DE102021116272A1 - Process for producing a crystallized perovskite layer - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer kristallisierten Perowskitschicht, mindestens aufweisend die Schritte:i) Aufbringen eines Perowskit-Präkursors auf ein Substrat, sodass eine Perowskit-Präkursorschicht auf dem Substrat erzeugt wird undii) Erzeugen eines Unterdrucks über der Perowskit-Präkursorschicht, wobei gleichzeitig zum Unterdruck ein Prozessgas über die Perowskit-Präkursorschicht geströmt wird, sodass sich eine kristallisierte Perowskitschicht bildet.The invention relates to a method for producing a crystallized perovskite layer, at least comprising the steps: i) applying a perovskite precursor to a substrate, so that a perovskite precursor layer is produced on the substrate andii) generating a negative pressure over the perovskite precursor layer, wherein at the same time a process gas is flowed over the perovskite precursor layer for negative pressure, so that a crystallized perovskite layer forms.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Perowskitschicht, insbesondere für optoelektronische Anwendungen wie zum Beispiel Solarzellen und Solarmodule, LEDs und Fotodetektoren.The invention relates to a method for producing a perovskite layer, in particular for optoelectronic applications such as solar cells and solar modules, LEDs and photodetectors.
Die größte Herausforderung für eine Serienproduktion der Metall-Halogenid-Perowskit (MHP)-Solarzellentechnologie besteht darin, zuverlässige und skalierbare Methoden zur Herstellung homogener, lochfreier (d.h. ohne Unterbrechungen durchgehender) und großflächiger Perowskitschichten aus einem lösungsbasierten, Perowskit enthaltenden Perowskit-Präkursor zu entwickeln. Der Perowskit enthaltende Perowskit-Präkursor liegt hierbei in der Regel zunächst in gelöster Form vor.The main challenge for mass production of metal halide perovskite (MHP) solar cell technology is to develop reliable and scalable methods to fabricate homogeneous, hole-free (i.e., continuous) and large-area perovskite layers from a solution-based, perovskite-containing perovskite precursor. The perovskite-containing perovskite precursor is usually initially in dissolved form.
Die fertige, nukleierte (d.h. kristallisierte) Perowskitschicht, mit der allgemeinen Summenformel ABX3, weist als Bestandteil A beispielsweise Methylammonium (MA), Cäsium (Cs) und/oder Formamidinium (FA) auf, während der Bestandteil B häufig durch Blei (Pb) gegeben ist. X ist beispielsweise lod (I), Brom (Br) und/oder Chlor (Cl) oder eine Mischung dieser Elemente.The finished, nucleated (i.e. crystallized) perovskite layer, with the general empirical formula ABX3, has methylammonium (MA), cesium (Cs) and/or formamidinium (FA) as component A, for example, while component B is often given by lead (Pb). is. X is, for example, iodine (I), bromine (Br) and/or chlorine (Cl) or a mixture of these elements.
In den letzten Jahren haben in diesem Zusammenhang eine Vielzahl von lösungsbasierten Beschichtungs- und Drucktechniken, wie z.B. Slot-Die-Beschichtung, Blade-Beschichtung, Blade-Coating, Spray-Coating und nicht zuletzt Tintenstrahldrucken ihr Potenzial für die Herstellung großflächiger Solarzellen und anderer optoelektronischer Anwendungen bewiesen.In this context, a large number of solution-based coating and printing techniques, such as slot die coating, blade coating, blade coating, spray coating and last but not least inkjet printing, have shown their potential for the production of large-area solar cells and other optoelectronic devices in recent years applications proven.
Zur Kristallisation von lösungsbasierten Perowskit-Filmen sind verschiedene Verfahren etabliert worden, wie z. B. Tempern durch Strahlung und Kristallisation bei erhöhter Temperatur, Antilösungsmittel-Quenching, Gas-Quenching und Vakuumtrocknen. Während das Antilösungsmittel-Quenching hauptsächlich bei Spin-Coating-Prozessen eingesetzt wird, sind Gas-Quenching und Vakuumtrocknen als Inline oder Post-Depositions-Trocknungsschritte in skalierbaren Beschichtungs- und Druckverfahren üblich. Der Perowskit-Präkursor wird in den betrachteten Prozessen auf verschiedene Arten von Substraten, und insbesondere auf Schichten gedruckt.Various methods have been established for the crystallization of solution-based perovskite films, e.g. B. Radiation annealing and crystallization at elevated temperature, anti-solvent quenching, gas quenching and vacuum drying. While anti-solvent quenching is primarily used in spin coating processes, gas quenching and vacuum drying are common as in-line or post-deposition drying steps in scalable coating and printing processes. In the considered processes, the perovskite precursor is printed on different types of substrates, and in particular on layers.
Für tintenstrahlgedruckte Schichten wurde insbesondere das Vakuumtrocknen etabliert. Es ist das gängigste Verfahren zur Herstellung hocheffizienter Solarmodule bzw. Solarzellen durch Kristallisation des nassen Films bei einem Umgebungsdruck zwischen 0.01 und 100 mbar. Basierend auf diesen Bemühungen wurden Wirkungsgrade von fast 20 % für teilweise tintenstrahlgedruckte Solarmodule und Solarzellen [1,2] und mehr als 17 % für vollständig tintenstrahlgedruckte Solarmodule und Solarzellen erreicht [3]. Allerdings können auch mittels Spin-Coating, Slot-Die-Beschichtung, Blade-Beschichtung, Blade-Coating oder Spray-Coating hergestellte Perowskit-Präkursorschichten durch Vakuumtrocknen behandelt werden.Vacuum drying in particular has been established for inkjet printed layers. It is the most common method for manufacturing highly efficient solar modules or solar cells by crystallizing the wet film at an ambient pressure between 0.01 and 100 mbar. Based on these efforts, efficiencies of almost 20% for partially inkjet printed solar modules and solar cells [1,2] and more than 17% for fully inkjet printed solar modules and solar cells [3] have been achieved. However, perovskite precursor layers produced by means of spin coating, slot die coating, blade coating, blade coating or spray coating can also be treated by vacuum drying.
Als solcher kann der Vakuumtrocknungsprozess durch die LaMer Kristallisations- und Keimbildungstheorie erklärt werden: Schnelle Lösungsmittelverdampfung unter Vakuumbedingungen führen zu einem übersättigten Film mit hoher Keimbildungsdichte, aus dem die Perowskit-Kristalle homogener wachsen, verglichen mit einem langsamertrocknenden Film mit weniger Keimkernen und unregelmäßigen Wachstumsbedingungen ohne Vakuumunterstützung.As such, the vacuum drying process can be explained by the LaMer crystallization and nucleation theory: rapid solvent evaporation under vacuum conditions results in a supersaturated film with high nucleation density from which the perovskite crystals grow more homogeneously compared to a slower drying film with fewer nuclei and irregular growth conditions without vacuum assistance .
Der vorliegenden Erfindung liegt hiervon ausgehend die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, das im Hinblick auf die oben beschriebenen im Stand der Technik bekannten Verfahren und insbesondere in Hinblick auf eine zu erreichende Homogenität von kristallisierten Perowskitschichten verbessert ist.Proceeding from this, the present invention is based on the object of providing a method which is improved with regard to the methods known in the prior art described above and in particular with regard to the homogeneity of crystallized perovskite layers which can be achieved.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 13, sowie ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst.This object is achieved by a method having the features of
Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Erfindungsaspekte sind in den entsprechenden Unteransprüchen angegeben und werden nachfolgend beschrieben.Advantageous refinements of these aspects of the invention are specified in the corresponding dependent claims and are described below.
Gemäß Anspruch 1 wird ein Verfahren zur Herstellung einer kristallisierten Perowskitschicht aus einem Perowskit-Präkursor offenbart, aufweisend folgende Schritte:
- i) Aufbringen eines flüssigen Perowskit-Präkursors auf ein Substrat, so dass eine insbesondere flüssige oder semi-flüssige Perowskit-Präkursorschicht auf dem Substrat erzeugt wird,
- ii) Erzeugen eines Unterdrucks über der Perowskit-Präkursorschicht, wobei gleichzeitig zum Unterdruck ein Prozessgas über die Perowskit-Präkursorschicht geströmt wird, sodass sich aus der Perowskit-Präkursorschicht eine kristallisierte Perowskitschicht auf dem Substrat bildet.
- i) application of a liquid perovskite precursor to a substrate, so that an in particular liquid or semi-liquid perovskite precursor layer is produced on the substrate,
- ii) generating a negative pressure over the perovskite precursor layer, a process gas being flowed over the perovskite precursor layer at the same time as the negative pressure, so that a crystallized perovskite layer forms on the substrate from the perovskite precursor layer.
Der über die Perowskit-Präkursorschicht strömende Gasfluss des Prozessgases führt zu einer vorteilhaft beschleunigten und erhöhten, homogenen Keimbildung innerhalb der Perowskit-Präkursorschicht, wodurch eine hinsichtlich des Stands der Technik erheblich verbesserte kristallisierter Perowskitschicht gebildet wird.The gas flow of the process gas flowing over the perovskite precursor layer leads to an advantageously accelerated and increased homogeneous nucleation within the perovskite precursor layer, as a result of which a crystallized perovskite layer that is significantly improved compared to the prior art is formed.
Die Verwendung dieses neuartigen gasflussunterstützten Vakuumtrocknungsverfahrens ermöglicht insbesondere die Herstellung von regelmäßigen, optisch dichten und lochfreien Perowskit-Schichten und insbesondere MHP-Schichten mit einer Fotokonversionseffizienz (englisch: photoconversion efficiency, PCE) von 16 %.The use of this novel gas flow-assisted vacuum drying process enables the production of regular, optically dense and hole-free perovskite layers and in particular MHP layers with a photoconversion efficiency (PCE) of 16%.
In einem ersten Schritt i) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst der Perowskit enthaltende, flüssige Perowskit-Präkursor auf ein Substrat aufgebracht, insbesondere gedruckt, um dort eine Perowskit-Präkursorschicht zu erzeugen. Das Aufbringen, insbesondere das Drucken, kann durch eine Vielzahl von Verfahren erfolgen, wie zum Beispiel Tintenstrahldrucken, Spin-Coating, Slot-Die-Beschichtung, Blade-Beschichtung, Blade-Coating oder Spray-Coating. Insbesondere Tintenstrahldrucken erweist sich für das erfindungsgemäße Verfahren als vorteilhaft. Als Substrat wird beispielsweise folgendes verwendet: selbstorganisierende Monolagen (englisch: self-assembled monolayers, SAMs), transparentes, leitfähiges Oxid (englisch: transparent conductive oxides, TCOs), Metall oder Glas.In a first step i) of the method according to the invention, the liquid perovskite precursor containing perovskite is first applied to a substrate, in particular printed, in order to produce a perovskite precursor layer there. The application, in particular the printing, can be done by a variety of methods, such as ink jet printing, spin coating, slot die coating, blade coating, blade coating or spray coating. Inkjet printing in particular has proven to be advantageous for the method according to the invention. The following is used as a substrate, for example: self-assembled monolayers (SAMs), transparent, conductive oxide (transparent conductive oxides, TCOs), metal or glass.
Der Perowksit-Präkursor liegt hierbei vorzugsweise in gelöster Form in einer Flüssigkeit vor. Das Vorhandensein einer, neben den Präkursoren die den zu kristallisierenden Perowskit bilden, vorliegenden Flüssigkeit zur Lösung (Lösungsmittel) der Präkursoren, bedingt das Ansprechen des Systems als Flüssigkeit. Dabei ist auch ein Zustand umfasst, in dem die Flüssigkeit zur Lösung der Präkursoren (Lösungsmittel) soweit reduziert ist, z.B. im Schritt der Aufbringung auf ein Substrat, dass der Perowskit-Präkursor nur noch als zähflüssig oder auch als semi-flüssig vorliegend anzusprechen ist. Der Perwoskit-Präkursor weist dazu einen Perowskit-Anteil sowie einen Lösungsmittel-Anteil auf. Der Perowskit-Anteil kann hierbei mit der Summenformel ABX3 beschrieben werden, aufweisend als Bestandteil A beispielsweise Methylammonium (MA), Cäsium (Cs) und/oder Formamidinium (FA), während der Bestandteil B häufig durch Blei (Pb) gegeben ist. X ist beispielsweise lod (I), Brom (Br) und/oder Chlor (Cl) oder eine Mischung dieser Elemente. Vorzugsweise wird Cs0.05(FA0.83MA0.17)0.95Pb(I0.83Br0.17)3 verwendet. Weiter enthält der Perowskit-Präkursor als Lösungsmittel-Anteil ein oder mehrere Lösungsmittel, wie Dimethylformamid, Dimethylsulfoxid und/oder γ-Butyrolacton. Insbesondere die kombinierte Verwendung der drei hier genannten Lösungsmittel erweist sich als vorteilhaft. Weiterhin können aber auch Acetonitril, 2-Methoxyethanol, N-Methyl-2-pyrrolidon als Lösungsmittel für den Perowskit-Präkursor verwendet werden.The perovskite precursor is preferably present in dissolved form in a liquid. The presence of a liquid present next to the precursors that form the perovskite to be crystallized for dissolving (solvent) the precursors causes the response of the system as a liquid. This also includes a state in which the liquid for dissolving the precursors (solvent) is reduced to such an extent, eg in the step of application to a substrate, that the perovskite precursor is only present as viscous or as semi-liquid. For this purpose, the perwoskite precursor has a perovskite portion and a solvent portion. The perovskite content can be described here with the molecular formula ABX3, containing as component A, for example, methylammonium (MA), cesium (Cs) and/or formamidinium (FA), while component B is often lead (Pb). X is, for example, iodine (I), bromine (Br) and/or chlorine (Cl) or a mixture of these elements. Preferably, Cs 0.05 (FA 0.83 MA 0.17 ) 0.95 Pb(I 0.83 Br 0.17 ) 3 is used. The perovskite precursor also contains one or more solvents such as dimethylformamide, dimethyl sulfoxide and/or γ-butyrolactone as a solvent component. In particular, the combined use of the three solvents mentioned here has proven to be advantageous. However, acetonitrile, 2-methoxyethanol, N-methyl-2-pyrrolidone can also be used as solvents for the perovskite precursor.
Im erfindungsgemäßen zweiten Schritt ii) wird über der die Perowskit-Präkursorschicht auf dem Substrat ein Unterdruck erzeugt, wobei simultan ein Gasfluss über die Perowskit-Präkursorschicht geströmt wird, sodass sich aus der Perowskit-Präkursorschicht eine kristallisierte Perowskitschicht auf dem Substrat bildet. Während des erfindungsgemäßen zweiten Schritts ii) bleibt der Unterdruck im Wesentlichen konstant, d.h. es entsteht ein dynamisches Gleichgewicht, wobei pro Zeiteinheit im Wesentlichen gleich viel Gas zugeführt wie abgeführt wird.In the second step ii) according to the invention, a negative pressure is generated above the perovskite precursor layer on the substrate, with a gas flow simultaneously flowing over the perovskite precursor layer, so that a crystallized perovskite layer forms on the substrate from the perovskite precursor layer. During the second step ii) according to the invention, the negative pressure remains essentially constant, i.e. a dynamic equilibrium arises, with essentially the same amount of gas being supplied per unit of time as is being discharged.
Der für die Erfindung wesentliche Umstand, dass zu einem bestehenden Unterdruck zugleich auch ein Gasstrom vorliegt, ist im Stand der Technik, der Kenntnis der Anmelderin nach, nicht beschrieben. Um diesen speziellen Zustand mit physikalischen Größen zu beschreiben, muss der Druck, hier der Unterdruck in bar, mit einem Gasfluss in Volumen pro Zeiteinheit, d.h. Liter pro Sekunde -l/s- kombiniert, insbesondere ins Verhältnis gesetzt werden, woraus sich eine Einheit bar pro I/s
Durch diese Form des Vakuumtrocknens bei einem simultanem Gasfluss über die Perowskit-Präkursorschicht wird die Kristallisation der die Perowskit-Präkursorschicht gegenüber herkömmlichen Vakuumtrocknungsverfahren erheblich beschleunigt und hinsichtlich der Homogenität der sich formenden Perowskitschicht verbessert. Als homogene Schicht bezeichnet man in diesem Kontext eine lateral möglichst durchgehenden, d.h. lochfreie Perowskitschicht von möglichst hoher Reinheit, d.h. mit möglichst wenig Fremdatomen und Vakanzen sowie mit möglichst konstanter Stärke, d.h. konstanter vertikaler Ausdehnung, d.h. Schichtdicke.This form of vacuum drying with a simultaneous gas flow over the perovskite precursor layer significantly accelerates the crystallization of the perovskite precursor layer compared to conventional vacuum drying methods and improves the homogeneity of the forming perovskite layer. In this context, a homogeneous layer is a perovskite layer that is as continuous laterally as possible, ie, hole-free, and has as high a purity as possible, ie, with as little as possible Foreign atoms and vacancies and with the most constant possible strength, ie constant vertical extension, ie layer thickness.
Die Schritte i) und ii) des erfindungsgemäßen Verfahrens müssen nicht nacheinander, sondern können auch gleichzeitig ausgeführt werden.Steps i) and ii) of the method according to the invention do not have to be carried out in succession but can also be carried out simultaneously.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann der simultan zu einem Unterdruck über der Perowskit-Präkursorschicht erzeugte Gasfluss durch simultanes Abpumpen und Fluten einer Vakuumkammer realisiert werden. Hierfür wird das Substrat mit der Perowskit-Präkursorschicht vorzugsweise zunächst in eine Vakuumkammer eingebracht und diese anschließend luftdicht oder auch vakuumdicht verschlossen.According to one embodiment of the invention, the gas flow generated simultaneously with a negative pressure over the perovskite precursor layer can be realized by simultaneous pumping out and flooding of a vacuum chamber. For this purpose, the substrate with the perovskite precursor layer is preferably first introduced into a vacuum chamber and this is then closed in an airtight or vacuum-tight manner.
Eine für das erfindungsgemäße Verfahren verwendete Vakuumkammer ist vorzugweise dazu ausgebildet, teilweise evakuiert zu werden, um so einen Unterdruck zu erzeugen, wobei gleichzeitig ein über die Oberfläche des Substrats mit der Perowskit-Präkursorschicht gerichteter Gasfluss mit einem Prozessgas erzeugt wird. Weiterhin ist die Vakuumkammer idealerweise zum Einbringen, d.h. zur Aufnahme eines Substrats mit dem darauf gedruckten Perowskit-Präkursor ausgebildet. Hierfür kann die Vakuumkammer eine zur Aufnahme des Substrats mit der Perowskit-Präkursorschicht ausgebildete Aufnahme aufweisen. Die Vakuumkammer ist ferner idealerweise luft- oder auch vakuumdicht verschließbar, sodass diese bei eingebrachtem Substrat mit dem darauf gedruckten Perowskit-Präkursor abgepumpt werden kann, ohne dass durch den resultierenden Druckunterschied zwischen dem Innenraum der Vakuumkammer und der Umgebung Umgebungsluft von außen in die Vakuumkammer einströmt.A vacuum chamber used for the method according to the invention is preferably designed to be partially evacuated in order to generate a negative pressure, while simultaneously generating a gas flow with a process gas directed over the surface of the substrate with the perovskite precursor layer. Furthermore, the vacuum chamber is ideally designed to accommodate, i.e. to receive, a substrate with the perovskite precursor printed thereon. For this purpose, the vacuum chamber can have a receptacle designed to receive the substrate with the perovskite precursor layer. Ideally, the vacuum chamber can also be closed in an airtight or vacuum-tight manner, so that it can be pumped out when the substrate with the perovskite precursor printed on it is inserted, without the resulting pressure difference between the interior of the vacuum chamber and the environment causing ambient air to flow into the vacuum chamber from the outside.
Zu Beginn des Abpumpens kann die Vakuumkammer mit Gas, zum Beispiel mit Luft, gefüllt sein, entsprechend dem Luftdruck der Umgebung zum Beispiel bei einem Absolutdruck von ungefähr einer Atmosphäre (1 bar). Abhängig von der Größe der Vakuumkammer und der verwendeten Pumpe dauert das Abpumpen der Vakuumkammer auf wenige mbar in der Regel wenige Sekunden. Daher kann gemäß einer Ausführungsform die Vakuumkammer vor dem Ausführen des erfindungsgemäßen zweiten Schritts ii) des Verfahrens durch Abpumpen der Luft zunächst hinreichend evakuiert werden, bevor durch anschließendes simultanes Fluten der Vakuumkammer der Gasfluss erzeugt wird. Es kann aber auch ausgehend von einer mit Gas oder mit Luft gefüllten Vakuumkammer (z.B. bei einem Innendruck der Vakuumkammer von 1 bar) direkt mit dem Pumpen und simultanem Fluten mit dem Prozessgas begonnen werden, wobei das Gas bzw. die Luft in der Vakuumkammer durch den Gasfluss sukzessive aus der Vakuumkammer abgeführt wird.At the beginning of pumping down, the vacuum chamber can be filled with gas, for example air, corresponding to the atmospheric pressure of the environment, for example at an absolute pressure of about one atmosphere (1 bar). Depending on the size of the vacuum chamber and the pump used, pumping the vacuum chamber down to a few mbar usually takes a few seconds. Therefore, according to one embodiment, the vacuum chamber can first be sufficiently evacuated before carrying out the second step ii) of the method according to the invention by pumping out the air before the gas flow is generated by subsequent simultaneous flooding of the vacuum chamber. However, starting from a vacuum chamber filled with gas or air (e.g. at an internal pressure of the vacuum chamber of 1 bar), pumping and simultaneous flooding with the process gas can be started directly, with the gas or the air in the vacuum chamber passing through the Gas flow is successively discharged from the vacuum chamber.
Vorzugsweise wird der Gasfluss derart realisiert, dass die Vakuumkammer gemäß einer Ausführungsform über mindestens eine Abzugsöffnung und mindestens eine Zulauföffnung verfügt, wobei die Vakuumkammer, durch die mindestens eine Abzugsöffnung über eine Pumpleitung mit einer Pumpe verbunden ist, welche dazu ausgebildet ist, durch Abpumpen von Gas aus der Vakuumkammer innerhalb der Vakuumkammer einen Unterdruck (d.h. einen Absolutdruck unter 1 bar) herzustellen. Vorzugsweise sind die mindestens eine Abzugsöffnung und die mindestens eine Zulauföffnung der Vakuumkammer einander jeweils paarweise gegenüber und in etwa auf Höhe der Aufnahme für das Substrat mit der Perowskit-Präkursorschicht angeordnet. Hierdurch wird ein von der mindestens einen Zulauföffnung über die Perowskit-Präkursorschicht hin zu der mindestens einen Abzugsöffnung gerichteter Gasfluss erreicht, welcher die Kristallisation begünstigt.The gas flow is preferably implemented in such a way that the vacuum chamber has at least one extraction opening and at least one inlet opening, according to one embodiment, the vacuum chamber being connected through the at least one extraction opening via a pump line to a pump which is designed to pump gas by pumping it out to create a negative pressure (i.e. an absolute pressure below 1 bar) from the vacuum chamber within the vacuum chamber. The at least one outlet opening and the at least one inlet opening of the vacuum chamber are preferably arranged in pairs opposite one another and approximately at the level of the receptacle for the substrate with the perovskite precursor layer. As a result, a gas flow directed from the at least one inlet opening via the perovskite precursor layer to the at least one outlet opening is achieved, which promotes crystallization.
Weiter ist die Vakuumkammer gemäß einer Ausführungsform durch mindestens eine Zulauföffnung über eine Gasleitung mit einem Gasreservoir verbunden, welches idealerweise Gas mit einem Überdruck relativ zur Vakuumkammer und insbesondere zur Pumpleitung enthält. Somit wird erreicht, dass erfindungsgemäß ein über die Oberfläche des Substrats mit der Perowskit-Präkursorschicht gerichteter Gasfluss erzeugt wird, wobei in dieser Ausführungsform ein Prozessgas vom Gasreservoir durch die Gasleitung über die Vakuumkammer und insbesondere über die Oberfläche des Substrats mit der Perowskit-Präkursorschicht durch die Pumpleitung hin zur Pumpe geführt wird. Die Pumpe gibt das abgepumpte Prozessgas schließlich zum Beispiel an die Atmosphäre ab.Furthermore, according to one embodiment, the vacuum chamber is connected by at least one inlet opening via a gas line to a gas reservoir, which ideally contains gas with an overpressure relative to the vacuum chamber and in particular to the pump line. It is thus achieved that, according to the invention, a gas flow directed over the surface of the substrate with the perovskite precursor layer is generated, in this embodiment a process gas from the gas reservoir through the gas line via the vacuum chamber and in particular over the surface of the substrate with the perovskite precursor layer through the Pump line is routed to the pump. Finally, the pump releases the pumped process gas to the atmosphere, for example.
Das Prozessgas kann insbesondere N2 aufweisen oder aus N2 bestehen, es können aber auch andere Gase und auch Gasmischungen (z.B. Argon, Helium, Sauerstoff, Luft) verwendet werden.The process gas can in particular have N 2 or consist of N 2 , but other gases and gas mixtures (eg argon, helium, oxygen, air) can also be used.
Weiter ist in einer Ausführungsform vorgesehen, dass die Pumpleitung und die Gasleitung jeweils ein Ventil aufweisen, welches dazu ausgebildet ist, zur Steuerung des Gasflusses teilweise und/oder vollständig geöffnet und/oder geschlossen zu werden. So kann beispielsweise bei einem zumindest teilweise geöffneten Ventil an der Gasleitung durch ein teilweises Öffnen bzw. Schließen des Ventils an der Pumpleitung ein stärkerer bzw. schwächerer Gasfluss in der Vakuumkammer erreicht werden. Analog kann bei einem zumindest teilweise geöffneten Ventil an der Pumpleitung durch ein teilweises Öffnen bzw. Schließen des Ventils an der Gasleitung ein stärkerer bzw. schwächerer Gasfluss in der Vakuumkammer erreicht werden.In addition, one embodiment provides that the pump line and the gas line each have a valve which is designed to be partially and/or fully opened and/or closed to control the gas flow. For example, with an at least partially open valve on the gas line, a stronger or weaker gas flow in the vacuum chamber can be achieved by partially opening or closing the valve on the pump line. Analog can at least one partially open valve on the pump line, a stronger or weaker gas flow in the vacuum chamber can be achieved by partially opening or closing the valve on the gas line.
Vorteilhafterweise ist zwischen den beiden Ventilen ein Drucksensor zum Anzeigen und/oder Übermitteln des Innendrucks der Vakuumkammer angeordnet.A pressure sensor for displaying and/or transmitting the internal pressure of the vacuum chamber is advantageously arranged between the two valves.
Der Unterdruck über der Perowskit-Präkursorschicht, d.h. der Innendruck der Vakuumkammer während des zweiten Schritts des erfindungsgemäßen Verfahrens beträgt vorzugsweise zwischen 0,01 und 100 mbar, insbesondere zwischen 10 und 30 mbar.The negative pressure above the perovskite precursor layer, i.e. the internal pressure of the vacuum chamber during the second step of the method according to the invention, is preferably between 0.01 and 100 mbar, in particular between 10 and 30 mbar.
Weiterhin wird der Unterdruck über der Perowskit-Präkursorschicht, d.h.. der Innendruck der Vakuumkammer bei simultanem Abpumpen und Fluten der Vakuumkammer während des zweiten Schritts des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem dynamischen Gleichgewicht insbesondere für einen Zeitraum von 10 s - 300 s, idealerweise für mindestens 60 s gehalten und damit der Gasfluss über die Oberfläche des Substrats mit der Perowskit-Präkursorschicht aufrechterhalten. Somit wird sichergestellt, dass die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens hinsichtlich des Vakuumtrocknens optimierte Keimbildung auch tatsächlich erreicht und optimal abgeschlossen wird.Furthermore, the negative pressure above the perovskite precursor layer, i.e. the internal pressure of the vacuum chamber with simultaneous pumping out and flooding of the vacuum chamber during the second step of the method according to the invention, is in a dynamic equilibrium, in particular for a period of 10 s - 300 s, ideally for at least 60 s maintained and thus the gas flow maintained over the surface of the substrate with the perovskite precursor layer. This ensures that the nucleation optimized in the context of the method according to the invention with regard to vacuum drying is actually achieved and optimally completed.
Der Gasfluss liegt während des erfindungsgemäßen zweiten Schritts insbesondere in einem Bereich von 0,01 l/s - 0,43 I/s, insbesondere 0,05 l/s bis 0,15 I/s und in besonders vorteilhafter Weise bei 0,1 I/s.During the second step according to the invention, the gas flow is in particular in a range of 0.01 l/s-0.43 l/s, in particular 0.05 l/s to 0.15 l/s and particularly advantageously at 0.1 I/s.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung stehen der Unterdruck über der Perowskit-Präkursorschicht, d.h. der Innendruck p in bar der Vakuumkammer und der Gasfluss F in I/s (durch die Vakuumkammer) während des erfindungsgemäßen zweiten Schritts ii) zumindest zeitweise in einem Verhältnis x = p/F, wobei x im Bereich von 1 mbar*s/l bis 230 mbar*s/l liegt.According to one embodiment of the invention, the negative pressure above the perovskite precursor layer, i.e. the internal pressure p in bar of the vacuum chamber and the gas flow F in l/s (through the vacuum chamber) during the second step ii) according to the invention are at least temporarily in a ratio x=p /F, where x is in the range from 1 mbar*s/l to 230 mbar*s/l.
Das Verfahren wird gemäß einer Ausführungsform durch Tempern der Perowskit-Präkursorschicht bzw. der kristallisierten Perowskitschicht abgeschlossen. Hierfür wird die Perowskit-Präkursorschicht bzw. die kristallisierte Perowskitschicht auf eine relativ zur Prozesstemperatur des Vakuumtrocknens erhöhte Temperatur geheizt, wobei eventuelle Lösungsmittelrückstände zumindest teilweise verdampfen. Dies führt zu einer weiter verbesserten Reinheit der kristallisierten Perowskitschicht und damit zu einer erhöhten Effizienz in einer optionalen späteren optoelektronischen Anwendung, beispielsweise als Solarzelle und Solarmodul, LED oder Fotodetektor.According to one embodiment, the method is completed by annealing the perovskite precursor layer or the crystallized perovskite layer. For this purpose, the perovskite precursor layer or the crystallized perovskite layer is heated to a temperature that is higher than the process temperature of the vacuum drying, any solvent residues evaporating at least partially. This leads to a further improved purity of the crystallized perovskite layer and thus to increased efficiency in an optional later optoelectronic application, for example as a solar cell and solar module, LED or photodetector.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann das Tempern über eine optionale in der Vakuumkammer angeordnete Heizeinrichtung erfolgen, welche dazu ausgebildet ist, das Substrat mit der Perowskit-Präkursorschicht bzw. der kristallisierten Perowskitschicht zu heizen. Die Heizeinrichtung kann hierzu mit der Aufnahme der Vakuumkammer in thermischem Kontakt stehen, um die Perowskit-Präkursorschicht bzw. die kristallisierte Perowskitschicht auf dem Substrat innerhalb der Vakuumkammer zu heizen. Das Tempern kann weiterhin bei den zuvor geschilderten Bedingungen durchgeführt werden, d.h. insbesondere bei dem während des zweiten Schritts des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Vakuumkammer herrschenden Innendruck und/oder optional bei fortwährendem Abpumpen und Fluten der Vakuumkammer, d.h. bei anhaltendem Gasfluss. Alternativ kann das Tempern auch bei einem höheren oder geringen Druck und bei einem stärkeren oder geringeren Gasfluss durchgeführt werden, wobei zunächst optional vor dem Temperprozess durch zumindest teilweises Öffnen bzw. Schließen der Ventile hin zum Gasreservoir bzw. zur Pumpe der gewünschte Druck eingestellt werden kann. Weiterhin kann die Vakuumkammer für das Tempern auch weitgehend evakuiert werden, sodass der Temperprozess bei einem geringeren Druck stattfindet, wodurch die Evaporation von Lösungsmittelrückständen erleichtert wird.According to one embodiment of the invention, the annealing can take place via an optional heating device arranged in the vacuum chamber, which is designed to heat the substrate with the perovskite precursor layer or the crystallized perovskite layer. For this purpose, the heating device can be in thermal contact with the receptacle of the vacuum chamber in order to heat the perovskite precursor layer or the crystallized perovskite layer on the substrate within the vacuum chamber. Tempering can also be carried out under the conditions described above, i.e. in particular with the internal pressure prevailing in the vacuum chamber during the second step of the method according to the invention and/or optionally with continuous pumping and flooding of the vacuum chamber, i.e. with a continuous gas flow. Alternatively, the annealing can also be carried out at a higher or lower pressure and at a higher or lower gas flow, in which case the desired pressure can optionally be set before the annealing process by at least partially opening or closing the valves to the gas reservoir or to the pump. Furthermore, the vacuum chamber for the annealing can also be largely evacuated, so that the annealing process takes place at a lower pressure, which facilitates the evaporation of residual solvents.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Tempern auch mit einer separaten Heizeinrichtung durchgeführt werden, wobei auch ähnliche oder unterschiedliche Prozessgase und ähnliche oder unterschiedliche Vakuumbedingungen als die im zweiten erfindungsgemäßen Schritt verwendeten genutzt werden können.In a further embodiment, the annealing can also be carried out with a separate heating device, it also being possible to use similar or different process gases and similar or different vacuum conditions than those used in the second step according to the invention.
Weiterhin kann das Tempern in einer zusätzlichen Ausführungsform in einer innerhalb der Vakuumkammer angeordneten und optional zu dieser vakuumdicht verschließbaren zweiten Kammer erfolgen, wobei das Substrat nach dem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens in diese zweite Kammer geschleust, z,B. verschoben wird, um dort das Tempern vorzunehmen.Furthermore, in an additional embodiment, the annealing can be carried out in a second chamber which is arranged within the vacuum chamber and can optionally be closed in a vacuum-tight manner, the substrate being introduced into this second chamber after the second step of the method according to the invention, e.g. is shifted to carry out the annealing there.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Perowskit-Präkursorschicht bzw. insbesondere die sich bildende kristallisierte Perowskitschicht vorzugsweise während des erfindungsgemäßen zweiten Schritts, d.h. während der Kristallisation der Perowskit-Präkursorschicht, durch eine Messeinrichtung zur Messung der Homogenität der sich bildenden kristallisierten Perowskitschicht und/oder zum Erfassen von Fehlstellen innerhalb der sich bildenden kristallisierten Perowskitschicht überwacht wird.Another aspect of the present invention is that the perovskite precursor layer or in particular the forming crystallized perovskite layer preferably during the second step according to the invention, ie during the crystallization of the perovskite precursor layer, by a measuring device for measuring the homogeneity of the forming crystallized perovskite layer and/or monitored to detect defects within the forming crystallized perovskite layer.
Hierfür kann gemäß einer Ausführungsform beispielsweise ein optisches Spektrometer, insbesondere ein Fotolumineszenz (PL)-Spektrometer verwendet werden. Zur Aufnahme entsprechender spektroskopischer Messungen kann die Vakuumkammer zusätzlich ein transparentes Fenster aufweisen, über welches die optischen Messungen an der Perowskit-Präkursorschicht und insbesondere an der sich bildenden, kristallisierten Perowskitschicht vorgenommen werden. Das Spektrometer kann aber auch ganz oder teilweise in der Vakuumkammer verbaut sein, sodass die Messungen nicht über ein Fenster der Vakuumkammer vorgenommen werden müssen. Bevorzugt werden im Falle von PL-Spektroskopie Wellenlängen im Bereich von 340 nm - 1020 nm verwendet.According to one embodiment, an optical spectrometer, in particular a photoluminescence (PL) spectrometer, can be used for this purpose. In order to record corresponding spectroscopic measurements, the vacuum chamber can also have a transparent window, via which the optical measurements on the perovskite precursor layer and in particular on the forming, crystallized perovskite layer are carried out. However, the spectrometer can also be installed completely or partially in the vacuum chamber, so that the measurements do not have to be carried out through a window in the vacuum chamber. In the case of PL spectroscopy, wavelengths in the range from 340 nm to 1020 nm are preferably used.
Ferner können gemäß einer Ausführungsform zumindest während des erfindungsgemäßen zweiten Schritts, d.h. während der Kristallisation der Perowskit-Präkursorschicht, über ein Fenster der Vakuumkammer mittels mindestens eines Mikroskops Aufnahmen der sich bildenden, kristallisierten Perowskitschicht gemacht werden. Das mindestens ein Mikroskop kann ein optisches Mikroskop sein, aber zum Beispiel auch ein Elektronenmikroskop. Falls mindestens zwei Mikroskope verwendet werden, können sowohl optische- als auch Elektronenmikroskope verwendet werden. Ebenso kann das mindestens ein Mikroskop innerhalb der Vakuumkammer angeordnet sein, sodass die Aufnahmen nicht über ein Fenster der Vakuumkammer vorgenommen werden müssen.Furthermore, according to one embodiment, at least during the second step according to the invention, i.e. during the crystallization of the perovskite precursor layer, images of the forming, crystallized perovskite layer can be taken via a window of the vacuum chamber using at least one microscope. The at least one microscope can be an optical microscope, but also an electron microscope, for example. If at least two microscopes are used, both optical and electron microscopes can be used. Likewise, the at least one microscope can be arranged inside the vacuum chamber, so that the recordings do not have to be taken through a window of the vacuum chamber.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht in der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels eines Systems, wobei das System eine Vakuumkammer umfasst, welche eine zur Aufnahme eines Substrats, mit einer Perowskit-Präkursorschicht oder einer zu bildenden Perowskitschicht, ausgebildete Aufnahme aufweist. Optional ist die Aufnahme thermisch mit einem Heizelement verbunden, wobei das Heizelement dazu ausgebildet ist, das Substrat mit der Perowskit-Präkursorschicht bzw. der zu bildenden Perowskitschicht zu heizen, um so die Perowskit-Präkursorschicht bzw. die Perowskitschicht zu tempern. Eine Oberseite der Vakuumkammer kann zusätzlich ein transparentes Fenster aufweisen, sodass das bestimmungsgemäß auf der Aufnahme der Vakuumkammer angeordnete Substrat mit der Perowskit-Präkursorschicht bzw. der zu bildenden Perowskitschicht durch das Fenster beobachtbar ist. Vorzugsweise sind jeweils mindestens eine mit einem Gasreservoir verbundene Zulauföffnung und jeweils mindestens eine mit einer zum Abpumpen der Vakuumkammer ausgebildeten Pumpe verbundene Abzugsöffnung der Vakuumkammer auf Höhe der Aufnahme gegenüber angeordnet, sodass der Gasfluss zwischen der mindestens einen Abzugsöffnung und der mindestens einen Zulauföffnung über das bestimmungsgemäß auf der Aufnahme der Vakuumkammer angeordnete Substrat mit der zu bildenden Perowskitschicht bzw. der Perowskit-Präkursorschicht strömt. Zwischen der mindestens einen Zulauföffnung und dem Gasreservoir und der mindestens einen Abzugsöffnung und der Pumpe ist vorzugsweise jeweils ein Ventil angeordnet, welches zumindest teilweise geöffnet oder geschlossen werden kann, um so den Gasfluss zu steuern. Zwischen den beiden Ventilen ist weiterhin idealerweise ein Drucksensor zum Anzeigen und/oder Weiterleiten eines Innendrucks der Vakuumkammer angeordnet.A further aspect of the invention consists in the implementation of the method according to the invention by means of a system, the system comprising a vacuum chamber which has a holder designed to hold a substrate with a perovskite precursor layer or a perovskite layer to be formed. The receptacle is optionally thermally connected to a heating element, the heating element being designed to heat the substrate with the perovskite precursor layer or the perovskite layer to be formed, in order to heat the perovskite precursor layer or the perovskite layer. An upper side of the vacuum chamber can additionally have a transparent window, so that the substrate with the perovskite precursor layer or the perovskite layer to be formed, arranged as intended on the receptacle of the vacuum chamber, can be observed through the window. Preferably, at least one inlet opening connected to a gas reservoir and at least one outlet opening connected to a pump designed for pumping out the vacuum chamber are arranged opposite the vacuum chamber at the level of the receptacle, so that the gas flow between the at least one outlet opening and the at least one inlet opening via the intended the substrate arranged in the receptacle of the vacuum chamber with the perovskite layer to be formed or the perovskite precursor layer flows. A valve is preferably arranged between the at least one inlet opening and the gas reservoir and the at least one outlet opening and the pump, which valve can be at least partially opened or closed in order to control the gas flow. A pressure sensor for displaying and/or forwarding an internal pressure of the vacuum chamber is also ideally arranged between the two valves.
Außerdem umfasst das System ein Spektrometer, welches dazu ausgebildet ist, zumindest während des Vakuumtrocknens und/oder während des Temperns spektroskopische Messungen der Perowskit-Präkursorschicht bzw. der sich bildenden Perowskitschicht vorzunehmen.In addition, the system includes a spectrometer, which is designed to carry out spectroscopic measurements of the perovskite precursor layer or the perovskite layer that is being formed, at least during the vacuum drying and/or during the annealing.
Zudem beinhaltet das System zumindest ein Mikroskop, welches dazu ausgebildet ist, zumindest während des Vakuumtrocknens und/oder während des Temperns Aufnahmen der sich bildenden Perowskitschicht zu machen.In addition, the system includes at least one microscope which is designed to take pictures of the forming perovskite layer at least during vacuum drying and/or during tempering.
Ferner enthält das System eine Recheneinheit, aufweisend einen Prozessor, welche zum Austauschen von Befehlen und Daten mit dem Drucksensor, dem Spektrometer sowie dem Mikroskop verbunden ist.Furthermore, the system contains a computing unit, having a processor, which is connected to the pressure sensor, the spectrometer and the microscope for exchanging commands and data.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein System, aufweisend die zuvor beschriebenen Merkmale.A further aspect of the present invention relates to a system having the features described above.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine optoelektronische Einrichtung oder ein optoelektronisches Modul, wobei die optoelektronische Einrichtung bzw. das optoelektronische Modul durch das erfindungsgemäße Verfahren bzw. durch ein Verfahren gemäß zumindest einer entsprechenden Ausführungsform hergestellt ist.A further aspect of the present invention relates to an optoelectronic device or an optoelectronic module, wherein the optoelectronic device or the optoelectronic module is produced by the method according to the invention or by a method according to at least one corresponding embodiment.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Solarzelle oder ein Solarmodul, wobei die Solarzelle bzw. das Solarmodul durch das erfindungsgemäße Verfahren bzw. durch ein Verfahren gemäß zumindest einer entsprechenden Ausführungsform hergestellt ist.A further aspect of the present invention relates to a solar cell or a solar module, wherein the solar cell or the solar module is produced by the method according to the invention or by a method according to at least one corresponding embodiment.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine LED, wobei die LED durch das erfindungsgemäße Verfahren bzw. durch ein Verfahren gemäß zumindest einer entsprechenden Ausführungsform hergestellt ist.A further aspect of the present invention relates to an LED, the LED being produced by the method according to the invention or by a method according to at least one corresponding embodiment.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Fotodetektor, wobei der Fotodetektor durch das erfindungsgemäße Verfahren bzw. durch ein Verfahren gemäß zumindest einer entsprechenden Ausführungsform hergestellt ist.A further aspect of the present invention relates to a photodetector, the photodetector being produced by the method according to the invention or by a method according to at least one corresponding embodiment.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Dünnschichttransistor, wobei der Dünnschichttransistor durch das erfindungsgemäße Verfahren bzw. durch ein Verfahren gemäß zumindest einer entsprechenden Ausführungsform hergestellt ist.A further aspect of the present invention relates to a thin-film transistor, the thin-film transistor being produced by the method according to the invention or by a method according to at least one corresponding embodiment.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Memristor, wobei der Memristor durch das erfindungsgemäße Verfahren bzw. durch ein Verfahren gemäß zumindest einer entsprechenden Ausführungsform hergestellt ist.A further aspect of the present invention relates to a memristor, the memristor being produced by the method according to the invention or by a method according to at least one corresponding embodiment.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen optisch gepumpten Laser, wobei der optisch gepumpte Laser durch das erfindungsgemäße Verfahren bzw. durch ein Verfahren gemäß zumindest einer entsprechenden Ausführungsform hergestellt ist.A further aspect of the present invention relates to an optically pumped laser, the optically pumped laser being produced by the method according to the invention or by a method according to at least one corresponding embodiment.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch wie folgt beschrieben werden:
- Verfahren zum Tintenstrahldrucken von Perowskitschichten, das mindestens die folgenden Schritte umfasst:
- - Bereitstellen einer Kammer die dazu eingerichtet ist, evakuiert zu werden und die Mittel aufweist, um einen gerichteten Gasstrom in der Kammer zu erzeugen;
- - Bereitstellen eines Tintenstrahldruckers für einen Perowskit-Präkursor;
- - Bereitstellen eines Substrats;
- - Tintenstrahldrucken einer Perowskit-Präkursorschicht auf das Substrat;
- - Überführen des Substrats mit der Perowskit-Präkursorschicht in die Kammer;
- - Evakuieren der Kammer bei gleichzeitigem Strömen von Gas über eine Oberfläche der Perowskit-Präkursorschicht, bis diese getrocknet ist, und anschließend
- A method for inkjet printing perovskite layers, comprising at least the following steps:
- - providing a chamber adapted to be evacuated and having means to generate a directed gas flow in the chamber;
- - providing an inkjet printer for a perovskite precursor;
- - providing a substrate;
- - inkjet printing a perovskite precursor layer onto the substrate;
- - transferring the substrate with the perovskite precursor layer into the chamber;
- - evacuating the chamber while flowing gas over a surface of the perovskite precursor layer until it dries, and then
Vervollständigen der Bildung einer Perowskit-Schicht durch Ausglühen oder Tempern.Completing the formation of a perovskite layer by annealing or tempering.
Im Folgenden sollen Ausführungsbeispiele sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung anhand der Figuren erläutert werden. Es zeigen:
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1 Eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildete Vakuumkammer, wobei die Vakuumkammer durch eine Pumpleitung an eine Pumpe und durch eine Gasleitung an ein Gasreservoir angeschlossen ist. -
2 Eine Ausführungsform einer Vakuumkammer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei eine Perowskit-Präkursorschicht bzw. eine Perowskitschicht durch ein Fenster der Vakuumkammer sichtbar ist. -
3 Einen Schnitt durch dieVakuumkammer aus 2 , wobei eine Perowskit-Präkursorschicht bzw. eine Perowskitschicht auf einer Aufnahme der Vakuumkammer sichtbar ist. -
4 Eine über der Aufnahme der Vakuumkammer angeordnete Düse, welche dazu ausgebildet ist, einen auf die Perowskit-Präkursorschicht bzw. die Perowskitschicht gerichteten Gasfluss auszuüben. -
5 Simulierte Gasflüsse oberhalb der Aufnahme der Vakuumkammer, insbesondere am bestimmungsgemäßen Ort der Perowskit-Präkursorschicht bzw. der Perowskitschicht (hier nicht gezeigt) im Zentrum der Aufnahme, wobei der Gasfluss innerhalb der Vakuumkammer aus2 und3 (oben) sowie innerhalb der Düse (mittig) und außerhalb der Düse (unten)aus 4 , wobei helle Flächen für einen hohen Gasfluss und dunkle Flächen für einen geringen Gasfluss indikativ sind. -
6 Ein System zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, aufweisend unter anderem eine Vakuumkammer, ein Mikroskop, ein Spektrometer sowie eine Recheneinheit. -
7 Ein Schema des erfindungsgemäßen Verfahrens im Vergleich zum herkömmlichen Vakuumtrocknen, wobei ein gedruckter Perowskit-Präkursor zu einer Perowskitschicht prozessiert wird. -
8 Gemessene Photolumineszenz (PL)-Intensitäten als Funktion der Wellenlänge während eines herkömmlichen Vakuumtrocknungsprozesses (oben) im Vergleich zum erfindungsgemäßen Verfahren (links unten), wobei helle und dunkle Flächen für ein hohes bzw. geringes PL-Signal indikativ sind. Weiterhin sind die Wellenlängen der Maxima des Fluoreszenzsignals beider Prozesse bzw. Verfahren gezeigt (unten rechts). -
9 Aufnahmen eines optischen Mikroskops, wobei die Perowskit-Präkursorschicht bzw. die Perowskitschicht an fünf entsprechend markierten Zeitpunkten während der Fluoreszenzsmessungen aus8 gezeigt sind. -
10 Röntgenbeugungsmessungen an mittels verschiedener Prozesse, insbesondere mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Perowskitschichten (links) sowie elektronenmikroskopische Aufnahmen der entsprechenden Perowskitschichten (rechts). -
11 Einen elektronenmikroskopischen Querschnitt einer Solarzelle oder Teil eines Solarmoduls mit p-i-n-Architektur, enthaltend eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Perowskitschicht. -
12 Stromdichte-Spannungs-Kennlinien von mittels verschiedener Prozesse, insbesondere mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Solarzellen bzw. Solarmodulen, aufweisend eine Perowskitschicht.
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1 A vacuum chamber designed for carrying out the method according to the invention, the vacuum chamber being connected to a pump by a pump line and to a gas reservoir by a gas line. -
2 An embodiment of a vacuum chamber for carrying out the method according to the invention, with a perovskite precursor layer or a perovskite layer being visible through a window of the vacuum chamber. -
3 A cut through thevacuum chamber 2 , wherein a perovskite precursor layer or a perovskite layer is visible on a photograph of the vacuum chamber. -
4 A nozzle positioned above the vacuum chamber receptacle configured to impart a gas flow directed toward the perovskite precursor layer or the perovskite layer. -
5 Simulated gas flows above the recording of the vacuum chamber, in particular at the intended location of the perovskite precursor layer or the perovskite layer (not shown here) in the center of the recording, with the gas flow inside the vacuum chamber from2 and3 (top) as well as inside the nozzle (middle) and outside the nozzle (bottom).4 , where light areas are indicative of high gas flow and dark areas are indicative of low gas flow. -
6 A system for carrying out the method according to the invention, having, among other things, a vacuum chamber, a microscope, a spectrometer and a computing unit. -
7 A scheme of the inventive method compared to conventional vacuum drying, wherein a printed perovskite precursor is processed into a perovskite layer. -
8th Measured photoluminescence (PL) intensities as a function of wavelength during a conventional vacuum drying process (top) compared to the inventive method (bottom left), with light and dark areas indicative of high and low PL signal, respectively. Furthermore, the wavelengths of the maxima of the fluorescence signal of both processes or methods are shown (bottom right). -
9 Optical microscope images showing the perovskite precursor layer and the perovskite layer at five correspondingly marked time points during the fluorescence measurements8th are shown. -
10 X-ray diffraction measurements on perovskite layers (left) produced by means of various processes, in particular by means of the method according to the invention, as well as electron micrographs of the corresponding perovskite layers (right). -
11 An electron microscopic cross section of a solar cell or part of a solar module with pin architecture, containing a perovskite layer produced according to the method according to the invention. -
12 Current density-voltage characteristics of solar cells or solar modules produced by means of various processes, in particular by means of the method according to the invention, having a perovskite layer.
Über das Fenster 25 können optional zumindest während des Schritts ii) des erfindungsgemäßen Verfahrens, aber optional auch bei einem gleichzeitig oder später durchgeführten Tempern der Perowskit-Präkursorschicht 11 oder der Perowskitschicht 10 mittels mindestens eines Mikroskops 27 Aufnahmen der (sich bildenden) Perowskitschicht 10 gemacht werden. Das mindestens eine Mikroskop 27 kann ein optisches Mikroskop sein, aber zum Beispiel auch ein Elektronenmikroskop, es können ferner sowohl optische als auch Elektronenmikroskope kombiniert verwendet werden. Hierbei kann sich das mindestens eine Mikroskop 27 auch innerhalb der Vakuumkammer 14 befinden, sodass die Perowskit-Präkursorschicht 11 oder die Perowskitschicht 10 nicht über ein Fenster 25 der Vakuumkammer 14 beobachtet werden müssen.At least during step ii) of the method according to the invention, but optionally also when tempering the
Über das Fenster 25 können außerdem optional zumindest während des Schritts ii) des erfindungsgemäßen Verfahrens, aber optional auch bei einem gleichzeitig oder später durchgeführten Tempern der Perowskit-Präkursorschicht 11 oder der Perowskitschicht 10 mittels mindestens eines hierzu eingerichteten Spektrometers spektroskopische Messungen der Perowskit-Präkursorschicht 11 oder der sich bildenden Perowskitschicht 10 vorgenommen werden, um die Perowskit-Präkursorschicht 11 bzw. die sich bildende Perowskitschicht 10 hinsichtlich seiner Homogenität zu überwachen. Als Spektrometer kann zum Beispiel ein PL-Spektrometer verwendet werden, wobei das gemessene PL-Signal bzw. die gemessene PL-Intensität indikativ für den Fortschritt sowie die Reinheit des Kristallwachstums ist. Außerdem lässt die Wellenlänge des PL-Signals einen Rückschluss auf die (durchschnittliche) Größe der kristallisierten Strukturen zu, wobei kleinere bzw. größere Wellenlängen auf kleinere bzw. größere kristallisierte Strukturen hindeuten. Weiterhin weisen größere und/oder reinere Kristalle ein höheres PL-Signal auf. Insbesondere reine Kristalle sind durch ein schmales PL-Signal mit einer geringen Halbwertsbreite als Funktion des betrachteten Prozessparameters charakterisiert. Die Veränderung der PL-Wellenlänge, insbesondere der Wellenlänge des PL-Peaks mit fortschreitender Prozessdauer liefert dabei Hinweise auf die Dynamik des Kristallwachstums.Via the
Vorzugsweise werden zur Anregung der PL Wellenlängen im Bereich von 340 - 1020 nm verwendet, insbesondere 470 nm.Wavelengths in the range of 340-1020 nm, in particular 470 nm, are preferably used to excite the PL.
Die in
Weiterhin weist die hier gezeigte Ausführungsform der Vakuumkammer 14 jeweils zwei Abzugsöffnungen 15 und Zulauföffnungen 18 auf, welche idealerweise mit einer Pumpe 17 bzw. einem Gasreservoir 20 verbunden sind, um erfindungsgemäß bei einem Unterdruck der Vakuumkammer 14 einen über die Perowskit-Präkursorschicht 11 bzw. die sich bildende Perowskitschicht 10 gerichteten Gasfluss 13 zu erzeugen. Der Gasfluss 13 kann dabei parallel oder in einem Winkel über die Perowskit-Präkursorschicht 11 bzw. die sich bildende Perowskitschicht 10 gerichtet sein. Eine Unterseite der Vakuumkammer 14 kann als Heizelement 26 ausgebildet sein, um so die Perowskit-Präkursorschicht 11 bzw. die sich bildende Perowskitschicht 10 zu heizen oder zu tempern. Dieses Tempern kann während und/oder nach Schritt ii) des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt werden, wobei eventuelle Lösungsmittelrückstände in der sich bildenden Perowskitschicht 10 zum Teil verdampfen, wodurch die Reinheit und Homogenität der Perowskitschicht 10 verbessert werden. Alternativ kann die Perowskit-Präkursorschicht 11 bzw. die sich bildende Perowskitschicht 10 auch nach Schritt ii) aus der Vakuumkammer 14 entnommen werden und auf einem separaten Heizelement 26 getempert werden.Furthermore, the embodiment of the
Weiterhin sind in
Wie in
Mit Hinblick auf den Kristallisationsprozess wird im Vergleich zu hellbraunen und trüben Schichten der vakuumgetrockneten Probe eine dunklere, trübe, optisch dichtere Schicht in der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren prozessierten Probe beobachtet. Auch die Trocknungsdynamik ist unterschiedlich: Vakuumgetrocknete Proben trocknen von außen zur Mitte der Schicht aufgrund des höheren Oberflächen-Volumen-Verhältnisses an den Probenrändern, wo die Sättigungskonzentration früher erreicht wird. Im Gegensatz dazu trocknen die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren prozessierten Proben viel schneller und kristallisieren entlang der Richtung des Gasstroms 13, was auch darauf hinweist, dass der Gasfluss 13 als solcher und nicht nur der erhöhte Druck von hoher Bedeutung ist. Als Prozessgas wurde hier N2 verwendet, es kann aber ein beliebiges Gas, oder eine beliebige Gasmischung verwendet werden.With regard to the crystallization process, a darker, cloudy, optically denser layer is observed in the sample processed with the method according to the invention compared to light brown and cloudy layers of the vacuum-dried sample. The drying dynamics are also different: vacuum-dried samples dry from the outside to the middle of the layer due to the higher surface-to-volume ratio at the sample edges, where the saturation concentration is reached earlier. In contrast to the samples processed with the method according to the invention dry much faster and crystallize along the direction of the
Um ein deutlicheres Bild der unterschiedlichen Bildungskinetik zu erhalten, sind in
Unter Einbeziehung bisheriger Erkenntnisse kann diese neuartige gasflussunterstützte Vakuumtrocknung als mehrstufiger Prozess verstanden und erklärt werden. Erstens erhöht der Gasfluss 13 die Verdampfungsrate des Lösungsmittels, was zu einer schnelleren Übersättigung und einer homogeneren Bildung von Kristallkeimen führt, was mit neueren Berichten übereinstimmt [7,8]. Zweitens beschleunigt der Gasfluss 13 das Entfernen von Lösungsmitteldämpfen in der Nähe der Kristallisationskeime, was zu einer lokal erhöhten Konzentration an der Grenzfläche führt. Folglich beginnt die Kristallisation an der Lösungsmittel-Luft Grenzfläche, wo der Gasfluss 13 zuerst auf die Probe trifft. Drittens induziert der Gasfluss 13 eine höhere Keimbildungsrate, was zur Bildung einer höchst orientierten metastabilen Kristallphase führt, die über die Nassfilmoberfläche verteilt ist [9], von wo aus die Kristallite homogen wachsen, was sich in der Rotverschiebung des PL-Peaks und der schmalen Halbwertsbreite des PL-Peaks niederschlägt [5] (siehe z.B.
In
Eine weitere Feinabstimmung der erfindungsgemäßen Prozessparameter mit Hilfe der optischen in-situ-Überwachung, insbesondere mittels eines Spektrometers oder eines PL-Spektrometers 31 sowie durch weitere Anpassung der Carrier-Extraktionsschichten macht das erfindungsgemäße Verfahren zur Grundlage für zuverlässige und skalierbare Methoden zur Herstellung von lösungsbasierten, homogenen, lochfreien, großflächigen Solarzellen mit Rekordleistungen. Tabelle 1: Vergleich verschiedener gemessener Kenngrößen von mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie mittels eines herkömmlichen Vakuumtrocknungsprozesses hergestellten, Perowskit-basierten Solarzellen
In Tabelle 1 sind schließlich verschiedene Kenngrößen von Solarzellen gezeigt, wobei die entsprechenden Werte für einerseits mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie andererseits mittels eines herkömmlichen Vakuumtrocknungsprozesses hergestellte, Perowskit-basierte Solarzellen gemessen wurden. Die Werte sind dabei aus den in
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