(105)と、有機金属錯体を主成分として含む複数の粒子またはその凝集体あるいは薄膜によって構成される第三層(106A)、(106B)と、を順に積層してなり、伝導帯のエネルギー準位が、第一層(104)、第二層(105)、第三層(106A)、(106B)の順で高く、価電子帯における第二層(105)のエネルギー準位が、第三層(106A)、(106B)のエネルギー準位より高い。
従来技術、競合技術の概要

アバランシェフォトダイオード、光電子増倍管等の光電変換素子を用いて、光電流を増幅させる技術が知られている。アバランシェフォトダイオードは、無機半導体からなるpn接合間に、逆電圧を印加した状態で光を照射することにより、発生した電子・正孔と結晶格子との衝突、衝突された結晶格子からの電子・正孔の発生を連鎖的に繰り返させ、光電流を増幅させるものである。光電子増倍管は、複数のダイオードとそれを内包する真空管とで構成され、一つのダイオードに光を照射することにより、発生した電子のダイオードとの衝突、衝突されたダイオードからの電子の発生を連鎖的に繰り返させ、光電流を増幅させるものである。

一方、無機材料と有機材料とのハイブリッド構造を有する光電変換素子が、非特許文献1等に開示されている。この光電変換素子は、酸化チタンの表面にユーロピウムを介して有機物を結合させ、その有機物に紫外光を吸収させて発生する電荷によって、光電流増幅を行うものである。

産業上の利用分野

本発明は、光電変換素子、光電変換装置、光電変換素子前駆体、光の検出方法、および光電変換素子の製造方法に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
無機半導体を主成分として含む複数の粒子またはその凝集体あるいは薄膜によって構成される第一層と、
前記粒子またはその凝集体の表面に対し、ペロブスカイト構造体を主成分として含む複数の粒子またはその凝集体あるいは薄膜によって構成される第二層と、
有機金属錯体を主成分として含む複数の粒子またはその凝集体あるいは薄膜によって構成される第三層と、を順に積層してなり、
伝導帯において、前記第二層のエネルギー準位が前記第一層のエネルギー準位より高く、かつ前記第三層のエネルギー準位が前記第二層のエネルギー準位より高く、
価電子帯における前記第二層のエネルギー準位が、前記第三層のエネルギー準位より高いことを特徴とする光電変換素子。

【請求項2】
前記第二層が、価電子帯と伝導帯との間におけるエネルギー差が3.1eV未満である層であることを特徴とする請求項1に記載の光電変換素子。

【請求項3】
前記第一層および/または前記第三層が、価電子帯と伝導帯との間におけるエネルギー差が3.1eV以上である層であることを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載の光電変換素子。

【請求項4】
価電子帯において、前記第二層と前記第三層とのエネルギー準位差が、0.1eV以上あることを特徴とする請求項1~3のいずれか一項に記載の光電変換素子。

【請求項5】
前記有機金属錯体が、無機遷移金属と有機配位子とが配位結合してなる錯体であることを特徴とする請求項1~4のいずれか一項に記載の光電変換素子。

【請求項6】
前記有機配位子が環ヘテロ原子含有有機配位子またはアセチルアセトナート系有機配位子であることを特徴とする請求項5記載の光電変換素子。

【請求項7】
前記有機金属錯体が、無機遷移金属と、環ヘテロ原子含有有機配位子が有する環ヘテロ原子の非結合電子対とが、配位結合してなる錯体であることを特徴とする請求項1~6のいずれか一項に記載の光電変換素子。

【請求項8】
前記無機遷移金属が、前記第二層側に局在していることを特徴とする請求項5~7のいずれか一項に記載の光電変換素子。

【請求項9】
前記無機遷移金属がユーロピウムであり、前記環ヘテロ原子含有有機配位子がターピリジンであることを特徴とする請求項6~8のいずれか一項に記載の光電変換素子。

【請求項10】
前記無機半導体が、吸収波長を紫外光域に有する無機半導体であることを特徴とする請求項1~9のいずれか一項に記載の光電変換素子。

【請求項11】
前記無機半導体が、酸化チタンであることを特徴とする請求項1~10のいずれか一項に記載の光電変換素子。

【請求項12】
前記第二層が、1nm以上10nm以下の厚みを有する薄膜あるいは粒子またはその凝集体であることを特徴とする請求項1~11のいずれか一項に記載の光電変換素子。

【請求項13】
前記ペロブスカイト構造体が、組成式CHNHPbIで表される化合物であることを特徴とする請求項1~12のいずれか一項に記載の光電変換素子。

【請求項14】
前記第一層が、-8eV以上の価電子帯のエネルギー準位を有し、かつ、-4eV以下の伝導帯のエネルギー準位を有する層であることを特徴とする請求項1~12のいずれか一項に記載の光電変換素子。

【請求項15】
前記第二層が、-5.5eV以上の価電子帯のエネルギー準位を有し、かつ、-3eV以下の伝導帯のエネルギー準位を有する層であることを特徴とする請求項1~14のいずれか一項に記載の光電変換素子。

【請求項16】
前記第三層が、-6eV以上の価電子帯のエネルギー準位を有し、かつ、-2eV以下の伝導帯のエネルギー準位を有する層であることを特徴とする請求項1~15のいずれか一項に記載の光電変換素子。

【請求項17】
請求項1~16のいずれか一項に記載の光電変換素子において、
前記第一層を挟んで前記第二層の反対側に、負極層が積層され、
前記第三層を挟んで前記第二層の反対側に、正極層が積層されてなることを特徴とする光電変換装置。

【請求項18】
無機半導体を主成分として含む複数の粒子またはその凝集体あるいは薄膜によって構成される第一層と、ペロブスカイト構造体を主成分として含む複数の粒子またはその凝集体あるいは薄膜によって構成される第二層と、が積層されてなり、前記第二層の伝導帯のエネルギー準位が、前記第一層の伝導帯のエネルギー準位より高いことを特徴とする光電変換素子前駆体。

【請求項19】
請求項17に記載の光電変換装置において、前記第二層に可視光および/または近赤外光を受光させることにより、前記負極層と前記正極層との間に電圧を印加し、流れる電流の測定結果から可視光および/または近赤外光を検出する工程を含むことを特徴とする光の検出方法。

【請求項20】
基材の表面に、無機半導体を主成分として含む複数の粒子またはその凝集体あるいは薄膜によって構成される第一層が積層された第一積層体を形成する第一工程と、
前記第一層の露出面に、ペロブスカイト構造体を主成分として含む複数の粒子またはその凝集体あるいは薄膜によって構成される第二層が積層された第二積層体を形成する第二工程と、
前記第二層の露出面に、有機金属錯体を主成分として含む複数の粒子またはその凝集体あるいは薄膜によって構成される第三層が積層された第三積層体を形成する第三工程と、を有することを特徴とする光電変換素子の製造方法。
ここで、各層の伝導帯のエネルギー準位が、前記第一層、前記第二層、前記第三層の順で高く、かつ、前記各層の価電子帯における前記第二層のエネルギー準位が、前記第三層のエネルギー準位より高い。

【請求項21】
前記第三工程が、前記第二層の露出面に、無機遷移金属を主成分として含む複数の粒子またはその凝集体あるいは薄膜によって構成される層を形成し、次いで、前記層に含まれる無機遷移金属に、有機配位子を配位結合させる工程を含むことを特徴とする請求項20に記載の光電変換素子の製造方法。
国際特許分類(IPC)
Fターム
  • 5F849AA17
  • 5F849AB01
  • 5F849AB11
  • 5F849BA01
  • 5F849BA03
  • 5F849CB05
  • 5F849CB11
  • 5F849DA31
  • 5F849FA02
  • 5F849FA05
  • 5F849FA06
  • 5F849XA02
  • 5F849XA14
  • 5F849XA53
画像

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JP2020571137thum.jpg
出願権利状態 公開
参考情報 (研究プロジェクト等) さきがけ 光の極限制御・積極利用と新分野開拓 領域
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