BR112017024352B1 - Dispositivos fotovoltaicos com camadas interfaciais de titanato e material de perovskita - Google Patents
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Abstract
CAMADAS INTERFACIAIS DE TITANATO EM DISPOSITIVOS DE MATERIAL DE PEROVSKITA. A presente invenção se refere a dispositivos fotovoltaicos, tais como células solares, baterias híbridas de célula solar e outros tais dispositivos, que podem incluir uma camada ativa disposta entre dois eletrodos. A camada ativa pode ter material de perovskita e outro material, tais como material mesoporoso, camadas interfaciais, camadas interfaciais de revestimento fino e combinações dos mesmos. O material de perovskita pode ser fotoativo. A camada ativa pode incluir um titanato. O material de perovskita pode estar disposto entre dois ou mais outros materiais no dispositivo fotovoltaico. A inclusão desses materiais em várias disposições dentro de uma camada ativa de um dispositivo fotovoltaico pode melhorar o desempenho do dispositivo. Outros materiais podem ser incluídos para melhorar adicionalmente o desempenho do dispositivo, tais como, por exemplo: perovskitas adicionais e camadas interfaciais adicionais.
Description
[0001] O uso de fotovoltaicos (PVs) para gerar potência elétrica a partir de radiação ou energia solar pode fornecer muitos benefícios, incluindo, por exemplo, uma fonte de alimentação, emissões baixas ou inexistentes, produção de potência independente da rede elétrica, estruturas físicas duráveis (sem partes móveis), sistemas confiáveis e estáveis, construção modular, instalação relativamente rápida, uso e fabricação seguros e opinião pública e aceitação de uso satisfatórias.
[0002] Os recursos e as vantagens da presente invenção serão prontamente evidentes para os indivíduos versados na técnica. Embora diversas alterações possam ser feitas pelos indivíduos versados na técnica, tais alterações são abrangidas pelo espírito da invenção.
[0003] A Figura 1 é uma ilustração de projeto de DSSC que retrata diversas camadas do DSSC de acordo com algumas modalidades da presente revelação.
[0004] A Figura 2 é outra ilustração de projeto de DSSC que retrata diversas camadas do DSSC de acordo com algumas modalidades da presente revelação.
[0005] A Figura 3 é uma ilustração exemplificativa do projeto de dispositivo de BHJ de acordo com algumas modalidades da presente revelação.
[0006] A Figura 4 é uma vista esquemática de uma célula fotovoltaica típica que inclui uma camada ativa de acordo com algumas modalidades da presente revelação.
[0007] A Figura 5 é um esquema de um dispositivo de DSSC de estado sólido típico de acordo com algumas modalidades da presente revelação.
[0008] A Figura 6 é um diagrama estilizado que ilustra componentes de um dispositivo de PV exemplificativo de acordo com algumas modalidades da presente revelação.
[0009] A Figura 7 é um diagrama estilizado que mostra componentes de um dispositivo de PV exemplificativo de acordo com algumas modalidades da presente revelação.
[0010] A Figura 8 é um diagrama estilizado que mostra componentes de um dispositivo de PV exemplificativo de acordo com algumas modalidades da presente revelação.
[0011] A Figura 9 é um diagrama estilizado que mostra componentes de um dispositivo de PV exemplificativo de acordo com algumas modalidades da presente revelação.
[0012] A Figura 10 é um diagrama estilizado de um dispositivo de material de perovskita de acordo com algumas modalidades.
[0013] A Figura 11 é um diagrama estilizado de um dispositivo de material de perovskita de acordo com algumas modalidades.
[0014] A Figura 12 mostra imagens de um microscópio eletrônico de varredura em corte transversal que comparam um PV de perovskita fabricado com água (superior) e sem água (inferior).
[0015] As Figuras 13 a 20 são diagramas estilizados de dispositivos de material de perovskita, de acordo com algumas modalidades.
[0016] Aperfeiçoamentos em diversos aspectos das tecnologias de PV compatíveis com PVs orgânicos, não orgânicos e/ou híbridos prometem reduzir adicionalmente o custo tanto de PVs orgânicos quanto outros PVs. Por exemplo, algumas células solares, tais como células solares sensibilizadas por corante de estado sólido, podem ter vantagem com os componentes alternativos de alta estabilidade e de baixo custo inovadores, tais como materiais de transporte de carga de estado sólido (ou, coloquialmente, “eletrólitos de estado sólido”). Além disso, diversos tipos de células solares podem incluir, vantajosamente, materiais de interface e outros materiais que podem, dentre outras vantagens, ser mais duráveis e de menor custo do que as opções convencionais atualmente existentes.
[0017] A presente revelação se refere, de modo geral, a composições de matéria, aparelho e métodos de uso de materiais em células fotovoltaicas na criação de energia elétrica a partir de radiação solar. Mais especificamente, esta revelação se refere a composições fotoativas e outras composições de matéria, assim como aparelho, métodos de uso e formação dessas composições de matéria.
[0018] Os exemplos dessas composições de matéria podem incluir, por exemplo, materiais de transporte de lacuna e/ou materiais que podem ser adequados para uso como, por exemplo, camadas de interface (IFLs), corantes e/ou outros elementos de dispositivos PV. Tais compostos podem ser distribuídos em uma variedade de dispositivos PV, tais como células de heterojunção (por exemplo, bicamada e volume), células híbridas (por exemplo, orgânicos com CH3NH3PbI3, nanobastões de ZnO ou pontos quânticos de PbS) e DSSCs (células solares sensibilizadas por corante). Os últimos, DSSCs, existem em três formas: eletrólitos à base de solvente, eletrólitos de líquido iônico e transportadores de lacuna de estado sólido (ou DSSCs de estado sólido, isto é, SS-DSSCs). As estruturas de SS-DSSC, de acordo com algumas modalidades, podem ser substancialmente livres de eletrólito, contendo, em vez disso, materiais de transporte de lacuna, como spiro-OMeTAD, CsSnI3 e outros materiais ativos.
[0019] Alguns ou todos os materiais, de acordo com algumas modalidades da presente revelação, também podem ser vantajosamente usados em qualquer dispositivo orgânico ou outro dispositivo eletrônico, em que alguns exemplos incluem, sem limitação: baterias, transistores de efeito de campo (FETs), diodos emissores de luz (LEDs), dispositivos ópticos não lineares, memristores, capacitores, retificadores e/ou antenas de retificação.
[0020] Em algumas modalidades, a presente revelação pode fornecer PV e outros dispositivos semelhantes (por exemplo, baterias, baterias de PV híbridas, PVs de múltiplas junções, FETs, LEDs etc.). Esses dispositivos podem, em algumas modalidades, incluir material ativo aperfeiçoado, camadas de interface e/ou um ou mais materiais de perovskita. Um material de perovskita pode ser incorporado em diversos aspectos dentre um ou mais aspectos de um PV ou outro dispositivo. Um material de perovskita, de acordo com algumas modalidades, pode ter a fórmula geral CMX3, em que: C compreende um ou mais cátions (por exemplo, uma amina, um amônio, um metal do Grupo 1, um metal do Grupo 2 e/ou outros cátions ou compostos semelhantes a cátion); M compreende um ou mais metais (exemplos que incluem Fe, Co, Ni, Cu, Sn, Pb, Bi, Ge, Ti e Zr); e X compreende um ou mais ânions. Os materiais de perovskita, de acordo com várias modalidades, são discutidos em maiores detalhes abaixo.
[0021] Algumas modalidades de PV podem ser descritas a título de referência a diversas representações de células solares, conforme mostrado nas Figuras 1, 3, 4 e 5. Por exemplo, uma arquitetura de PV exemplificativa, de acordo com algumas modalidades, pode ter substancialmente a forma substrato-ânodo-IFL-camada ativa-IFL-cátodo. A camada ativa de algumas modalidades pode ser fotoativa e/ou pode incluir material fotoativo. Outras camadas e materiais podem ser utilizados na célula, conforme é conhecido na técnica. Além disso, deve ser observado que o uso do termo “camada ativa” não se destina de qualquer modo a restringir ou, de outro modo, definir, explícita ou implicitamente, as propriedades de qualquer outra camada — por exemplo, em algumas modalidades, qualquer uma ou ambas as IFLs também podem ser ativas na medida em que as mesmas também podem ser semicondutoras. Em particular, referindo-se à Figura 4, uma célula de PV genérica estilizada 2610 é retratada, ilustrando a natureza altamente interfacial de algumas camadas dentro do PV. O PV 2610 representa uma arquitetura genérica aplicável a diversos dispositivos de PV, tais como modalidades de PV de material de perovskita. A célula de PV 2610 inclui uma camada transparente 2612 de vidro (ou material transparente de modo semelhante à radiação solar), o que permite que a radiação solar 2614 seja transmitida através da camada. A camada transparente de algumas modalidades também pode ser referida como substrato (por exemplo, como com a camada de substrato 1507 da Figura 1) e pode compreender qualquer um ou mais dentre uma variedade de materiais rígidos ou flexíveis, tais como: vidro, polietileno, PET, Kapton, quartzo, folha de alumínio, folha de ouro ou aço. A camada fotoativa 2616 é composta por doador de elétrons ou material tipo p 2618 e/ou um aceitador de elétron ou material tipo n 2620 e/ou um semicondutor ambipolar, que exibe características de material tipo tanto p quanto n. A camada ativa ou, conforme retratado na Figura 4, a camada fotoativa 2616, é ensanduichada entre duas camadas de eletrodo eletricamente condutivas 2622 e 2624. Na Figura 4, a camada de eletrodo 2622 é um óxido de índio dopado com estanho (material de ITO). Conforme observado anteriormente, uma camada ativa de algumas modalidades não precisa ser necessariamente fotoativa, embora seja no dispositivo mostrado na Figura 4. A camada de eletrodo 2624 é um material de alumínio. Outros materiais podem ser usados conforme é conhecido na técnica. A célula 2610 também inclui uma camada de interface (IFL) 2626, mostrada no exemplo da Figura 4 como um material de ZnO. A IFL pode auxiliar na separação de carga. Em algumas modalidades, a IFL 2626 pode compreender um composto orgânico, de acordo com a presente revelação, como uma monocamada automontada (SAM) ou como uma película fina. Em outras modalidades, a IFL 2626 pode compreender uma IFL de múltiplas camadas, que é discutido em maiores detalhes abaixo. Também pode ter uma IFL 2627 adjacente ao eletrodo 2624. Em algumas modalidades, a IFL 2627 adjacente ao eletrodo 2624 também pode compreender, ou compreende em vez disso, um composto orgânico de acordo com a presente revelação como uma monocamada automontada (SAM) ou como uma película fina. Em outras modalidades, a IFL 2627 adjacente ao eletrodo 2624 também pode compreender, ou compreende em vez disso, uma IFL de múltiplas camadas (novamente, discutido em maiores detalhes abaixo). Uma IFL de acordo com algumas modalidades pode ser semicondutora em caráter e pode ser do tipo p ou tipo n ou pode ser dielétrica em caráter. Em algumas modalidades, a IFL no lado de cátodo do dispositivo (por exemplo, IFL 2627, conforme mostrado na Figura 4) pode ser do tipo p e a IFL no lado de ânodo do dispositivo (por exemplo, IFL 2626, conforme mostrado na Figura 4) pode ser tipo n. Em outras modalidades, entretanto, a IFL de lado de cátodo pode ser do tipo n e a IFL de lado de ânodo pode ser do tipo p. A célula 2610 é fixada a derivações 2630 e uma unidade de descarga 2632, tal como uma bateria.
[0022] Ainda outras modalidades podem ser descritas com referência à Figura 3, a qual retrata um projeto de dispositivo de BHJ estilizado e inclui: substrato de vidro 2401; eletrodo de ITO (óxido de índio dopado com estanho) 2402; camada de interface (IFL) 2403; camada fotoativa 2404; e cátodos de LiF/Al 2405. Os materiais de construção de BHJ mencionados são meros exemplos; qualquer outra construção de BHJ conhecida na técnica pode ser usada de modo consistente com a presente revelação. Em algumas modalidades, a camada fotoativa 2404 pode compreender qualquer um ou mais materiais que a camada ativa ou fotoativa 2616 do dispositivo da Figura 4 possa compreender.
[0023] A Figura 1 é uma ilustração simplificada de PVs de DSSC de acordo com algumas modalidades, mencionada no presente contexto para propósitos de ilustração da montagem de tais PVs exemplificativos. Um DSSC exemplificativo, conforme mostrado na Figura 1, pode ser construído de acordo com o seguinte: camada de eletrodo 1506 (mostrada como óxido de estanho dopado com flúor, FTO) é depositada sobre uma camada de substrato 1507 (mostrada como vidro). A camada mesoporosa ML 1505 (que pode, em algumas modalidades, ser TiO2) é depositada sobre a camada de eletrodo 1506 e, então, o fotoeletrodo (que compreende até o momento camada de substrato 1507, camada de eletrodo 1506 e camada mesoporosa 1505) é embebido em um solvente (não mostrado) e corante 1504. Isso deixa o corante 1504 preso à superfície da ML. Um contraeletrodo separado é produzido compreendendo uma camada de substrato 1501 (também mostrada como vidro) e uma camada de eletrodo 1502 (mostrada como Pt/FTO). O fotoeletrodo e o contraeletrodo são combinados, ensanduichando as diversas camadas 1502 a 1506 entre as duas camadas de substrato 1501 e 1507, conforme mostrado na Figura 1, e permitindo que as camadas de eletrodo 1502 e 1506 sejam utilizadas como um cátodo e um ânodo, respectivamente. Uma camada de eletrólito 1503 é depositada diretamente sobre o fotoeletrodo completo após a camada de corante 1504 ou através de uma abertura no dispositivo, tipicamente uma lacuna pré-perfurada por meio de jateamento de areia no substrato de contraeletrodo 1501. A célula também pode ser fixada a derivações e a uma unidade de descarga, tais como uma bateria (não mostrada). A camada de substrato 1507 e a camada de eletrodo 1506 e/ou a camada de substrato 1501 e a camada de eletrodo 1502 devem ter transparência suficiente para permitir que a radiação solar atravesse até o corante fotoativo 1504. Em algumas modalidades, o contraeletrodo e/ou o fotoeletrodo pode ser rígido, enquanto, em outros, qualquer um ou ambos podem ser flexíveis. As camadas de substrato de diversas modalidades podem compreender qualquer um ou mais dentre: vidro, polietileno, PET, Kapton, quartzo, folha de alumínio, folha de ouro e aço. Em determinadas modalidades, um DSSC pode incluir adicionalmente uma camada de coleta de luz 1601, conforme mostrado na Figura 2, para difundir luz incidente a fim de aumentar o comprimento do trajeto da luz através da camada fotoativa do dispositivo (aumentando, desse modo, a probabilidade de a luz ser absorvida na camada fotoativa).
[0024] Em outras modalidades, a presente revelação fornece DSSCs de estado sólido. Os DSSCs de estado sólido, de acordo com algumas modalidades, podem fornecer vantagens tais como falta de vazamento e/ou problemas de corrosão, o que pode afetar os DSSCs que compreendem eletrólitos líquidos. Além disso, um portador de carga de estado sólido pode fornecer física de dispositivo mais rápida (por exemplo, transporte de carga mais rápido). Adicionalmente, eletrólitos de estado sólido podem, em algumas modalidades, ser fotoativos e, portanto, contribuir para potência derivada de um dispositivo de DSSC de estado sólido.
[0025] Alguns dos exemplos de DSSCs de estado sólido podem ser descritos a título de referência à Figura 5, que é um esquema estilizado de um DSSC de estado sólido típico. Como com a célula solar exemplificativa retratada, por exemplo, na Figura 4, uma camada ativa compreendida por um primeiro e um segundo material ativo (por exemplo, condutor e/ou semicondutor) (2810 e 2815, respectivamente) é ensanduichada entre os eletrodos 2805 e 2820 (mostrados na Figura 5 como Pt/FTO e FTO, respectivamente). Na modalidade mostrada na Figura 5, o primeiro material ativo 2810 é o material ativo do tipo p e compreende um eletrólito de estado sólido. Em determinadas modalidades, o primeiro material ativo 2810 pode compreender um material orgânico, tal como spiro-OMeTAD e/ou poli(3- hexiltiofeno), um material binário, ternário, quaternário inorgânico ou de complexo maior inorgânico, qualquer material semicondutor sólido ou qualquer combinação dos mesmos. Em algumas modalidades, o primeiro material ativo pode compreender, alternativa ou adicionalmente, um óxido e/ou um sulfeto, e/ou um seleneto e/ou um iodeto (por exemplo, CsSnI3). Dessa forma, por exemplo, o primeiro material ativo de algumas modalidades pode compreender material tipo p de estado sólido, o qual pode compreender sulfeto de índio e cobre, e, em algumas modalidades, pode compreender seleneto de gálio, índio e cobre. O segundo material ativo 2815 mostrado na Figura 5 é material ativo tipo n e compreende TiO2 revestido com um corante. Em algumas modalidades, o segundo material ativo pode compreender, do mesmo modo, um material orgânico, tal como spiro-OMeTAD, um material binário, ternário, quaternário ou de complexo maior inorgânico ou qualquer combinação dos mesmos. Em algumas modalidades, o segundo material ativo pode compreender um óxido, tal como alumina, e/ou pode compreender um sulfeto e/ou o mesmo pode compreender um seleneto. Portanto, em algumas modalidades, o segundo material ativo pode compreender sulfeto de índio e cobre e, em algumas modalidades, pode compreender seleneto de gálio, índio e cobre. O segundo material ativo 2815 de algumas modalidades pode constituir uma camada mesoporosa. Além disso, além de ser ativo, qualquer um tanto o primeiro quanto o segundo materiais ativos 2810 e 2815 podem ser fotoativos. Em outras modalidades (não mostrado na Figura 5), o segundo material ativo pode compreender um eletrólito sólido. Além disso, em modalidades em que qualquer um dentre o primeiro e o segundo materiais ativos 2810 e 2815 compreende um eletrólito sólido, o dispositivo de PV pode não ter uma quantidade eficaz de eletrólito líquido. Embora seja mostrada e mencionada na Figura 5 como sendo do tipo p, uma camada de estado sólido (por exemplo, primeiro material ativo que compreende eletrólito sólido) pode, em algumas modalidades, em vez disso, ser semicondutora do tipo n. Nessas modalidades, então, o segundo material ativo (por exemplo, TiO2 (ou outro material mesoporoso), conforme mostrado na Figura 5) revestido com um corante pode ser semicondutor do tipo p (em oposição ao semicondutor do tipo n mostrado e discutido em relação à Figura 5).
[0026] As camadas de substrato 2801 e 2825 (ambas mostradas na Figura 5 como vidro) formam as respectivas camadas de fundo e topo externas da célula exemplificativa da Figura 5. Essas camadas podem compreender qualquer material com transparência suficiente para permitir que a radiação solar atravesse para a camada ativa/fotoativa que compreende corante, o primeiro e o segundo materiais ativos e/ou fotoativos 2810 e 2815, tais como vidro, polietileno, PET, Kapton, quartzo, folha de alumínio, folha de ouro e/ou aço. Além disso, na modalidade mostrada na Figura 5, o eletrodo 2805 (mostrado como Pt/FTO) é o cátodo e o eletrodo 2820 é o ânodo. Como com a célula solar exemplificativa representada na Figura 4, a radiação solar passa através da camada de substrato 2825 e do eletrodo 2820 para a camada ativa, sobre a qual pelo menos uma porção da radiação solar é absorvida a fim de produzir um ou mais éxcitons para habilitar a geração elétrica.
[0027] Um DSSC de estado sólido, de acordo com algumas modalidades, pode ser construído de modo substancialmente semelhante àquele descrito acima em relação ao DSSC representado como estilizado na Figura 1. Na modalidade mostrada na Figura 5, o material ativo tipo p 2810 corresponde ao eletrólito 1503 da Figura 1; o material ativo tipo n 2815 corresponde tanto ao corante 1504 quanto à ML 1505 da Figura 1; os eletrodos 2805 e 2820 correspondem respectivamente às camadas de eletrodos 1502 e 1506 da Figura 1; e as camadas de substrato 2801 e 2825 correspondem respectivamente às camadas de substrato 1501 e 1507.
[0028] Diversas modalidades da presente revelação fornecem materiais e/ou projetos aperfeiçoados em diversos aspectos de célula solar e de outros dispositivos, incluindo, dentre outras coisas, materiais ativos (que incluem camadas de transporte de lacuna e/ou transporte de elétrons), camadas de interface e projeto de dispositivo geral.
[0029] A presente revelação, em algumas modalidades, fornece materiais e projetos vantajosos de uma ou mais camadas de interface dentro de um PV, incluindo IFLs de película fina. As IFLs de película fina podem ser empregadas em uma ou mais IFLs de um PV, de acordo com diversas modalidades discutidas no presente documento.
[0030] De acordo com diversas modalidades, os dispositivos podem incluir opcionalmente uma camada de interface entre quaisquer duas outras camadas e/ou materiais, embora os dispositivos não precisem conter quaisquer camadas de interface. Por exemplo, um dispositivo de material de perovskita pode conter zero, um, dois, três, quatro, cinco ou mais camadas de interface (tal como o dispositivo exemplificativo da Figura 7 que contém cinco camadas de interface 3903, 3905, 3907, 3909 e 3911). Uma camada de interface pode incluir qualquer material adequado para aprimorar a coleta e/ou o transporte de carga entre duas camadas ou materiais; a mesma também pode ajudar a evitar ou reduzir a probabilidade de recombinação de carga uma vez que uma carga foi transportada para longe de um dos materiais adjacentes à camada de interface. Uma camada de interface pode, adicionalmente, homogeneizar física e eletricamente seus respectivos substratos para criar variações em rigidez de substrato, constante dielétrica, adesão, criação ou arrefecimento brusco de defeitos (por exemplo, armadilhas de carga, estados de superfície). Materiais de interface adequados podem incluir qualquer um ou mais dentre: Al; Bi; Co; Cu; Fe; In; Mn; Mo; Ni; platina (Pt); Si; Sn; Ta; Ti; V; W; Nb; Zn; Zr; óxidos de qualquer um dos metais supracitados (por exemplo, alumina, sílica, titânia); um sulfeto de qualquer um dos metais supracitados; um nitreto de qualquer um dos metais supracitados; grupos aquil silila funcionalizados ou não funcionalizados; grafite; grafeno; fulerenos; nanotubos de carbono; qualquer material mesoporoso e/ou material de interface discutido em outro momento no presente documento; e combinações dos mesmos (incluindo, em algumas modalidades, bicamadas de materiais combinados). Em algumas modalidades, uma camada de interface pode incluir material de perovskita. Além disso, as camadas interfaciais podem compreender modalidades dopadas de qualquer material de interface mencionado no presente documento (por exemplo, ZnO dopado com Y, nanotubos de carbono de parede única dopados com N).
[0031] Em primeiro lugar, conforme observado anteriormente, uma ou mais IFLs (por exemplo, qualquer uma ou ambas as IFLs 2626 e 2627, conforme mostrado na Figura 4) podem compreender um composto orgânico fotoativo da presente revelação como uma monocamada automontada (SAM) ou como uma película fina. Quando um composto orgânico fotoativo da presente revelação for aplicado como uma SAM, ele pode compreender um grupo de ligação através do qual ele pode ser ligado covalentemente ou de outro modo à superfície de qualquer um ou tanto do ânodo quanto do cátodo. O grupo de ligação de algumas modalidades pode compreender qualquer um ou mais dentre COOH, SiX3 (em que X pode ser qualquer porção química adequada para formar um composto de silício ternário, tal como Si(OR)3 e SiCl3), SO3, PO4H, OH, CH2X (em que X pode compreender um haleto de Grupo 17), e O. O grupo de ligação pode ser ligado covalentemente ou de outro modo a uma porção química de remoção de elétrons, a uma porção química de doador de elétrons e/ou a uma porção química de núcleo. O grupo de ligação pode se fixar à superfície do eletrodo a fim de formar uma camada organizada direcional de uma única molécula (ou, em algumas modalidades, de múltiplas moléculas) em espessura (por exemplo, em que múltiplos compostos orgânicos fotoativos são ligados ao ânodo e/ou ao cátodo). Conforme observado, a SAM pode se fixar por meio de interações covalentes, mas, em algumas modalidades, ela pode se fixar por meio de ligação de hidrogênio iônica e/ou por meio de interações de força de dispersão (isto é, Van Der Waals). Além disso, em determinadas modalidades, mediante exposição à luz, a SAM pode entrar em um estado excitado zwiteriônico, criando, desse modo, uma IFL altamente polarizada que pode carregar diretamente os carreadores de uma camada ativa em um eletrodo (por exemplo, o ânodo ou cátodo). Essa injeção de carreador de carga aprimorada pode, em algumas modalidades, ser realizada polarizando-se eletronicamente o corte transversal da camada ativa e aumentando, portanto, as velocidades de deriva de carreador de carga em direção ao seu respectivo eletrodo (por exemplo, lacuna até ânodo; elétrons até cátodo). As moléculas para aplicações de ânodo de algumas modalidades podem compreender compostos ajustáveis que incluem uma porção química de doador de elétrons primária ligada a uma porção química de núcleo, que, por sua vez, é ligada a uma porção química de remoção de elétrons, que, por sua vez, é ligada a um grupo de ligação. Em aplicações de cátodo, de acordo com algumas modalidades, as moléculas de IFL podem compreender um composto ajustável que compreende uma porção química carente de elétrons ligada a uma porção química de núcleo, a qual, por sua vez, é ligada a uma porção química de doador de elétrons, a qual, por sua vez, é ligada a um grupo de ligação. Quando um composto orgânico fotoativo for empregado como uma IFL, de acordo com tais modalidades, ele pode reter o caráter fotoativo, embora, em algumas modalidades, não precise ser fotoativo.
[0032] Além disso ou em vez de uma de IFL de SAM de composto orgânico fotoativo, um PV de acordo com algumas modalidades pode incluir uma camada de interface delgada (uma “camada de interface película fina” ou “IFL de película fina”) revestido em pelo menos uma porção do primeiro ou do segundo material ativo dessas modalidades (por exemplo, primeiro ou segundo material ativo 2810 ou 2815, conforme mostrado na Figura 5). E, por sua vez, pelo menos uma porção da IFL de película fina pode ser revestida com um corante. A IFL de película fina pode ser do tipo n ou p; em algumas modalidades, a mesma pode ser do mesmo tipo que o material subjacente (por exemplo, TiO2 ou outro material mesoporoso, tal como TiO2 do segundo material ativo 2815). O segundo material ativo pode compreender TiO2 revestido com uma IFL de película fina que compreende alumina (por exemplo, Al2O3) (não mostrado na Figura 5), a qual, por sua vez, é revestida com um corante. As referências no presente documento a TiO2 e/ou titânia não se destinam a limitar as razões de estanho e óxido nesses compostos de óxido- estanho descritos no presente documento. Isto é, um composto de titânia pode compreender titânio em qualquer um ou mais dentre seus diversos estados de oxidação (por exemplo, titânio I, titânio II, titânio III, titânio IV), e, portanto, diversas modalidades podem incluir quantidades estequiométricas e/ou não estequiométricas de titânio e óxido. Portanto, diversas modalidades podem incluir (alternativa ou adicionalmente TiO2) TixOy, em que x pode ser qualquer valor, número inteiro ou número não inteiro, entre 1 e 100. Em algumas modalidades, x pode estar entre aproximadamente 0,5 e 3. Da mesma forma, y pode estar entre aproximadamente 1,5 e 4 (e, novamente, não precisa ser um número inteiro). Portanto, algumas modalidades podem incluir, por exemplo, TiO2 e/ou Ti2O3. Além disso, titânia em quaisquer razões ou combinação de razões entre titânio e óxido pode ter qualquer uma ou mais estruturas de cristal em algumas modalidades, incluindo qualquer um ou mais dentre anatase, rutilo e amorfa.
[0033] Outros óxidos de metal exemplificativos para uso na IFL de película fina de algumas modalidades podem incluir óxidos de metal semicondutores, tais como NiO, WO3, V2O5 ou MoO3. A modalidade em que o segundo (por exemplo, do tipo n) material ativo compreende TiO2 revestido com uma IFL de película fina que compreende Al2O3 poderia ser formada, por exemplo, com um material precursor, tal como Al(NO3^xH2O, ou qualquer outro material adequado para depositar Al2O3 no TiO2, seguido por recozimento térmico e revestimento de corante. Em modalidades exemplificativas em que um revestimento de MoO3 é, em vez disso, usado, o revestimento pode ser formado com um material precursor, tal como Na2Mo4^2H2O; enquanto um revestimento de V2O5, de acordo com algumas modalidades, pode ser formado com um material precursor, tal como NaVO3; e um revestimento de WO3, de acordo com algumas modalidades, pode ser formado com um material precursor, tal como NaWO4^H2O. A concentração de material precursor (por exemplo, Al(NO3^xH2O) pode afetar a espessura de película final (aqui, de Al2O3) depositado sobre o TiO2 ou outro material ativo. Dessa forma, modificar a concentração do material precursor pode ser um método através do qual a espessura de película final pode ser controlada. Por exemplo, uma espessura de película maior pode resultar de concentração de material precursor maior. A espessura de película maior pode não resultar necessariamente em PCE maior em um dispositivo de PV que compreende um revestimento de óxido de metal. Dessa forma, um método de algumas modalidades pode incluir revestir uma camada de TiO2 (ou outra mesoporosa) com o uso de um material precursor que tem uma concentração na faixa de aproximadamente 0,5 a 10,0 mM; outras modalidades podem incluir revestir a camada com um material precursor que tem uma concentração na faixa de aproximadamente 2,0 a 6,0 mM; ou, em outras modalidades, aproximadamente 2,5 a 5,5 mM.
[0034] Além disso, embora referido no presente documento como Al2O3 e/ou alumina, deve ser observado que diversas razões de alumínio e oxigênio podem ser usadas na formação de alumina. Dessa forma, embora algumas modalidades discutidas no presente documento sejam descritas com referência a Al2O3, essa descrição não se destina a definir uma razão exigida de alumínio em oxigênio. Em vez disso, as modalidades podem incluir qualquer um ou mais compostos de óxido-alumínio, em que cada um tem uma razão de óxido para alumínio de acordo com AlxOy, em que x pode ser qualquer valor, número inteiro ou número não inteiro, entre aproximadamente 1 e 100. Em algumas modalidades, x pode estar entre aproximadamente 1 e 3 (e, novamente, não precisa ser um número inteiro). Da mesma forma, y pode ser qualquer valor, número inteiro ou número não inteiro, entre 0,1 e 100. Em algumas modalidades, y pode estar entre 2 e 4 (e, novamente, não precisa ser um número inteiro). Além disso, diversas formas cristalinas de AlxOy podem estar presentes em diversas modalidades, tais como formas alfa, gama e/ou formas amorfas de alumina.
[0035] Da mesma forma, embora referidos no presente documento como MoO3, WO3, e V2O5, esses compostos podem, alternativa ou adicionalmente, ser representados como MoxOy, WxOy, e VxOy, respectivamente. Em relação a cada um dentre MoxOy e WxOy, x pode ser qualquer valor, número inteiro ou número não inteiro, entre aproximadamente 0,5 e 100; em algumas modalidades, pode estar entre aproximadamente 0,5 e 1,5. Da mesma forma, y pode ser qualquer valor, número inteiro ou número não inteiro, entre aproximadamente 1 e 100. Em algumas modalidades, y pode ser qualquer valor entre aproximadamente 1 e 4. Em relação a VxOy, x pode ser qualquer valor, número inteiro ou número não inteiro, entre aproximadamente 0,5 e 100; em algumas modalidades, pode estar entre aproximadamente 0,5 e 1,5. Da mesma forma, y pode ser qualquer valor, número inteiro ou número não inteiro, entre aproximadamente 1 e 100; em determinadas modalidades, pode ser um valor de número inteiro ou de número não inteiro entre aproximadamente 1 e 10.
[0036] De modo semelhante, referências em algumas modalidades ilustrativas no presente documento a CsSnI3 não são destinadas a limitar as razões de elementos componentes nos compostos de césio-estanho-iodo, de acordo com diversas modalidades. Algumas modalidades podem incluir quantidades estequiométricas e/ou não estequiométricas de estanho e iodeto e, dessa forma, tais modalidades podem incluir, alternativa ou adicionalmente, diversas razões de césio, estanho e iodo, tais como qualquer um ou mais compostos de césio-estanho-iodo, em que cada um tem uma razão de CsxSnyIz. Em tais modalidades, x pode ser qualquer valor, número inteiro ou número não inteiro, entre 0,1 e 100. Em algumas modalidades, x pode estar entre aproximadamente 0,5 e 1,5 (e, novamente, não precisa ser um número inteiro). Da mesma forma, y pode ser qualquer valor, número inteiro ou número não inteiro, entre 0,1 e 100. Em algumas modalidades, y pode estar entre aproximadamente 0,5 e 1,5 (e, novamente, não precisa ser um número inteiro). Da mesma forma, z pode ser qualquer valor, número inteiro ou número não inteiro, entre 0,1 e 100. Em algumas modalidades, z pode estar entre aproximadamente 2,5 e 3,5. Adicionalmente, CsSnI3 pode ser dopado ou composto com outros materiais, tais como SnF2, em razões de CsSnI3:SnF2 na faixa de 0,1:1 a 100:1, incluindo todos os valores (números inteiros ou não inteiros) entre os mesmos.
[0037] Além disso, uma IFL de película fina pode compreender uma bicamada. Dessa forma, retornando ao exemplo em que a IFL de película fina compreende um óxido de metal (tal como alumina), a IFL de película fina pode compreender TiO2-mais-óxido de metal. Tal IFL de película fina pode ter uma capacidade maior para resistir à recombinação de carga, em comparação com o TiO2 mesoporoso ou outro material ativo individualmente. Além disso, na formação de uma camada de TiO2, um revestimento de TiO2 secundário é frequentemente necessário para fornecer interconexão física suficiente de partículas de TiO2, de acordo com algumas modalidades da presente revelação. O revestimento de uma IFL de película fina de bicamada em TiO2 mesoporoso (ou outro material ativo mesoporoso) pode compreender uma combinação de revestimento com o uso de um composto que compreende tanto óxido de metal quanto TiCl4, resultando em uma IFL de película fina de bicamada que compreende uma combinação de óxido de metal e revestimento de TiO2 secundário, o que pode fornecer aperfeiçoamentos de desempenho ao longo do uso de qualquer material por si só.
[0038] Em algumas modalidades, a IFL pode compreender um titanato. Um titanato, de acordo com algumas modalidades, pode ter a fórmula geral M’TiO3, em que: M’ compreende qualquer cátion 2+. Em algumas modalidades, M’ pode compreender uma forma catiônica de Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ni, Zn, Cd, Hg, Cu, Pd, Pt, Sn ou Pb. Em algumas modalidades, a IFL pode compreender uma espécie única de titanato, sendo que, em outras modalidades, a IFL pode compreender duas ou mais espécies diferentes de titanatos. Em uma modalidade, o titanato tem a fórmula SrTiO3. Em outra modalidade, o titanato pode ter a fórmula BaTiO3. Em ainda outra modalidade, o titanato pode ter a fórmula CaTiO3.
[0039] A título de explicação e sem implicar em nenhuma limitação, titanatos têm uma estrutura cristalina de perovskita e semeiam fortemente o processo de conversão de crescimento de MAPbI3. Titanatos geralmente também cumprem outras exigências de IFL, tais como comportamento ferroelétrico, mobilidade de carreador de carga suficiente, transparência óptica, níveis de energia correspondentes e alta constante dielétrica.
[0040] Qualquer material de interface discutido no presente documento pode compreender adicionalmente composições dopadas. Para modificar as características (por exemplo, elétricas, ópticas, mecânicas) de um material de interface, um material estequiométrico ou não estequiométrico pode ser dopado com um ou mais elementos (por exemplo, Na, Y, Mg, N, P) em quantidades na faixa de tão pouco quanto 1 ppb a 50% em mol. Alguns exemplos de materiais de interface incluem: NiO, TiO2, SrTiO3, Al2O3, ZrO2, WO3, V2O5, MO3, ZnO, grafeno e negro de fumo. Exemplos de dopantes possíveis para esses materiais de interface incluem: Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, Nb, Ti, Fe, Co, Ni, Cu, Ga, Sn, In, B, N, P, C, S, As, um haleto, um pseudohaleto (por exemplo, cianeto, cianato, isocianato, fulminato, tiocianato, isotiocianato, azida, tetracarbonilcobaltato, carbamoildicianometanida, dicianonitrosometanida, dicianamida e tricianometanida) e Al em qualquer um de seus estados de oxidação. Referências no presente documento aos materiais de interface dopados não se destinam a limitar as razões de elementos componentes em compostos de material de interface.
[0041] A Figura 10 é um diagrama estilizado de um dispositivo de material de perovskita 4400, de acordo com algumas modalidades. Embora diversos componentes do dispositivo 4400 sejam ilustrados como camadas distintas que compreendem material contíguo, deve ser compreendido que a Figura 10 é um diagrama estilizado; dessa forma, as modalidades de acordo com o mesmo podem incluir tais camadas distintas e/ou camadas não contíguas substancialmente intermisturadas, consistentes com o uso de “camadas” anteriormente discutidas no presente documento. O dispositivo 4400 inclui o primeiro e segundo substratos 4401 e 4407. Um primeiro eletrodo (ITO) 4402 está disposto sobre uma superfície interna do primeiro substrato 4401 e um segundo eletrodo (Ag) 4406 está disposto sobre uma superfície interna do segundo substrato 4407. Uma camada ativa 4450 é ensanduichada entre os dois eletrodos 4402 e 4406. A camada ativa 4450 inclui uma primeira IFL (por exemplo, SrTiO3) 4403, um material fotoativo (por exemplo, MAPbI3) 4404 e uma camada de transporte de carga (por exemplo, Spiro-OMeTAD) 4405.
[0042] As IFLs de película fina e o método de revestimento das mesmas em TiO2 anteriormente discutidos novamente podem, em algumas modalidades, ser empregados em DSSCs que compreendem eletrólitos líquidos. Dessa forma, retornando ao exemplo de uma IFL de película fina e referindo-se novamente à Figura 1 para um exemplo, o DSSC da Figura 1 poderia compreender adicionalmente uma IFL de película fina, conforme descrito acima, revestido na camada mesoporosa 1505 (isto é, a IFL de película fina seria inserida entre a camada mesoporosa 1505 e o corante 1504).
[0043] Em uma modalidade, um dispositivo de material de perovskita pode ser formulado por fundição de PbI2 em um substrato de ITO revestido por SrTiO3. O PbI2 pode ser convertido em MAPbI3 por um processo de imersão. Esse processo é descrito em mais detalhes abaixo. Esse processo de conversão é mais completo (conforme observado por espectroscopia óptica) em comparação com a preparação do substrato sem SrTiO3.
[0044] Em algumas modalidades, as IFLs de película fina anteriormente discutidas no contexto de DSSCs podem ser usadas em qualquer camada de interface de um dispositivo semicondutor, tal como um PV (por exemplo, um PV híbrido ou outro PV), um transistor de efeito de campo, um diodo emissor de luz, um dispositivo óptico não linear, um memristor, um capacitor, um retificador, uma antena de retificação, etc. Além disso, as IFLs de película fina de algumas modalidades podem ser empregadas em qualquer um dentre diversos dispositivos em combinação com outros compostos discutidos na presente revelação, incluindo, sem limitação, qualquer um ou mais dentre os seguintes de diversas modalidades da presente revelação: material de transporte de lacuna sólido, tal como material ativo, e aditivos (tais como, em algumas modalidades, ácido quenodeoxicólico ou 1,8-di-iodo-octano).
[0045] Em algumas modalidades, múltiplas IFLs produzidas a partir de diferentes materiais podem estar dispostas adjacentes umas às outras para formar uma IFL compósita. Essa configuração pode envolver duas IFLs diferentes, três IFLs diferentes ou um número ainda maior de IFLs diferentes. A IFL de múltiplas camadas ou a IFL compósita resultante pode ser usada no lugar de uma IFL de material único. Por exemplo, uma IFL compósita pode ser usada como IFL 2626 e/ou como IFL 2627 na célula 2610, mostrada no exemplo da Figura 4. Embora a IFL compósita seja diferente de uma IFL de material único, a montagem de uma célula de PV de material de perovskita que tem IFLs de múltiplas camadas não é substancialmente diferente da montagem de uma célula de PV de material de perovskita que tem apenas IFLs de material único.
[0046] Em geral, a IFL compósita pode ser produzida com o uso de qualquer um dentre os materiais discutidos no presente documento como adequados para uma IFL. Em uma modalidade, a IFL compreende uma camada de Al2O3 e uma camada de ZnO ou M:ZnO (ZnO dopado, por exemplo, Be:ZnO, Mg:ZnO, Ca:ZnO, Sr:ZnO, Ba:ZnO, Sc:ZnO, Y:ZnO, Nb:ZnO). Em uma modalidade, a IFL compreende uma camada de ZrO2 e uma camada de ZnO ou M:ZnO. Em determinadas modalidades, a IFL compreende múltiplas camadas. Em algumas modalidades, uma IFL de múltiplas camadas tem, de modo geral, uma camada condutora, uma camada dielétrica e uma camada semicondutora. Em modalidades particulares, as camadas podem se repetir, por exemplo, uma camada condutora, uma camada dielétrica, uma camada semicondutora, uma camada dielétrica e uma camada semicondutora. Exemplos de IFLs de múltiplas camadas incluem uma IFL que tem uma camada de ITO, uma camada de Al2O3, uma camada de ZnO e uma segunda camada de Al2O3; uma IFL que tem uma camada de ITO, uma camada de Al2O3, uma camada de ZnO, uma segunda camada de Al2O3 e uma segunda camada de ZnO; uma IFL que tem uma camada de ITO, uma camada de Al2O3, uma camada de ZnO, uma segunda camada de Al2O3, uma segunda camada de ZnO e uma terceira camada de Al2O3; e IFLs que têm quantas camadas forem necessárias para se alcançar as características de desempenho desejadas. Conforme anteriormente discutido, as referências às determinadas razões estequiométricas não se destinam a limitar as razões de elementos componentes em camadas de IFL, de acordo com diversas modalidades.
[0047] A disposição de duas ou mais IFLs adjacentes como uma IFL compósita pode superar uma IFL única em células de PV de material de perovskita, em que os atributos de cada material de IFL podem ser aproveitados em uma IFL única. Por exemplo, na arquitetura que tem uma camada de ITO, uma camada de Al2O3 e uma camada de ZnO, em que ITO é um eletrodo de condução, Al2O3 é um material dielétrico e ZnO é um semicondutor de tipo n, ZnO atua como um aceitador de elétrons com propriedades de transporte de elétrons com bom desempenho (por exemplo, mobilidade). Adicionalmente, Al2O3 é um material fisicamente robusto que se adere bem ao ITO, homogeneiza a superfície limitando-se os defeitos de superfície (por exemplo, armadilhas de carga) e aperfeiçoa as características de diodo do dispositivo através de supressão de corrente escura.
[0048] A Figura 11 é um diagrama estilizado de um dispositivo de material de perovskita 4500, de acordo com algumas modalidades. Embora diversos componentes do dispositivo 4500 sejam ilustrados como camadas distintas que compreendem material contíguo, deve ser compreendido que a Figura 11 é um diagrama estilizado; dessa forma, as modalidades de acordo com o mesmo podem incluir tais camadas distintas e/ou camadas não contíguas substancialmente intermisturadas, consistentes com o uso de “camadas” anteriormente discutidas no presente documento. O dispositivo 4500 inclui o primeiro e segundo substratos 4501 e 4508. Um primeiro eletrodo (por exemplo, ITO) 4502 está disposto sobre uma superfície interna do primeiro substrato 4501 e um segundo eletrodo (por exemplo, Ag) 4507 está disposto sobre uma superfície interna do segundo substrato 4508. Uma camada ativa 4550 é ensanduichada entre os dois eletrodos 4502 e 4507. A camada ativa 4550 inclui uma IFL compósita que compreende uma primeira IFL (por exemplo, Al2O3) 4503 e uma segunda IFL (por exemplo, ZnO) 4504, um material fotoativo (por exemplo, MAPbI3) 4505 e uma camada de transporte de carga (por exemplo, Spiro-OMeTAD) 4506.
[0049] As Figuras 13 a 20 são diagramas estilizados de dispositivos de material de perovskita, de acordo com algumas modalidades. Embora diversos componentes dos dispositivos sejam ilustrados como camadas distintas que compreendem material contíguo, deve ser compreendido que as Figuras 13 a 18 são diagramas estilizados; dessa forma, as modalidades de acordo com os mesmos podem incluir tais camadas distintas e/ou camadas não contíguas substancialmente intermisturadas, consistentes com o uso de “camadas” anteriormente discutidas no presente documento. Os dispositivos exemplificativos incluem camadas e materiais descritos ao longo de toda esta revelação. Os dispositivos podem incluir uma camada de substrato (por exemplo, vidro), camadas de eletrodos (por exemplo, ITO, Ag), camadas de interface, as quais podem ser IFLs compósitas (por exemplo, ZnO, Al2O3, Y:ZnO e/ou Nb:ZnO), um material fotoativo (por exemplo, MAPbI3, FAPbI3, 5- AVA^HCl: MAPbl3 e/ou CHP: MAPbh) e uma camada de transporte de carga (por exemplo, Spiro-OMeTAD, PCDTBT, TFB, TPD, PTB7, F8BT, PPV, MDMO-PPV, MEH-PPV e/ou P3HT).
[0050] A Figura 13 é um diagrama estilizado de um dispositivo de material de perovskita 6100, de acordo com algumas modalidades. Embora diversos componentes do dispositivo 6100 sejam ilustrados como camadas distintas que compreendem material contíguo, deve ser compreendido que a Figura 13 é um diagrama estilizado; dessa forma, as modalidades de acordo com o mesmo podem incluir tais camadas distintas e/ou camadas não contíguas substancialmente intermisturadas, consistentes com o uso de “camadas” anteriormente discutidas no presente documento. O dispositivo 6100 inclui um substrato (por exemplo, Vidro) 6101. Um primeiro eletrodo (por exemplo, ITO) 6102 está disposto sobre uma superfície interna do substrato 6101 e um segundo eletrodo (por exemplo, Ag) 6107 está disposto sobre uma camada ativa 6150 que é ensanduichada entre os dois eletrodos 6102 e 6107. A camada ativa 6150 inclui uma IFL compósita que compreende uma primeira IFL (por exemplo, Al2O3) 6103 e uma segunda IFL (por exemplo, ZnO) 6104, um material fotoativo (por exemplo, MAPbI3) 6105 e uma camada de transporte de carga (por exemplo, Spiro-OMeTAD) 6106.
[0051] A Figura 14 é um diagrama estilizado de um dispositivo de material de perovskita 6200, de acordo com algumas modalidades. Embora diversos componentes do dispositivo 6200 sejam ilustrados como camadas distintas que compreendem material contíguo, deve ser compreendido que a Figura 14 é um diagrama estilizado; dessa forma, as modalidades de acordo com o mesmo podem incluir tais camadas distintas e/ou camadas não contíguas substancialmente intermisturadas, consistentes com o uso de “camadas” anteriormente discutidas no presente documento. O dispositivo 6200 inclui um substrato (por exemplo, Vidro) 6201. Um primeiro eletrodo (por exemplo, ITO) 6202 está disposto sobre uma superfície interna do substrato 6201 e um segundo eletrodo (por exemplo, Ag) 6206 está disposto sobre uma camada ativa 6250 que é ensanduichada entre os dois eletrodos 6202 e 6206. A camada ativa 6250 inclui uma IFL (por exemplo, Y:ZnO) 6203, um material fotoativo (por exemplo, MAPbI3) 6204 e uma camada de transporte de carga (por exemplo, P3HT) 6205.
[0052] A Figura 15 é um diagrama estilizado de um dispositivo de material de perovskita 6300, de acordo com algumas modalidades. Embora diversos componentes do dispositivo 6300 sejam ilustrados como camadas distintas que compreendem material contíguo, deve ser compreendido que a Figura 15 é um diagrama estilizado; dessa forma, as modalidades de acordo com o mesmo podem incluir tais camadas distintas e/ou camadas não contíguas substancialmente intermisturadas, consistentes com o uso de “camadas” anteriormente discutidas no presente documento. O dispositivo 6300 inclui um substrato (por exemplo, Vidro) 6301. Um primeiro eletrodo (por exemplo, ITO) 6302 está disposto sobre uma superfície interna do substrato 6301 e um segundo eletrodo (por exemplo, Ag) 6309 está disposto sobre uma camada ativa 6350 que é ensanduichada entre os dois eletrodos 6302 e 6309. A camada ativa 6350 inclui uma IFL compósita que compreende uma primeira IFL (por exemplo, Al2O3) 6303, uma segunda IFL (por exemplo, ZnO) 6304, uma terceira IFL (por exemplo, Al2O3) 6305 e uma quarta IFL (por exemplo, ZnO) 6306, um material fotoativo (por exemplo, MAPbI3) 6307 e uma camada de transporte de carga (por exemplo, PCDTBT) 6308.
[0053] A Figura 16 é um diagrama estilizado de um dispositivo de material de perovskita 6400, de acordo com algumas modalidades. Embora diversos componentes do dispositivo 6400 sejam ilustrados como camadas distintas que compreendem material contíguo, deve ser compreendido que a Figura 16 é um diagrama estilizado; dessa forma, as modalidades de acordo com o mesmo podem incluir tais camadas distintas e/ou camadas não contíguas substancialmente intermisturadas, consistentes com o uso de “camadas” anteriormente discutidas no presente documento. O dispositivo 6400 inclui um substrato (por exemplo, Vidro) 6401. Um primeiro eletrodo (por exemplo, ITO) 6402 está disposto sobre uma superfície interna do substrato 6401 e um segundo eletrodo (por exemplo, Ag) 6409 está disposto sobre uma camada ativa 6450 que é ensanduichada entre os dois eletrodos 6402 e 6409. A camada ativa 6450 inclui uma IFL compósita que compreende uma primeira IFL (por exemplo, Al2O3) 6403, uma segunda IFL (por exemplo, ZnO) 6404, uma terceira IFL (por exemplo, Al2O3) 6405 e uma quarta IFL (por exemplo, ZnO) 6406, um material fotoativo (por exemplo, 5-AVA^HCLMAPbta) 6407 e uma camada de transporte de carga (por exemplo, PCDTBT) 6408.
[0054] A Figura 17 é um diagrama estilizado de um dispositivo de material de perovskita 6500, de acordo com algumas modalidades. Embora diversos componentes do dispositivo 6500 sejam ilustrados como camadas distintas que compreendem material contíguo, deve ser compreendido que a Figura 17 é um diagrama estilizado; dessa forma, as modalidades de acordo com o mesmo podem incluir tais camadas distintas e/ou camadas não contíguas substancialmente intermisturadas, consistentes com o uso de “camadas” anteriormente discutidas no presente documento. O dispositivo 6500 inclui um substrato (por exemplo, Vidro) 6501. Um primeiro eletrodo (por exemplo, ITO) 6502 está disposto sobre uma superfície interna do substrato 6501 e um segundo eletrodo (por exemplo, Ag) 6506 está disposto sobre uma camada ativa 6550 que é ensanduichada entre os dois eletrodos 6502 e 6506. A camada ativa 6550 inclui uma IFL (por exemplo, Nb:ZnO) 6503, um material fotoativo (por exemplo, FAPbI3) 6504 e uma camada de transporte de carga (por exemplo, P3HT) 6505.
[0055] A Figura 18 é um diagrama estilizado de um dispositivo de material de perovskita 6600, de acordo com algumas modalidades. Embora diversos componentes do dispositivo 6600 sejam ilustrados como camadas distintas que compreendem material contíguo, deve ser compreendido que a Figura 18 é um diagrama estilizado; dessa forma, as modalidades de acordo com o mesmo podem incluir tais camadas distintas e/ou camadas não contíguas substancialmente intermisturadas, consistentes com o uso de “camadas” anteriormente discutidas no presente documento. O dispositivo 6600 inclui um substrato (por exemplo, Vidro) 6601. Um primeiro eletrodo (por exemplo, ITO) 6602 está disposto sobre uma superfície interna do substrato 6601 e um segundo eletrodo (por exemplo, Ag) 6606 está disposto sobre uma camada ativa 6650 que é ensanduichada entre os dois eletrodos 6602 e 6606. A camada ativa 6650 inclui uma IFL (por exemplo, Y:ZnO) 6603, um material fotoativo (por exemplo, CHP;MAPbI3) 6604 e uma camada de transporte de carga (por exemplo, P3HT) 6605.
[0056] A Figura 19 é um diagrama estilizado de um dispositivo de material de perovskita 6700, de acordo com algumas modalidades. Embora diversos componentes do dispositivo 6700 sejam ilustrados como camadas distintas que compreendem material contíguo, deve ser compreendido que a Figura 19 é um diagrama estilizado; dessa forma, as modalidades de acordo com o mesmo podem incluir tais camadas distintas e/ou camadas não contíguas substancialmente intermisturadas, consistentes com o uso de “camadas” anteriormente discutidas no presente documento. O dispositivo 6700 inclui um substrato (por exemplo, Vidro) 6701. Um primeiro eletrodo (por exemplo, ITO) 6702 está disposto sobre uma superfície interna do substrato 6701 e um segundo eletrodo (por exemplo, Al) 6707 está disposto sobre uma camada ativa 6750 que é ensanduichada entre os dois eletrodos 6702 e 6707. A camada ativa 6750 inclui uma IFL (por exemplo, SrTiO3) 6703, um material fotoativo (por exemplo, FAPbI3) 6704, uma primeira camada de transporte de carga (por exemplo, P3HT) 6705 e uma segunda camada de transporte de carga (por exemplo, MoOx) 6706.
[0057] A Figura 20 é um diagrama estilizado de um dispositivo de material de perovskita 6800, de acordo com algumas modalidades. Embora diversos componentes do dispositivo 6800 sejam ilustrados como camadas distintas que compreendem material contíguo, deve ser compreendido que a Figura 16 é um diagrama estilizado; dessa forma, as modalidades de acordo com o mesmo podem incluir tais camadas distintas e/ou camadas não contíguas substancialmente intermisturadas, consistentes com o uso de “camadas” anteriormente discutidas no presente documento. O dispositivo 6800 inclui um substrato (por exemplo, Vidro) 6801. Um primeiro eletrodo (por exemplo, ITO) 6802 está disposto sobre uma superfície interna do substrato 6801 e um segundo eletrodo (por exemplo, Al) 6811 está disposto sobre uma camada ativa 6850 que é ensanduichada entre os dois eletrodos 6802 e 6811. A camada ativa 6850 inclui uma IFL compósita que compreende uma primeira IFL (por exemplo, Al2O3) 6803, uma segunda IFL (por exemplo, ZnO) 6804, uma terceira IFL (por exemplo, Al2O3) 6805, uma quarta IFL (por exemplo, ZnO) 6806 e uma quinta IFL (por exemplo, Al2O3) 6807, um material fotoativo (por exemplo, FAPbI3) 6808, uma primeira camada de transporte de carga (por exemplo, P3HT) 6809 e uma segunda camada de transporte de carga (por exemplo, MoOx) 6810.
[0058] Um material de perovskita pode ser incorporado em diversos dentre um ou mais aspectos de um PV ou de um outro dispositivo. Um material de perovskita, de acordo com algumas modalidades, pode ter a fórmula geral CMX3, em que: C compreende um ou mais cátions (por exemplo, uma amina, um amônio, um metal do Grupo 1, um metal do Grupo 2 e/ou outros cátions ou compostos semelhantes a cátion); M compreende um ou mais metais (exemplos que incluem Fe, Co, Ni, Cu, Sn, Pb, Bi, Ge, Ti e Zr); e X compreende um ou mais ânions. Em algumas modalidades, C pode incluir um ou mais cátions orgânicos.
[0059] Em determinadas modalidades, C pode incluir um amônio, um cátion orgânico da fórmula geral [NR4]+, em que os grupos R podem ser os mesmos grupos ou grupos diferentes. Os grupos R adequados incluem, sem limitação: grupo metila, etila, propila, butila, pentila ou isômero dos mesmos; qualquer alcano, alqueno ou alcino CxHy, em que x = 1 a 20, y = 1 a 42, cadeia ramificada, linear ou cíclica; haletos de alquila, CxHyXz, x = 1 a 20, y = 0 a 42, z = 1 a 42, X = F, Cl, Br, ou I; qualquer grupo aromático (por exemplo, fenila, alquilfenila, alcoxifenila, piridina, naftaleno); complexos cíclicos em que pelo menos um nitrogênio está contido dentro do anel (piridina, pirrol, pirrolidina, piperidina, tetra-hidroquinolina); qualquer grupo que contém enxofre (por exemplo, sulfóxido, tiol, sulfeto de alquila); qualquer grupo que contém nitrogênio (nitróxido, amina); qualquer grupo que contém fósforo (fosfato); qualquer grupo que contém boro (por exemplo, ácido borônico); qualquer ácido orgânico (por exemplo, ácido acético, ácido propanoico) e derivados de éster ou amida dos mesmos; qualquer aminoácido (por exemplo, glicina, cisteína, prolina, ácido glutâmico, arginina, serina, histindina, ácido 5-amoniovalérico) que inclui derivados de alfa, beta, gama e maiores derivados; qualquer grupo que contém silício (por exemplo, siloxano); e qualquer alcóxido ou grupo, - OCxHy, em que x = 0 a 20, y = 1 a 42.
[0060] Em determinadas modalidades, C pode incluir um formamidínio, um cátion orgânico da fórmula geral [R2NCRNR2]+, em que os grupos R podem ser os mesmos grupos ou grupos diferentes. Os grupos R adequados incluem, sem limitação: grupo hidrogênio, metila, etila, propila, butila, pentila ou isômero dos mesmos; qualquer alcano, alqueno, ou alcino CxHy, em que x = 1 a 20, y = 1 a 42, cadeia ramificada, linear ou cíclica; haletos de alquila, CxHyXz, x = 1 a 20, y = 0 a 42, z = 1 a 42, X = F, Cl, Br, ou I; qualquer grupo aromático (por exemplo, fenila, alquilfenila, alcoxifenila, piridina, naftaleno); complexos cíclicos em que pelo menos um nitrogênio está contido dentro do anel (por exemplo, imidazol, benzimidazol, di-hidropirimidina, (azolidinulidenometil)pirrolidina, triazol); qualquer grupo que contém enxofre (por exemplo, sulfóxido, tiol, sulfeto de alquila); qualquer grupo que contém nitrogênio (nitróxido, amina); qualquer grupo que contém fósforo (fosfato); qualquer grupo que contém boro (por exemplo, ácido borônico); qualquer ácido orgânico (ácido acético, ácido propanoico) e derivados de éster ou amida dos mesmos; qualquer aminoácido (por exemplo, glicina, cisteína, prolina, ácido glutâmico, arginina, serina, histindina, ácido 5-amoniovalérico) que inclui derivados de alfa, beta, gama e derivados de teor maior; qualquer grupo que contém silício (por exemplo, siloxano); e qualquer alcóxido ou grupo, -OCxHy, em que x = 0 a 20, y = 1 a 42.
Fórmula 1:
[0061] A Fórmula 1 ilustra a estrutura de um cátion de formamidina que tem a fórmula geral de [R2NCRNR2]+, conforme descrito acima. A Fórmula 2 ilustra estruturas exemplificativas de diversos cátions de formamidina que podem servir como um cátion “C” em um material de perovskita.
Fórmula 2:
[0062] Em determinadas modalidades, C pode incluir um guanidínio, um cátion orgânico da fórmula geral [(R2N)2C=NR2]+, em que os grupos R podem ser os mesmos grupos ou grupos diferentes. Os grupos R adequados incluem, sem limitação: grupo hidrogênio, metila, etila, propila, butila, pentila ou isômero dos mesmos; qualquer alcano, alqueno, ou alcino CxHy, em que x = 1 a 20, y = 1 a 42, cadeia ramificada, linear ou cíclica; haletos de alquila, CxHyXz, x = 1 a 20, y = 0 a 42, z = 1 a 42, X = F, Cl, Br, ou I; qualquer grupo aromático (por exemplo, fenila, alquilfenila, alcoxifenila, piridina, naftaleno); complexos cíclicos em que pelo menos um nitrogênio está contido dentro do anel (por exemplo, octa-hidropirimido[1,2a]pirimidina, pirimido[1,2-a]pirimidina, hexa- hidroimidazo[1,2-a]imidazol, hexa-hidropirimidin2-imina); qualquer grupo que contém enxofre (por exemplo, sulfóxido, tiol, sulfeto de alquila); qualquer grupo que contém nitrogênio (nitróxido, amina); qualquer grupo que contém fósforo (fosfato); qualquer grupo que contém boro (por exemplo, ácido borônico); qualquer ácido orgânico (ácido acético, ácido propanoico) e derivados de éster ou amida dos mesmos; qualquer aminoácido (por exemplo, glicina, cisteína, prolina, ácido glutâmico, arginina, serina, histindina, ácido 5-amoniovalérico) que inclui derivados de alfa, beta, gama e derivados de teor maior; qualquer grupo que contém silício (por exemplo, siloxano); e qualquer alcóxido ou grupo, -OCxHy, em que x = 0 a 20, y = 1 a 42.
Fórmula 3:
[0063] A Fórmula 3 ilustra a estrutura de um cátion de guanidina que tem a fórmula geral de [(R2N)2C=NR2]+, conforme descrito acima. A Fórmula 4 ilustra exemplos de estruturas de diversos cátions de guanidina que podem servir como um cátion “C” em um material de perovskita.
Fórmula 4:
[0064] Em determinadas modalidades, C pode incluir um cátion de eteno tetramina, um cátion orgânico da fórmula geral [(R2N)2C=C(NR2)2]+, em que os grupos R podem ser os mesmos grupos ou grupos diferentes. Os grupos R adequados incluem, sem limitação: grupo hidrogênio, metila, etila, propila, butila, pentila ou isômero dos mesmos; qualquer alcano, alqueno, ou alcino CxHy, em que x = 1 a 20, y = 1 a 42, cadeia ramificada, linear ou cíclica; haletos de alquila, CxHyXz, x = 1 a 20, y = 0 a 42, z = 1 a 42, X = F, Cl, Br, ou I; qualquer grupo aromático (por exemplo, fenila, alquilfenila, alcoxifenila, piridina, naftaleno); complexos cíclicos em que pelo menos um nitrogênio está contido dentro do anel (por exemplo, 2-hexa-hidropirimidin-2-ilideno-hexaidropirimidina, octa-hidropirazino[2,3-b]pirazina, pirazino[2,3-b]pirazina, quinoxalino[2,3- b]quinoxalina); qualquer grupo que contém enxofre (por exemplo, sulfóxido, tiol, sulfeto de alquila); qualquer grupo que contém nitrogênio (nitróxido, amina); qualquer grupo que contém fósforo (fosfato); qualquer grupo que contém boro (por exemplo, ácido borônico); qualquer ácido orgânico (ácido acético, ácido propanoico) e derivados de éster ou amida dos mesmos; qualquer aminoácido (por exemplo, glicina, cisteína, prolina, ácido glutâmico, arginina, serina, histindina, ácido 5-amoniovalérico) que inclui derivados de alfa, beta, gama e derivados de teor maior; qualquer grupo que contém silício (por exemplo, siloxano); e qualquer alcóxido ou grupo, -OCxHy, em que x = 0 a 20, y = 1 a 42.
Fórmula 5:
[0065] A Fórmula 5 ilustra a estrutura de um cátion de tetramina de eteno que tem a fórmula geral de [(R2N)2C=C(NR2)2]+, conforme descrito acima. A Fórmula 6 ilustra exemplos de estruturas de diversos íons de tetramina de eteno que podem servir como um cátion “C” em um material de perovskita.
Fórmula 6:
[0066] Em determinadas modalidades, C pode incluir um cátion de imidazol, um aromático, um cátion orgânico cíclico da fórmula geral [CRNRCRNRCR]+, em que os grupos R podem ser os mesmos grupos ou grupos diferentes. Os grupos R adequados podem incluir, sem limitação: grupo hidrogênio, metila, etila, propila, butila, pentila ou isômero dos mesmos; qualquer alcano, alqueno, ou alcino CxHy, em que x = 1 a 20, y = 1 a 42, cadeia ramificada, linear ou cíclica; haletos de alquila, CxHyXz, x = 1 a 20, y = 0 a 42, z = 1 a 42, X = F, Cl, Br, ou I; qualquer grupo aromático (por exemplo, fenila, alquilfenila, alcoxifenila, piridina, naftaleno); complexos cíclicos em que pelo menos um nitrogênio está contido dentro do anel (por exemplo, 2-hexa- hidropirimidin-2-ilideno-hexa-hidropirimidina, octa-hidropirazino[2,3-b]pirazina, pirazino[2,3-b]pirazina, quinoxalino[2,3-b]quinoxalina); qualquer grupo que contém enxofre (por exemplo, sulfóxido, tiol, sulfeto de alquila); qualquer grupo que contém nitrogênio (nitróxido, amina); qualquer grupo que contém fósforo (fosfato); qualquer grupo que contém boro (por exemplo, ácido borônico); qualquer ácido orgânico (ácido acético, ácido propanoico) e derivados de éster ou amida dos mesmos; qualquer aminoácido (por exemplo, glicina, cisteína, prolina, ácido glutâmico, arginina, serina, histindina, ácido 5-amoniovalérico) que inclui derivados de alfa, beta, gama e derivados de teor maior; qualquer grupo que contém silício (por exemplo, siloxano); e qualquer alcóxido ou grupo, -OCxHy, em que x = 0 a 20, y = 1 a 42.
Fórmula 7:
[0067] Em algumas modalidades, X pode incluir um ou mais haletos. Em determinadas modalidades, X pode incluir, alternativa ou adicionalmente, um ânion de Grupo 16. Em determinadas modalidades, o ânion do Grupo 16 pode ser sulfeto ou seleneto. Em certas modalidades, X pode incluir, alternativa ou adicionalmente, um ou mais pseudohaletos (por exemplo, cianeto, cianato, isocianato, fulminato, tiocianato, isotiocianato, azida, tetracarbonilcobaltato, carbamoildicianometanida, dicianonitrosometanida, dicianamida e tricianometanida). Em algumas modalidades, cada cátion orgânico C pode ser maior do que cada metal M e cada ânion X pode ter a capacidade de se ligar tanto com um cátion C quanto com um metal M. Os exemplos de materiais de perovskita, de acordo com várias modalidades, incluem CsSnI3 (anteriormente discutidos no presente documento) e CsxSnyIz (com x, y e z variando de acordo com a discussão anterior). Outros exemplos incluem compostos da fórmula geral CsSnX3, em que X pode ser qualquer um ou mais dentre: I3, I2.95F0.05; I2Cl; ICl2; e Cl3. Em outras modalidades, X pode compreender qualquer um ou mais dentre I, Cl, F, e Br em quantidades de forma que a razão total de X em comparação a Cs e Sn resulte na estequiometria geral de CsSnX3. Em algumas modalidades, a estequiometria combinada dos elementos que constituem X pode seguir a mesma regra que Iz, conforme discutido anteriormente em relação a CsxSnyIz. Ainda outros exemplos incluem compostos da fórmula geral RNH3PbX3, em que R pode ser CnH2n+1, em que n está na faixa de 0 a 10 e X pode incluir qualquer um ou mais dentre F, Cl, Br e I em quantidades de forma que a razão total de X em comparação ao RNH3 de cátion e Pb de metal resulte na estequiometria geral de RNH3PbX3. Adicionalmente, alguns exemplos específicos de R incluem H, cadeias de alquila (por exemplo, CH3, CH3CH2, CH3CH2CH2 e assim por diante) e aminoácidos (por exemplo, glicina, cisteína, prolina, ácido glutâmico, arginina, serina, histindina, ácido 5-amôniovalérico) que incluem alfa, beta, gama e derivados de teor maior.
[0068] Em algumas modalidades, a presente revelação pode fornecer um projeto compósito de PV e outros dispositivos semelhantes (por exemplo, baterias, baterias de PV híbrida, FETs, LEDs etc.) que incluem um ou mais materiais de perovskita. Por exemplo, um ou mais materiais de perovskita podem servir como qualquer um ou ambos dentre o primeiro e o segundo materiais ativos de algumas modalidades (por exemplo, materiais ativos 2810 e 2815 da Figura 5). Em termos mais gerais, algumas modalidades da presente revelação fornecem PV ou outros dispositivos que têm uma camada ativa que compreende um ou mais materiais de perovskita. Em tais modalidades, o material de perovskita (isto é, o material que inclui qualquer um ou mais materiais de perovskita) pode ser empregado em camadas ativas de diversas arquiteturas. Além disso, o material de perovskita pode servir a função (ou funções) de qualquer um ou mais componentes de uma camada ativa (por exemplo, material de transporte de carga, material mesoporoso, material fotoativo e/ou material interfacial, cada um dos quais é discutido em maiores detalhes abaixo). Em algumas modalidades, os mesmos materiais de perovskita podem servir múltiplas tais funções, embora, em outras modalidades, uma pluralidade de materiais de perovskita possa ser incluída em um dispositivo, sendo que cada material de perovskita serve uma ou mais dessas funções. Em determinadas modalidades, independente do papel que um material de perovskita pode ter, ele pode ser preparado e/ou estar presente em um dispositivo em diversos estados. Por exemplo, o mesmo pode ser substancialmente sólido em algumas modalidades. Em outras modalidades, o mesmo pode ser uma solução (por exemplo, o material de perovskita pode ser dissolvido em líquido e estar presente no dito líquido em sua subespécie iônica individual); ou pode ser uma suspensão (por exemplo, de partículas de material de perovskita). Uma solução ou uma suspensão pode ser revestida ou, de outro modo, depositada dentro de um dispositivo (por exemplo, em outro componente do dispositivo, tal como uma camada mesoporosa, de interface, de transporte de carga, fotoativa ou outra camada e/ou um eletrodo). Os materiais de perovskita em algumas modalidades podem ser formados in situ sobre uma superfície de outro componente de um dispositivo (por exemplo, por deposição de vapor como um sólido de película fina). Qualquer outro meio adequado para formar uma camada sólida ou líquida que compreende material de perovskita pode ser empregado.
[0069] Em geral, um dispositivo de material de perovskita pode incluir um primeiro eletrodo, um segundo eletrodo e uma camada ativa que compreende um material de perovskita, sendo que a camada ativa é disposta pelo menos parcialmente entre o primeiro e o segundo eletrodos. Em algumas modalidades, o primeiro eletrodo pode ser um dentre um ânodo e um cátodo e o segundo eletrodo pode ser o outro dentre um ânodo e cátodo. Uma camada ativa, de acordo com determinadas modalidades, pode incluir qualquer um ou mais componentes de camada ativa, incluindo qualquer um ou mais dentre: material de transporte de carga; eletrólito líquido; material mesoporoso; material fotoativo (por exemplo, um corante, um silício, um telureto de cádmio, um sulfeto de cádmio, um seleneto de cádmio, um seleneto de gálio, índio e cobre, um arseneto de gálio, um fosfito de índio e germânio, polímeros semicondutores, outros materiais fotoativos); e material de interface. Qualquer um ou mais desses componentes de camada ativa pode incluir um ou mais materiais de perovskita. Em algumas modalidades, alguns ou todos os componentes de camada ativa podem estar completa ou parcialmente dispostos em subcamadas. Por exemplo, a camada ativa pode compreender qualquer uma ou mais dentre: uma camada de interface que inclui material de interface; uma camada mesoporosa que inclui material mesoporoso; e uma camada de transporte de carga que inclui material de transporte de carga. Em algumas modalidades, o material fotoativo, tal como um corante, pode ser revestido sobre ou, de outro modo, disposto sobre qualquer uma ou mais dentre essas camadas. Em determinadas modalidades, qualquer uma ou mais camadas podem ser revestidas com um eletrólito líquido. Adicionalmente, uma camada de interface pode ser incluída entre quaisquer duas ou mais outras camadas de uma camada ativa, de acordo com algumas modalidades, e/ou entre uma camada e um revestimento (tal como entre um corante e uma camada mesoporosa) e/ou entre dois revestimentos (tal como entre um eletrólito líquido e um corante) e/ou entre um componente de camada ativa e um eletrodo. A referência às camadas no presente documento pode incluir uma disposição final (por exemplo, porções substancialmente distintas de cada material separadamente definível dentro do dispositivo) e/ou a referência a uma camada pode significar disposição durante a construção de um dispositivo, não obstante a possibilidade de intermistura subsequente do material (ou materiais) em cada camada. As camadas podem, em algumas modalidades, ser distintas e compreender material substancialmente contíguo (por exemplo, as camadas podem ser conforme ilustrado de modo estilizado na Figura 1). Em outras modalidades, as camadas podem ser substancialmente intermisturadas (como, no caso de, por exemplo, BHJ, híbrido e algumas células de DSSC), cujo exemplo é mostrado pelo primeiro e pelo segundo materiais ativos 2618 e 2620 dentro da camada fotoativa 2616 na Figura 4. Em algumas modalidades, um dispositivo pode compreender uma mistura desses dois tipos de camadas, tal como também é mostrado pelo dispositivo da Figura 4, que contém camadas contíguas distintas 2627, 2626 e 2622, além de uma camada fotoativa 2616 que compreende camadas intermisturadas do primeiro e do segundo materiais ativos 2618 e 2620. De qualquer forma, quaisquer duas ou mais camadas de qualquer tipo podem, em determinadas modalidades, ser dispostas adjacentes entre si (e/ou de modo intermisturado entre si) de modo a alcançar uma área de superfície de contato alta. Em determinadas modalidades, uma camada que compreende material de perovskita pode estar disposta adjacente a uma ou mais outras camadas com a finalidade de alcançar área de superfície de contato alta (por exemplo, em que um material de perovskita exibe baixa mobilidade de carga). Em outras modalidades, a área de superfície de contato alta pode não ser necessária (por exemplo, em que um material de perovskita exibe alta mobilidade de carga).
[0070] Um dispositivo de material de perovskita, de acordo com algumas modalidades, pode incluir opcionalmente um ou mais substratos. Em algumas modalidades, qualquer um ou tanto o primeiro quanto o segundo eletrodo pode ser revestido ou de outro modo disposto sobre um substrato, de modo que o eletrodo seja disposto substancialmente entre um substrato e a camada ativa. Os materiais da composição dos dispositivos (por exemplo, substrato, eletrodo, camada ativa e/ou componentes de camada ativa) podem ser, completa ou parcialmente, rígidos ou flexíveis em diversas modalidades. Em algumas modalidades, um eletrodo pode agir como um substrato, negando, desse modo, a necessidade de um substrato separado.
[0071] Além disso, um dispositivo de material de perovskita, de acordo com determinadas modalidades, pode incluir opcionalmente material de coleta de luz (por exemplo, em uma camada de coleta de luz, tal como a Camada de Coleta de Luz 1601, conforme representado no PV exemplificativo representado na Figura 2). Além disso, um dispositivo de material de perovskita pode incluir qualquer um ou mais aditivos, tais como qualquer um ou mais dentre os aditivos discutidos acima em relação a algumas modalidades da presente revelação.
[0072] A descrição de alguns dos diversos materiais que podem ser incluídos em um dispositivo de material de perovskita será feita em parte com referência à Figura 7. A Figura 7 é um diagrama estilizado de um dispositivo de material de perovskita 3900, de acordo com algumas modalidades. Embora diversos componentes do dispositivo 3900 sejam ilustrados como camadas distintas que compreendem material contíguo, deve ser compreendido que a Figura 7 é um diagrama estilizado; dessa forma, as modalidades de acordo com o mesmo podem incluir tais camadas distintas e/ou camadas não contíguas substancialmente intermisturadas, consistentes com o uso de “camadas” anteriormente discutidas no presente documento. O dispositivo 3900 inclui o primeiro e segundo substratos 3901 e 3913. Um primeiro eletrodo 3902 está disposto sobre uma superfície interna do primeiro substrato 3901 e um segundo eletrodo 3912 está disposto sobre uma superfície interna do segundo substrato 3913. Uma camada ativa 3950 é ensanduichada entre os dois eletrodos 3902 e 3912. A camada ativa 3950 inclui uma camada mesoporosa 3904; primeiro e segundo materiais fotoativos 3906 e 3908; uma camada de transporte de carga 3910 e diversas camadas de interface. Além disso, a Figura 7 ilustra um dispositivo exemplificativo 3900, de acordo com modalidades em que as subcamadas da camada ativa 3950 são separadas pelas camadas de interface e, adicionalmente, em que as camadas de interface estão dispostas sobre cada eletrodo 3902 e 3912. Em particular, a segunda, a terceira e a quarta camadas interfaciais 3905, 3907 e 3909 estão respectivamente dispostas entre cada uma dentre a camada mesoporosa 3904, o primeiro material fotoativo 3906, o segundo material fotoativo 3908 e a camada de transporte de carga 3910. A primeira e a quinta camadas de interface 3903 e 3911 estão respectivamente dispostas entre (i) o primeiro eletrodo 3902 e a camada mesoporosa 3904; e (ii) a camada de transporte de carga 3910 e segundo eletrodo 3912. Portanto, a arquitetura do dispositivo exemplificativo representado na Figura 7 pode ser caracterizada como: substrato—eletrodo—camada ativa—eletrodo—substrato. A arquitetura da camada ativa 3950 pode ser caracterizada como: camada de interface— camada mesoporosa—camada de interface—material fotoativo—camada de interface—material fotoativo—camada de interface—camada de transporte de carga—camada de interface. Conforme observado anteriormente, em algumas modalidades, as camadas de interface não precisam estar presentes; ou uma ou mais camadas de interface podem estar incluídas apenas entre determinados, mas não todos, componentes de uma camada ativa e/ou componentes de um dispositivo.
[0073] Um substrato, tal como qualquer um ou ambos dentre o primeiro e o segundo substratos 3901 e 3913, pode ser flexível ou rígido. Se dois substratores forem incluídos, pelo menos um deve ser transparente ou translúcido à radiação eletromagnética (EM) (tal como, por exemplo, radiação de UV, visível ou IR). Se um substrato for incluído, ele pode ser, de modo semelhante, transparente ou translúcido, embora não precise ser, desde que uma porção do dispositivo permita que a radiação EM entre em contato com a camada ativa 3950. Os materiais de substrato adequados incluem qualquer um ou mais dentre: vidro; safira; óxido de magnésio (MgO); mica; polímeros (por exemplo, PET, PEG, polipropileno, polietileno, etc.); cerâmicas; panos (por exemplo, algodão, seda, lã); madeira; parede de gesso; metal; e combinações dos mesmos.
[0074] Conforme observado anteriormente, um eletrodo (por exemplo, um dentre os eletrodos 3902 e 3912 da Figura 7) pode ser um ânodo ou um cátodo. Em algumas modalidades, um eletrodo pode funcionar como um cátodo e o outro pode funcionar como um ânodo. Qualquer um ou ambos os eletrodos 3902 e 3912 pode ser acoplado a derivações, cabos, fios ou outros meios que habilitam o transporte de carga para e/ou a partir do dispositivo 3900. Um eletrodo pode constituir qualquer material condutivo e pelo menos um eletrodo deve ser transparente ou translúcido para radiação EM e/ou ser disposto de modo que permita que a radiação EM entre em contato com pelo menos uma porção da camada ativa 3950. Os materiais de eletrodo adequados podem incluir qualquer um ou mais dentre: óxido de estanho e índio ou óxido de índio dopado com estanho (ITO); óxido de estanho dopado com flúor (FTO); óxido de cádmio (CdO); óxido de estanho, índio e zinco (ZITO); óxido de zinco e alumínio (AZO); alumínio (Al); ouro (Au); cálcio (Ca); magnésio (Mg); titânio (Ti); aço; carbono (e alotropias dos mesmos); e combinações dos mesmos.
[0075] O material mesoporoso (por exemplo, o material incluído na camada mesoporosa 3904 da Figura 7) pode incluir qualquer material que contém poro. Em algumas modalidades, os poros podem ter diâmetros na faixa de cerca de 1 a cerca de 100 nm; em outras modalidades, o diâmetro de poro pode estar na faixa de cerca de 2 a cerca de 50 nm. O material mesoporoso adequado inclui qualquer um ou mais dentre: qualquer material de interface e/ou material mesoporoso discutido em outro momento no presente documento; alumínio (Al); bismuto (Bi); índio (In); molibdênio (Mo); nióbio (Nb); níquel (Ni); silício (Si); titânio (Ti); vanádio (V); zinco (Zn); zircônio (Zr); um óxido de qualquer um ou mais dentre os metais anteriores (por exemplo, alumina, ceria, titânia, óxido de zinco, zircona, etc.); um sulfeto de qualquer um ou mais dos metais anteriores; um nitreto de qualquer um ou mais dos metais anteriores; e combinações dos mesmos.
[0076] O material fotoativo (por exemplo, primeiro ou segundo material fotoativo 3906 ou 3908 da Figura 7) pode compreender qualquer composto fotoativo, tal como qualquer um ou mais dentre silício (em alguns casos, silício monocristalino), telureto de cádmio, sulfeto de cádmio, seleneto de cádmio, seleneto de gálio, índio e cobre, arseneto de gálio, fosfito de índio e germânio, um ou mais polímeros semicondutores e combinações dos mesmos. Em determinadas modalidades, o material fotoativo pode compreender, alternativa ou adicionalmente, um corante (por exemplo, N719, N3, outros corantes com base em rutênio). Em algumas modalidades, um corante (de qualquer composição) pode ser revestido sobre outra camada (por exemplo, uma camada mesoporosa e/ou uma camada de interface). Em algumas modalidades, o material fotoativo pode incluir um ou mais materiais de perovskita. A substância fotoativa que contém material de perovskita pode estar em uma forma sólida ou, em algumas modalidades, pode ter a forma de um corante que inclui uma suspensão ou solução que compreende material de perovskita. Essa solução ou suspensão pode ser revestida sobre outros componentes de dispositivo de modo semelhante a outros corantes. Em algumas modalidades, o material que contém perovskita sólida pode ser depositado por qualquer meio adequado (por exemplo, deposição por vapor, deposição de solução, colocação direta do material sólido, etc.). Os dispositivos, de acordo com diversas modalidades, podem incluir um, dois, três ou mais compostos fotoativos (por exemplo, um, dois, três ou mais materiais de perovskita, corantes ou combinações dos mesmos). Em determinadas modalidades que incluem múltiplos corantes ou outros materiais fotoativos, cada um dentre os dois ou mais corantes ou outros materiais fotoativos pode ser separado por uma ou mais camadas de interface. Em algumas modalidades, múltiplos corantes e/ou compostos fotoativos podem ser, pelo menos em parte, intermisturados.
[0077] O material de transporte de carga (por exemplo, material de transporte de carga da camada de transporte de carga 3910 na Figura 7) pode incluir material de transporte de carga de estado sólido (isto é, um eletrólito de estado sólido identificado coloquialmente) ou pode incluir um eletrólito líquido e/ou líquido iônico. Qualquer um dentre o eletrólito líquido, líquido iônico e material de transporte de carga de estado sólido pode ser referido como o material de transporte de carga. Conforme usado no presente documento, o “material de transporte de carga” se refere a qualquer material, sólido, líquido ou, de outro modo, com capacidade para coletar os portadores de carga e/ou transportar portadores de carga. Por exemplo, nos dispositivos de PV, de acordo com algumas modalidades, um material de transporte de carga pode ter capacidade para transportar portadores de carga para um eletrodo. Os portadores de carga podem incluir lacunas (cujo transporte pode produzir o material de transporte de carga, assim como identificado adequadamente “material de transporte de lacuna”) e elétrons. As lacunas podem ser transportadas em direção a um ânodo e elétrons em direção a um cátodo, dependendo da colocação do material de transporte de carga em relação a um cátodo ou ânodo em um PV ou outro dispositivo. Exemplos adequados de material de transporte de carga, de acordo com algumas modalidades, podem incluir qualquer um ou mais dentre: material de perovskita; I-/I3-; complexos de Co; politiofenos (por exemplo, poli(3-hexiltiofeno) e derivados dos mesmos, ou P3HT); copolímeros à base de carbazol, como polieptadecanilcarbazol ditienilbenzotiadiazol e derivados dos mesmos (por exemplo, PCDTBT); outros copolímeros como policiclopentaditiofeno—benzotiadiazol e derivados dos mesmos (por exemplo, PCPDTBT), polibenzoditiofenil-tienotiofenodiil e derivados dos mesmos (por exemplo, PTB6, PTB7, PTB7-th, PCE-10); poli(triarilamina) compostos e derivados dos mesmos (por exemplo, PTAA); Spiro-OMeTAD; vinilenos de polifenileno e derivados dos mesmos (por exemplo, MDMO-PPV, MEH-PPV); derivados de fulerenos e/ou fulereno (por exemplo, C60, PCBM); e combinações dos mesmos. Em determinadas modalidades, o material de transporte de carga pode incluir qualquer material, sólido ou líquido, com a capacidade de coletar portadores de carga (elétrons ou lacunas) e/ou com capacidade para transportar portadores de carga. O material de transporte de carga de algumas modalidades pode, portanto, ser material semicondutor e/ou ativo do tipo n ou p. O material de transporte de carga pode ser disposto próximo a um dos eletrodos de um dispositivo. Ele pode, em algumas modalidades, estar disposto adjacente a um eletrodo, embora em outras modalidades uma camada de interface possa estar disposta entre o material de transporte de carga e um eletrodo (conforme mostrado, por exemplo, na Figura 7 com a quinta camada de interface 3911). Em determinadas modalidades, o tipo de material de transporte de carga pode ser selecionado com base no eletrodo ao qual o mesmo está próximo. Por exemplo, se o material de transporte de carga coletar e/ou transportar lacunas, o mesmo pode estar próximo a um ânodo com a finalidade de transportar lacunas para o ânodo. Entretanto, o material de transporte de carga pode, em vez disso, ser colocado próximo a um cátodo e ser selecionado ou construído a fim de transportar elétrons ao cátodo.
[0078] Conforme observado anteriormente, os dispositivos, de acordo com diversas modalidades, podem incluir opcionalmente uma camada de interface entre quaisquer duas outras camadas e/ou materiais, embora os dispositivos, de acordo com algumas modalidades, não precisem conter quaisquer camadas de interface. Portanto, por exemplo, um dispositivo de material de perovskita pode conter zero, um, dois, três, quatro, cinco ou mais camadas de interface (tal como o dispositivo exemplificativo da Figura 7 que contém cinco camadas de interface 3903, 3905, 3907, 3909 e 3911). Uma camada de interface pode incluir uma camada interfacial de película fina, de acordo com as modalidades discutidas anteriormente no presente documento, (por exemplo, que compreende alumina e/ou outras partículas de óxido de metal e/ou uma bicamada de óxido de metal/titânia e/ou outros compostos de acordo com camadas de interface de película fina, conforme discutido em outro lugar no presente documento). Uma camada de interface, de acordo com algumas modalidades, pode incluir qualquer material adequado para melhorar a coleta e/ou transporte de carga entre duas camadas ou materiais; também pode ajudar a evitar ou reduzir a probabilidade de recombinação de carga, uma vez que uma carga foi transportada distante de um dos materiais adjacentes à camada de interface. Os materiais de interface adequados podem incluir qualquer um ou mais dentre: qualquer material mesoporoso e/ou material dopado discutido em outro momento no presente documento; Al; Bi; Co; Cu; Fe; In; Mn; Mo; Ni; platina (Pt); Si; Sn; Ta; Ti; V; W; Nb; Zn; Zr; óxidos de qualquer um dos metais anteriores (por exemplo, alumina, sílica, titânia); um sulfeto dos metais anteriores; um nitreto de qualquer um dos metais anteriores; grupos aquil silila funcionalizados ou não funcionalizados; grafite; grafeno; fulerenos; nanotubos de carbono; e combinações dos mesmos (o que inclui, em algumas modalidades, bicamadas de materiais combinados). Em algumas modalidades, uma camada de interface pode incluir material de perovskita.
[0079] Um dispositivo de acordo com a representação estilizada da Figura 7 pode, em algumas modalidades, ser um PV, tal como um DSSC, BHJ ou uma célula solar híbrida. Em algumas modalidades, os dispositivos, de acordo com a Figura 7, pode constituir PVs multicelulares seriais ou paralelos, baterias, baterias de PV híbrida, FETs, LEDS e/ou qualquer outro dispositivo discutido no presente documento. Por exemplo, um BHJ de algumas modalidades pode incluir dois eletrodos correspondentes a eletrodos 3902 e 3912 e uma camada ativa que compreende pelo menos dois materiais em uma interface de heterojunção (por exemplo, quaisquer dois dos materiais e/ou camadas da camada ativa 3950). Em determinadas modalidades, outros dispositivos (tais como baterias de PV híbridas, PVs multicelulares seriais ou paralelos, etc.) podem compreender uma camada ativa que inclui um material de perovskita, correspondente à camada ativa 3950 da Figura 7. Resumidamente, a natureza estilizada da representação do dispositivo exemplificativo da Figura 7 não deve, de modo algum, limitar a estrutura ou a arquitetura permissível dos dispositivos de diversas modalidades de acordo com a Figura 7.
[0080] As modalidades exemplificativas mais específicas adicionais de dispositivos de perovskita serão discutidas em termos de representações estilizadas adicionais dos dispositivos exemplificativos. A natureza estilizada dessas representações, nas Figuras 8 a 18, não se destina, de modo semelhante, a restringir o tipo de dispositivo que pode, em algumas modalidades, ser construído de acordo com qualquer uma ou mais das Figuras 8 a 18. Isto é, as arquiteturas exibidas nas Figuras 8 a 18 podem ser adaptadas a fim de fornecer BHJs, baterias, FETs, baterias de PV híbridas, PVs de multicelulares seriais, PVs multicelulares paralelos e outros dispositivos semelhantes de outras modalidades da presente revelação, de acordo com qualquer meio adequado (que inclui ambos aqueles discutidos expressamente em outro momento no presente documento e outros meios adequados, os quais serão evidentes para os indivíduos versados na técnica com o benefício desta revelação).
[0081] A Figura 8 retrata um dispositivo exemplificativo 4100 de acordo com diversas modalidades. O dispositivo 4100 ilustra as modalidades que incluem o primeiro e o segundo substratos de vidro 4101 e 4109. Cada substrato de vidro tem um eletrodo de FTO disposto sobre sua superfície interna (o primeiro eletrodo 4102 e o segundo eletrodo 4108, respectivamente) e cada eletrodo tem uma camada interfacial depositada sobre sua superfície interna: A primeira camada de interface de TiO2 4103 é depositada sobre o primeiro eletrodo 4102 e a segunda camada de interface de Pt 4107 é depositada sobre o segundo eletrodo 4108. Estão ensanduichados entre as duas camadas de interface: uma camada mesoporosa 4104 (que compreende TiO2); material fotoativo 4105 (que compreende o material de perovskita MAPbI3); e uma camada de transporte de carga 4106 (que compreende aqui CsSnI3).
[0082] A Figura 9 retrata um dispositivo exemplificativo 4300 que omite uma camada mesoporosa. O dispositivo 4300 inclui um composto fotoativo de material de perovskita 4304 (que compreende MAPbI3) ensanduichado entre a primeira e a segunda camadas interfaciais 4303 e 4305 (que compreende titânia e alumina, respectivamente). A camada interfacial de titânia 4303 é revestida sobre um primeiro eletrodo de FTO 4302, o qual, por sua vez, está disposto sobre uma superfície interna de um substrato de vidro 4301. Uma camada de transporte de carga de spiro-OMeTAD 4306 é revestida sobre uma camada interfacial alumina 4305 e disposta sobre uma superfície interna de um segundo eletrodo de ouro 4307.
[0083] Conforme será aparente a um indivíduo de habilidade comum na técnica com o benefício desta revelação, diversas outras modalidades são possíveis, tais como um dispositivo com múltiplas camadas fotoativas (tal como exemplificado pelas camadas fotoativas 3906 e 3908 do dispositivo exemplificativo da Figura 7). Em algumas modalidades, conforme discutido acima, cada camada fotoativa pode ser separada por uma camada de interface (conforme mostrado pela terceira camada interfacial 3907 na Figura 7). Além disso, uma camada mesoporosa pode estar disposta sobre um eletrodo, tal como ilustrado na Figura 7 pela camada mesoporosa 3904 que está disposta sobre o primeiro eletrodo 3902. Embora a Figura 7 retrate uma camada de interface interveniente 3903 disposta entre as duas, em algumas modalidades uma camada mesoporosa pode estar disposta diretamente sobre um eletrodo.
[0084] Outras arquiteturas de dispositivo de material de perovskita exemplificativas serão evidentes aos indivíduos versados na técnica com o benefício desta revelação. Os exemplos incluem, sem limitação, dispositivos que contêm camadas ativas que têm qualquer uma das seguintes arquiteturas: (1) eletrólito líquido—material de perovskita—camada mesoporosa; (2) material de perovskita—corante—camada mesoporosa; (3) primeiro material de perovskita—segundo material de perovskita—camada mesoporosa; (4) primeiro material de perovskita—segundo material de perovskita; (5) primeiro material de perovskita—corante—segundo material de perovskita; (6) material de transporte de carga de estado sólido—material de perovskita; (7) material de transporte de carga de estado sólido—corante—material de perovskita— camada mesoporosa; (8) material de transporte de carga de estado sólido— material de perovskita—corante—camada mesoporosa; (9) material de transporte de carga de estado sólido—corante—material de perovskita— camada mesoporosa; e (10) material de transporte de carga de estado sólido— material de perovskita—corante—camada mesoporosa. Os componentes individuais de cada arquitetura exemplificativa (por exemplo, camada mesoporosa, material de transporte de carga, etc.) pode estar de acordo com a discussão acima para cada componente. Além disso, cada arquitetura exemplificativa é discutida em maiores detalhes abaixo.
[0085] Como um exemplo particular de algumas das camadas ativas supracitadas, em algumas modalidades, uma camada ativa pode incluir um eletrólito líquido, material de perovskita e uma camada mesoporosa. A camada ativa de determinadas dentre essas modalidades pode ter substancialmente a arquitetura: eletrólito líquido—material de perovskita—camada mesoporosa. Qualquer eletrólito líquido pode ser adequado; e qualquer camada mesoporosa (por exemplo, TiO2) pode ser adequada. Em algumas modalidades, o material de perovskita pode ser depositado sobre a camada mesoporosa e sobre a mesma ser revestido com o eletrólito líquido. O material de perovskita de algumas dessas modalidades pode atuar, pelo menos em parte, como um corante (portanto, pode ser fotoativo).
[0086] Em outras modalidades exemplificativas, uma camada ativa pode incluir material de perovskita, um corante e uma camada mesoporosa. A camada ativa de determinadas dentre essas modalidades pode ter substancialmente a arquitetura: material de perovskita—corante—camada mesoporosa. O corante pode ser revestido sobre a camada mesoporosa e o material de perovskita pode ser disposto sobre a camada mesoporosa revestida por corante. O material de perovskita pode funcionar como o material de transporte de lacuna em determinadas dentre essas modalidades.
[0087] Em ainda outras modalidades exemplificativas, uma camada ativa pode incluir o primeiro material de perovskita, o segundo material de perovskita e uma camada mesoporosa. A camada ativa de determinadas dentre essas modalidades pode ter substancialmente a arquitetura: primeiro material de perovskita—segundo material de perovskita—camada mesoporosa. O primeiro e o segundo materiais de perovskita podem, cada um, compreender o(s) mesmo(s) material(is) de perovskita, ou eles podem compreender materiais de perovskita diferentes. Qualquer um dentre o primeiro e o segundo materiais de perovskita pode ser fotoativo (por exemplo, um primeiro e/ou segundo material de perovskita dessas modalidades pode funcionar, pelo menos em parte, como um corante).
[0088] Em determinadas modalidades exemplificativas, uma camada ativa pode incluir o primeiro material de perovskita e o segundo material de perovskita. A camada ativa de determinadas dentre essas modalidades pode ter substancialmente a arquitetura: primeiro material de perovskita—segundo material de perovskita. O primeiro e o segundo materiais de perovskita podem, cada um, compreender o(s) mesmo(s) material(is) de perovskita, ou eles podem compreender materiais de perovskita diferentes. Qualquer um dentre o primeiro e o segundo materiais de perovskita pode ser fotoativo (por exemplo, um primeiro e/ou segundo material de perovskita dessas modalidades pode funcionar, pelo menos em parte, como um corante). Além disso, qualquer um dentre o primeiro e o segundo materiais de perovskita pode ter capacidade para funcionar como material de transporte de lacuna. Em algumas modalidades, um dentre o primeiro e o segundo materiais de perovskita funciona como um material de transporte de elétron e o outro dentre o primeiro e o segundo materiais de perovskita funciona como um corante. Em algumas modalidades, o primeiro e o segundo materiais de perovskita podem estar dispostos dentro da camada ativa de modo que alcance uma área de interface alta entre o primeiro material de perovskita e o segundo material de perovskita, tal como na disposição mostrada para o primeiro e o segundo materiais ativos 2810 e 2815, respectivamente, na Figura 5 (ou conforme mostrado de modo semelhante por material do tipo p e n 2618 e 2620, respectivamente, na Figura 4).
[0089] Em modalidades exemplificativas adicionais, uma camada ativa pode incluir o primeiro material de perovskita, um corante e segundo material de perovskita. A camada ativa de determinadas dentre essas modalidades pode ter substancialmente a arquitetura: primeiro material de perovskita— corante—segundo material de perovskita. Qualquer um dentre o primeiro e o segundo materiais de perovskita pode funcionar como material de transporte de carga e o outro dentre o primeiro e o segundo materiais de perovskita pode funcionar como um corante. Em algumas modalidades, tanto o primeiro quanto o segundo materiais de perovskita podem, pelo menos em parte, servir funções sobrepostas, semelhantes e/ou idênticas (por exemplo, ambos podem servir como um corante e/ou ambos podem servir como um material de transporte de lacuna).
[0090] Em algumas outras modalidades exemplificativas, uma camada ativa pode incluir um material de transporte de carga de estado sólido e um material de perovskita. A camada ativa de determinadas dentre essas modalidades pode ter substancialmente a arquitetura: material de transporte de carga de estado sólido—material de perovskita. Por exemplo, o material de perovskita e o material de transporte de carga de estado sólido podem estar dispostos dentro da camada ativa de modo que alcance uma área de interface alta, tal como na disposição mostrada para o primeiro e para o segundo materiais ativos 2810 e 2815, respectivamente, na Figura 5 (ou conforme mostrado de modo semelhante pelo material de tipo p e n 2618 e 2620, respectivamente, na Figura 4).
[0091] Em outras modalidades exemplificativas, uma camada ativa pode incluir um material de transporte de carga de estado sólido, um corante, um material de perovskita e uma camada mesoporosa. A camada ativa de determinadas dentre essas modalidades pode ter substancialmente a arquitetura: material de transporte de carga de estado sólido—corante— material de perovskita—camada mesoporosa. A camada ativa de determinadas outras dentre essas modalidades pode ter substancialmente a arquitetura: material de transporte de carga de estado sólido—material de perovskita— corante—camada mesoporosa. O material de perovskita pode, em algumas modalidades, servir como um segundo corante. O material de perovskita pode, nessas modalidades, aumentar a amplitude do espectro de luz visível absorvida por um PV ou outro dispositivo que inclui uma camada ativa dessas modalidades. Em determinadas modalidades, o material de perovskita pode também ou em vez disso servir como uma camada de interface entre o corante e a camada mesoporosa, e/ou entre o corante e o material de transporte de carga.
[0092] Em algumas modalidades exemplificativas, uma camada ativa pode incluir um eletrólito líquido, um corante, um material de perovskita e uma camada mesoporosa. A camada ativa de determinadas dentre essas modalidades pode ter substancialmente a arquitetura: material de transporte de carga de estado sólido—corante—material de perovskita—camada mesoporosa. A camada ativa de determinadas outras dentre essas modalidades pode ter substancialmente a arquitetura: material de transporte de carga de estado sólido—material de perovskita—corante—camada mesoporosa. O material de perovskita pode servir como um material fotoativo, uma camada interfacial e/ou uma combinação dos mesmos.
[0093] Algumas modalidades fornecem dispositivos PV de BHJ que incluem materiais de perovskita. Por exemplo, um BHJ de algumas modalidades pode incluir uma camada fotoativa (por exemplo, camada fotoativa 2404 da Figura 3), que pode incluir um ou mais materiais de perovskita. A camada fotoativa de tal BHJ pode também ou em vez disso incluir qualquer um ou mais dos componentes discutidas exemplificativos listados acima em relação a camadas ativas de DSSC. Adicionalmente, em algumas modalidades, a camada fotoativa de BHJ pode ter uma arquitetura de acordo com qualquer uma das modalidades exemplificativas das camadas ativas de DSSC discutidas acima.
[0094] Em algumas modalidades, qualquer uma das camadas ativas que incluem materiais de perovskita incorporada em PVs ou outros dispositivos, conforme discutido no presente documento, pode incluir adicionalmente qualquer um dentre os diversos materiais adicionais também discutidos no presente documento, conforme adequado para inclusão em uma camada ativa. Por exemplo, qualquer camada ativa que inclui material de perovskita pode incluir adicionalmente uma camada de interface, de acordo com diversas modalidades discutidas no presente documento (tal como, por exemplo, uma camada de interface de película fina). A título de exemplo adicional, uma camada ativa que inclui material de perovskita pode incluir adicionalmente uma camada de coleta de luz, tal como a Camada de Coleta de Luz 1601, conforme retratado no PV exemplificativo representado na Figura 2.
[0095] Conforme discutido anteriormente, em algumas modalidades, um material de perovskita na camada ativa pode ter a formulação CMX3-yX’y (0 > y > 3), em que: C compreende um ou mais cátions (por exemplo, uma amina, amônio, um metal do Grupo 1, um metal do Grupo 2, formamidina, guanidina, tetramina de eteno e/ou outros cátions ou compostos semelhantes a cátion); M compreende um ou mais metais (por exemplo, Fe, Cd, Co, Ni, Cu, Hg, Sn, Pb, Bi, Ge, Ti, Zn e Zr); e X e X’ compreendem um ou mais ânions. Em uma modalidade, o material de perovskita pode compreender CPbI3-yCly. Em determinadas modalidades, o material de perovskita pode ser depositado como uma camada ativa em um dispositivo de PV através de, por exemplo, fundição por gotas, fundição rotativa, impressão por extrusão, serigrafia ou impressão à jato de tinta em uma camada de substrato com o uso das etapas descritas abaixo.
[0096] Em primeiro lugar, uma tinta precursora de haleto de chumbo é formada. Uma quantidade de haleto de chumbo pode ser aglomerada em uma ampola seca e limpa dentro de uma caixa de luvas (isto é, caixa de atmosfera controlada com vigias que contêm luvas permite a manipulação de materiais em um ambiente livre de ar). Os haletos de chumbo adequados incluem, sem limitação, iodeto de chumbo (II), brometo de chumbo (II), cloreto de chumbo (II) e fluoreto de chumbo (II). O haleto de chumbo pode compreender uma única espécie de haleto de chumbo ou pode compreender uma mistura de haleto de chumbo em uma razão exata. Em determinadas modalidades, a mistura de haleto de chumbo pode compreender qualquer razão binária, ternária ou quaternária de 0,001 a 100% em mol de iodeto, brometo, cloreto ou fluoreto. Em uma modalidade, a mistura de haleto de chumbo pode compreender cloreto de chumbo (II) e iodeto de chumbo (II) em uma razão de cerca de 10:90 mol:mol. Em outras modalidades, a mistura de haleto de chumbo pode compreender cloreto de chumbo (II) e iodeto de chumbo (II) em uma razão de cerca de 5:95, cerca de 7,5:92,5, ou cerca de 15:85 mol:mol.
[0097] Alternativamente, outros precursores de sal de chumbo podem ser usados em combinação com ou no lugar de sais de haleto de chumbo para formar a tinta precursora. Sais precursores adequados podem compreender qualquer combinação de chumbo (II) ou chumbo (IV) e os seguintes ânions: nitrato, nitreto, carboxilato, acetato, formato, oxilato, sulfato, sulfeto, tiossulfato, fosfato, tetrafluoroborato, hexafluorofosfato, tetra(perfluorofenil) borato, hidreto, óxido, peróxido, hidróxido, nitreto, arsenato, arseneto, perclorato, carbonato, bicarbonato, cromato, dicromato, iodato, bromato, clorato, cloreto, hipocloreto, hipobrometo, cianeto, cianato, isocianato, fulminato, tiocianato, isotiocianato, azida, tetracarbonilcobaltato, carbamoildicianometanida, dicianonitrosometanida, dicianamida, tricianometanida, amida e permanganato.
[0098] A tinta precursora pode compreender adicionalmente um sal de chumbo (II) ou chumbo (IV) em razões molares de 0 a 100% para os seguintes íons de metal Fe, Cd, Co, Ni, Cu, Hg, Sn, Pb, Bi, Ge, Ti, Zn e Zr, como um sal dos ânions supracitados.
[0099] Um solvente pode ser, então, adicionado à ampola para dissolver os sólidos de chumbo para formar a tinta precursora de haleto de chumbo. Os solventes adequados incluem, sem limitação, N-ciclo-hexil-2-pirrolidona, alquil- 2-pirrolidona, dimetilformamida, dialquilformamida secas, dimetilsulfóxido (DMSO), metanol, etanol, propanol, butanol, tetra-hidrofurano, formamida, terc- butilpiridina, piridina, alquilpiridina, pirrolidina, clorobenzeno, diclorobenzeno, diclorometano, clorofórmio e combinações dos mesmos. Em uma modalidade, os sólidos de chumbo são dissolvidos em dimetilformamida seca (DMF). Os sólidos de chumbo podem ser dissolvidos a uma temperatura entre cerca de 20 oC a cerca de 150 oC. Em uma modalidade, os sólidos de chumbo são dissolvidos a cerca de 85 oC. Os sólidos de chumbo podem ser dissolvidos por tanto tempo quanto necessário para formar uma solução, que pode ocorrer ao longo de um período de tempo até cerca de 72 horas. A solução resultante forma a base da tinta precursora de haleto de chumbo. Em algumas modalidades, a tinta precursora de haleto de chumbo pode ter uma concentração de haleto de chumbo entre cerca de 0,001 M e cerca de 10 M. Em uma modalidade, a tinta precursora de haleto de chumbo tem uma concentração de haleto de chumbo de cerca de 1 M.
[0100] Opcionalmente, determinados aditivos podem ser adicionados à tinta precursora de haleto de chumbo para afetar a estabilidade e a cristalinidade final de perovskita. Em algumas modalidades, a tinta precursora de haleto de chumbo pode compreender adicionalmente um aminoácido (por exemplo, ácido 5-aminovalérico, histidina, glicina, licina), um hidro-haleto de aminoácido (por exemplo, cloridrato de ácido 5-aminovalérico), um agente modificador de superfície (SAM) de IFL (tal como aqueles discutidos anteriormente no relatório descritivo) ou uma combinação dos mesmos. Em uma modalidade, cloreto de formamidina pode ser adicionado à tinta precursora de haleto de chumbo. Em outras modalidades, o haleto de qualquer cátion discutido anteriormente no relatório descritivo pode ser usado. Em algumas modalidades, combinações de aditivos podem ser adicionadas à tinta precursora de haleto de chumbo incluindo, por exemplo, a combinação de cloreto de formamidina e cloridrato de ácido 5-aminovalérico.
[0101] A título de explicação, e sem limitar a revelação a qualquer teoria de mecanismo particular, verificou-se que formamidina e ácido 5-aminovalérico aperfeiçoam a estabilidade de dispositivo de PV de perovskita quando são usados como aditivos ou contracátions em uma fabricação de dispositivo de perovskita em uma etapa. Constatou-se também que cloreto, na forma de PbCl2, aperfeiçoa o desempenho de dispositivo de PV de perovskita quando adicionado a uma solução precursora de PbI2 em um método em duas etapas. Verificou-se que o processo de deposição de película fina de perovskita em duas etapas pode ser aperfeiçoado adicionando-se cloreto de formamidina e/ou cloridrato de ácido 5-aminovalérico diretamente a uma solução precursora de haleto de chumbo (por exemplo, PbI2) para alavancar ambas vantagens com um único material. Outros processos de deposição de película de perovskita podem, da mesma forma, ser aperfeiçoados pela adição de cloreto de formamidina, cloridrato de ácido 5-aminovalérico ou PbCl2 a uma solução precursora de haleto de chumbo.
[0102] Os aditivos, que incluem cloreto de formamidina e/ou cloridrato de ácido 5-aminovalérico, podem ser adicionados à tinta precursora de haleto de chumbo em diversas concentrações dependendo das características desejadas do material de perovskita resultante. Em uma modalidade, os aditivos podem ser adicionados em uma concentração de cerca de 1 nM a cerca de n M. Em outra modalidade, os aditivos podem ser adicionados em uma concentração de cerca de n μM a cerca de 1 M. Em outra modalidade, os aditivos podem ser adicionados em uma concentração de cerca de 1 μM a cerca de 1 mM.
[0103] Opcionalmente, em determinadas modalidades, água pode ser adicionada à tinta precursora de haleto de chumbo. A título de explicação e sem limitar a revelação em qualquer teoria ou mecanismo particular, a presença de água afeta o crescimento cristalino de película fina de perovskita. Sob circunstâncias normais, a água pode ser absorvida como vapor do ar. Entretanto, é possível controlar a cristalinidade de PV de perovskita através da adição direta de água à tinta precursora de haleto de chumbo em concentrações específicas. A água adequada inclui água desionizada destilada ou qualquer outra fonte de água que esteja substancialmente livre de contaminantes (incluindo minerais). Constatou-se, baseado nas varreduras de luz I a V, que a eficiência de conversão de luz para potência de PV de perovskita pode, aproximadamente, triplicar com a adição de água em comparação com um dispositivo completamente seco.
[0104] A água pode ser adicionada à tinta precursora de haleto de chumbo em diversas concentrações dependendo das características desejadas do material de perovskita resultante. Em uma modalidade, a água pode ser adicionada em uma concentração de cerca de 1 nl/ml a cerca de 1 ml/ml. Em outra modalidade, a água pode ser adicionada em uma concentração de cerca de 1 μl/ml a cerca de 0,1 ml/ml. Em outra modalidade, a água pode ser adicionada em uma concentração de cerca de 1 μl/ml a cerca de 20 μl/ml.
[0105] A Figura 12 mostra imagens de um microscópio eletrônico de varredura em corte transversal que comparam um PV de perovskita fabricado com água (5110) e sem água (5120). Conforme pode ser visto a partir da Figura 12, existe uma alteração estrutural considerável na camada de material de perovskita (5111 e 5121) quando a água é excluída (fundo) durante fabricação, em comparação com quando a água é incluída (topo). A camada de material de perovskita 5111 (fabricada com água) é consideravelmente mais contígua e densa que a camada de material de perovskita 5121 (fabricada sem água).
[0106] A tinta precursora de haleto de chumbo pode, então, ser depositada sobre o substrato desejado. As camadas de substrato adequadas podem incluir qualquer uma das camadas de substrato identificadas anteriormente nesta revelação. Conforme observado acima, a tinta precursora de haleto de chumbo pode ser depositada através de uma variedade de meios, que incluem, sem limitação, fundição por gotas, fundição rotativa, impressão por extrusão, serigrafia ou impressão a jato de tinta. Em determinadas modalidades, a tinta precursora de haleto de chumbo pode ser revestida por rotação no substrato em uma velocidade de cerca de 500 rpm a cerca de 10.000 rpm por um período de tempo de cerca de 5 segundos a cerca de 600 segundos. Em uma modalidade, a tinta precursora de haleto de chumbo pode ser revestida por rotação no substrato a cerca de 3.000 rpm por cerca de 30 segundos. A tinta precursora de haleto de chumbo pode ser depositada no substrato em uma atmosfera ambiente em uma faixa de umidade de cerca de 0% de umidade relativa a cerca de 50% de umidade relativa. A tinta precursora de haleto de chumbo pode, então, ser deixada para secar em uma atmosfera substancialmente livre de água, isto é, menor do que 20% de umidade relativa, para formar uma película fina.
[0107] A película fina pode, então, ser termicamente recozida por um período de tempo de até cerca de 24 horas a uma temperatura de cerca de 20 oC a cerca de 300 oC. Em uma modalidade, a película fina pode ser termicamente recozida por cerca de dez minutos a uma temperatura de cerca de 50 °C. A camada ativa de material de perovskita pode, então, ser completada por um processo de conversão em que a película precursora é submersa ou enxaguada com uma solução que compreende um solvente ou mistura de solventes (por exemplo, DMF, isopropanol, metanol, etanol, butanol, clorofórmio clorobenzeno, dimetilsulfóxido, água) e sal (por exemplo, iodeto de metilamônio, iodeto de formamidínio, iodeto de guanidínio, iodeto de 1,2,2- triaminovinilamônio, iodidrato de ácido 5-aminovalérico) em uma concentração entre 0,001 M e 10 M. Em determinadas modalidades, as películas finas também podem ser termicamente pós-recozidas do mesmo modo que na primeira linha deste parágrafo.
[0108] Portanto, a presente invenção é bem adaptada para alcançar as finalidades e as vantagens, bem como aquelas que são inerentes na mesma. As modalidades particulares reveladas acima são somente ilustrativas, uma vez que a presente invenção pode ser modificada e praticada de diferentes formas, mas equivalentes, evidentes aos indivíduos versados na técnica que têm o benefício dos ensinamentos no presente documento. Além disso, nenhuma das limitações é destinada aos detalhes de construção ou projeto mostrados no presente documento, diferentes das descritas nas reivindicações abaixo. Portanto, é evidente que as modalidades ilustrativas particulares reveladas acima podem ser alteradas ou modificadas e todas as tais variações são consideradas como abrangidas pelo escopo e pelo espírito da presente invenção. Em particular, cada faixa de valores (da forma, “de cerca de a a cerca de b,” ou, equivalentemente, “de aproximadamente a a b,” ou, equivalentemente, “de aproximadamente a-b”) revelada no presente documento deve ser compreendida como referindo ao conjunto de potência (o conjunto de todos os subconjuntos) das respectivas faixas de valores e apresentando cada faixa englobada dentro da faixa mais ampla de valores. Além disso, os termos nas reivindicações têm seu significado comum pleno, a menos que, de outro modo, explícita e claramente definidos pelo requerente.
Claims (12)
1. Dispositivo fotovoltaico (2610, 3900, 4100, 4300, 4400; 4500; 6100; 6200; 6300; 6400; 6500; 6600; 6700; 6800) caracterizado pelo fato de que compreende: um primeiro eletrodo (2622; 3902; 4402; 4102; 4302; 4502; 6102; 6202; 6302; 6402; 6502; 6602; 6702; 6802); um segundo eletrodo (2624, 3912, 4108; 4307; 4406; 4507; 6107; 6206; 6309; 6409; 6506; 6606; 6707; 6811); uma camada ativa (2616; 3950; 4450; 4550; 6150; 6250; 6350; 6450; 6550; 6650; 6750; 6850) disposta, pelo menos parcialmente, entre o primeiro e o segundo eletrodos, a camada ativa compreendendo: material fotoativo (3906; 3908; 4105; 4404; 4505; 4506; 6105; 6204; 6307; 6407; 6504; 6604; 6704; 6808) que compreende um material de perovskita; em que o material de perovskita tem a fórmula CMX3, em que C compreende um ou mais cátions, cada um selecionado do grupo consistindo em metais do Grupo 1, metais do Grupo 2, cátions orgânicos, e combinações dos mesmos; em que M compreende um ou mais metais, cada um selecionado do grupo consistindo em Fe, Co, Ni, Cu, Sn, Pb, Bi, Ge, Ti, Zn, e combinações dos mesmos; em que X compreende um ou mais ânions, cada um selecionado do grupo consistindo em haletos, pseudohaletos, sulfeto, seleneto, e combinações do mesmo; e uma camada interfacial de película fina (2626; 3903; 3905; 3907; 3909 e 3911) que compreende MTO3, em que M’ compreende um ou mais cátions, cada um selecionado do grupo consistindo em Be, Mg, Ca, Sr, Fe, Ni, Zn, Cd, Hg, Cu, Pd, Pt, Sn, e Pb.
2. Dispositivo fotovoltaico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que C é metilamônio, M é Pb, e em que X compreende um ou mais haletos.
3. Dispositivo fotovoltaico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que C é metilamônio, M é Sn, e em que X compreende um ou mais haletos.
4. Dispositivo fotovoltaico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que C é um formamidínio, M é Pb, e em que X compreende um ou mais haletos.
5. Dispositivo fotovoltaico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que C é um formamidínio, M é Sn, e em que X compreende um ou mais haletos.
6. Dispositivo fotovoltaico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a camada ativa (2616; 3950; 4450; 4550; 6150; 6250; 6350; 6450; 6550; 6650; 6750; 6850) compreende adicionalmente um material mesoporoso.
7. Dispositivo fotovoltaico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a camada ativa (2616; 3950; 4450; 4550; 6150; 6250; 6350; 6450; 6550; 6650; 6750; 6850) compreende adicionalmente uma ou mais camadas interfaciais (2403; 2626; 2627; 3903; 3905; 3907; 3909; 3911; 4303; 4305; 4503; 4504; 6103; 6104; 6203; 6303; 6304; 6305; 6306; 6303; 6403; 6404; 6405; 6406; 6503; 6603; 6703; 6803; 6804; 6805; 6806; 6807; 6806; 6807; 6808; 6809; 6810) compreendendo um ou mais compostos, cada um selecionado a partir do grupo que consiste em NiO, TiO2, AlaO3, ZrO2, WO3, V2O5, MoO3, ZnO, grafite, grafeno, fulerenos, nanotubos de carbono, negro de fumo e combinações dos mesmos.
8. Dispositivo fotovoltaico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que: o primeiro eletrodo (4402; 4502; 6102; 6202; 6302; 6402; 6502; 6602; 6702; 6802; 3902; 4102; 4302) compreende adicionalmente um ânodo; o segundo eletrodo (4406; 4507; 6107; 6206; 6309; 6409; 6506; 6606; 6707; 6811; 3912; 4108; 4307) compreende adicionalmente um cátodo; e a camada interfacial está disposta entre o material fotoativo (4404; 4506; 6105; 6204; 6307; 6407; 6504; 6604; 6704; 6808; 3906; 3908; 4105; 4505) e o primeiro eletrodo (4402; 4502; 6102; 6202; 6302; 6402; 6502; 6602; 6702; 6802; 3902; 4102; 4302).
9. Dispositivo fotovoltaico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que: o primeiro eletrodo (4402; 4502; 6102; 6202; 6302; 6402; 6502; 6602; 6702; 6802; 3902; 4102; 4302) compreende adicionalmente um ânodo; o segundo eletrodo (4406; 4507; 6107; 6206; 6309; 6409; 6506; 6606; 6707; 6811; 3912; 4108; 4307) compreende adicionalmente um cátodo; e a camada interfacial está disposta entre o material fotoativo (4404; 4506; 6105; 6204; 6307; 6407; 6504; 6604; 6704; 6808; 3906; 3908; 4105; 4505) e o segundo eletrodo (4406; 4507; 6107; 6206; 6309; 6409; 6506; 6606; 6707; 6811; 3912; 4108; 4307).
10. Dispositivo fotovoltaico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a camada ativa (2616; 4450; 4550; 6150; 6250; 6350; 6450; 6550; 6650; 6750; 6850; 3950) compreende adicionalmente uma ou mais camadas interfaciais (2403; 2626; 2627; 3903; 3905; 3907; 3909; 3911; 4303; 4305; 4503; 4504; 6103; 6104; 6203; 6303; 6304; 6305; 6306; 6303; 6403; 6404; 6405; 6406; 6503; 6603; 6703; 6803; 6804; 6805; 6806; 6807; 6806; 6807; 6808; 6809; 6810) que compreendem um ou mais compostos, cada um selecionado a partir do grupo que consiste em Al, Bi, Co, Cu, Fe, In, Mn, Mo, Ni, Pt, Si, Sn, Ta, Ti, V, W, Nb, Zn, Zr, um óxido de qualquer um dos metais anteriores, um sulfeto de qualquer um dos metais anteriores, um nitreto de qualquer um dos metais anteriores, grupos alquil-silila, grafite, grafeno, fulerenos, nanotubos de carbono, um material mesoporoso e combinações dos mesmos.
11. Dispositivo fotovoltaico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a camada ativa (2616; 4450; 4550; 6150; 6250; 6350; 6450; 6550; 6650; 6750; 6850; 3950) compreende adicionalmente uma camada interfacial que compreende AteOa. a camada interfacial que compreende AI2O3 está próxima do primeiro eletrodo (4402; 4502; 6102; 6202; 6302; 6402; 6502; 6602; 6702; 6802; 3902; 4102; 4302) e a camada interfacial que compreende MTO3 está próxima do segundo eletrodo (4406; 4507; 6107; 6206; 6309; 6409; 6506; 6606; 6707; 6811; 3912; 4108; 4307); e o primeiro eletrodo (4402; 4502; 6102; 6202; 6302; 6402; 6502; 6602; 6702; 6802; 3902; 4102; 4302) é um ânodo e o segundo eletrodo (4406; 4507; 6107; 6206; 6309; 6409; 6506; 6606; 6707; 6811; 3912; 4108; 4307) é um cátodo.
12. Dispositivo fotovoltaico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a camada ativa (2616; 4450; 4550; 6150; 6250; 6350; 6450; 6550; 6650; 6750; 6850; 3950) compreende adicionalmente uma camada interfacial que compreende AteOs; a camada interfacial que compreende Al2O3 está próxima do primeiro eletrodo (4402; 4502; 6102; 6202; 6302; 6402; 6502; 6602; 6702; 6802; 3902; 4102; 4302) e a camada interfacial que compreende MTO3 está próxima do segundo eletrodo (4406; 4507; 6107; 6206; 6309; 6409; 6506; 6606; 6707; 6811; 3912; 4108; 4307); e o primeiro eletrodo (4402; 4502; 6102; 6202; 6302; 6402; 6502; 6602; 6702; 6802; 3902; 4102; 4302) é um cátodo e o segundo eletrodo (4406; 4507; 6107; 6206; 6309; 6409; 6506; 6606; 6707; 6811; 3912; 4108; 4307) é um ânodo.
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