ES2822140T3 - Procesamiento de capas de material de perovskita - Google Patents

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Abstract

Un dispositivo fotovoltaico (6500) que comprende: un material de perovskita de película delgada que comprende yoduro de plomo de formamidinio (FAPbI3) (6504) caracterizado porque el FAPBI3 tiene una estructura cristalina cúbica.

Description

DESCRIPCIÓN
Procesamiento de capas de material de perovskita
Antecedentes
El uso de energía fotovoltaica (PV) para generar energía eléctrica a partir de energía solar o radiación puede proporcionar muchos beneficios, incluyendo, por ejemplo, una fuente de energía, emisiones bajas o nulas, producción de energía independiente de la red eléctrica, estructuras físicas duraderas (sin partes móviles), sistemas estables y fiables, construcción modular, instalación relativamente rápida, fabricación y uso seguros, buena opinión pública y aceptación del uso.
El documento EP 3252839 divulga una celda solar en la que se reduce una disminución en la eficiencia de conversión fotoeléctrica debido a la exposición continua a la luz (fotodegradación) y un método para producir la celda solar. La presente invención se refiere a un celda solar, que incluye: un electrodo; un electrodo opuesto; y una capa de conversión fotoeléctrica entre el electrodo y el electrodo opuesto, conteniendo la capa de conversión fotoeléctrica un compuesto de perovskita orgánico-inorgánico representado por la fórmula RMX3 donde R es una molécula orgánica, M es un átomo de metal y X es un átomo de halógeno o un átomo de calcógeno, cumpliendo la celda solar la fórmula (1): N T I / N 0 I < 5 donde N(0, I) es una densidad de portador del compuesto de perovskita orgánico-inorgánico inmediatamente después del inicio de la exposición de la celda solar a la luz a una intensidad de 1 mW/cm2, y N(T, I) es la densidad de portador del compuesto de perovskita orgánico-inorgánico después de la exposición continua de la celda solar a la luz a una intensidad de 1 mW/cm 2 durante T hora/horas.
El documento WO 2016/151535 divulga métodos para cultivar estructuras de haluros organometálicos tales como perovskitas de haluro organometálico monocristalino AMX3, utilizando la solubilidad a temperatura inversa.
El documento JP 2015119102 divulga una celda solar híbrida, que incluye: un laminado que comprende un sustrato que tiene una película conductora transparente, una capa de prevención de la recombinación que transfiere electrones a la película conductora transparente y evita la transferencia inversa de electrones, una capa de electrolito formada adsorbiendo un tinte, que es excitado por la luz para generar electrones, a un semiconductor poroso, y una capa de transporte con huecos a través de cuyos huecos generados pasa el tinte, que están laminados en el orden; y un electrodo que comprende un fotoelectrodo que emite electrones a través de la película conductora transparente, y un electrodo contrario dispuesto en una superficie de la capa de transporte con huecos. El tinte tiene una estructura de perovskita formada a través de una reacción entre un compuesto que comprende plomo y un átomo de halógeno, y yoduro de metilamonio (CHNHI) y yoduro de formamidinio (HN=CHNHI).
El documento WO 2013/171518 divulga un dispositivo optoelectrónico que comprende: (i) un material de armazón dieléctrico poroso; y (ii) un semiconductor que tiene un hueco de banda menor o igual a 3,0 eV, en contacto con el material de armazón. Normalmente el semiconductor, que puede ser una perovskita, está dispuesto en la superficie del material de armazón dieléctrico poroso, de modo que se apoye en las superficies de los poros dentro del armazón. En una realización, el dispositivo optoelectrónico es un dispositivo optoelectrónico que comprende una capa fotoactiva, en el que la capa fotoactiva comprende: (a) dicho material de armazón dieléctrico poroso; (b) dicho semiconductor; y (c) un material de transporte de carga. El documento '18 divulga además el uso, como material fotoactivo en un dispositivo optoelectrónico, de: (i) un material de armazón dieléctrico poroso; y (ii) un semiconductor que tiene un hueco de banda menor o igual a 3,0 eV, en contacto con el material de armazón. Se proporciona además el uso de una capa que comprende: (i) un material de armazón dieléctrico poroso; y (ii) un semiconductor que tiene un hueco de banda menor o igual a 3,0 eV, en contacto con el material de armazón; como capa fotoactiva en un dispositivo optoelectrónico. En otro aspecto, El documento '18 divulga una capa fotoactiva para un dispositivo optoelectrónico que comprende (a) un material de armazón dieléctrico poroso; (b) un semiconductor que tiene un hueco de banda inferior o igual a 3,0 eV, en contacto con el material de armazón; y (c) un material de transporte de carga.
El documento EP 2898553 divulga un dispositivo optoelectrónico que comprende una región fotoactiva. La región fotoactiva comprende: una región de tipo n que comprende al menos una capa de tipo n; una región de tipo p que comprende al menos una capa de tipo p; y, dispuesta entre la región de tipo n y la región de tipo p: una capa de un semiconductor de perovskita sin porosidad abierta. El semiconductor de perovskita es generalmente absorbente de luz. En algunos ejemplos divulgados, dispuesta entre la región de tipo n y la región de tipo p hay: (i) una primera capa que comprende un material de armazón, que es típicamente poroso, y un semiconductor de perovskita, que se dispone típicamente en los poros del material de armazón; y (ii) una capa de cubierta dispuesta sobre dicha primera capa, cuya capa de cubierta es dicha capa de un semiconductor de perovskita sin porosidad abierta, en el que el semiconductor de perovskita de la capa de cubierta está en contacto con el semiconductor de perovskita en la primera capa. La capa del semiconductor de perovskita sin porosidad abierta (que puede ser dicha capa de cubierta) forma típicamente una heterounión plana con la región de tipo n o la región de tipo p. El documento '553 también divulga procesos para producir tales dispositivos optoelectrónicos que típicamente implican deposición en solución o deposición en vapor de la perovskita. En una realización divulgada, el proceso es un proceso de baja temperatura; por ejemplo, todo el proceso puede realizarse a una temperatura o temperaturas que no excedan 150 °C.
Breve descripción de los dibujos
La FIGURA 1 es una ilustración del diseño de DSSC que representa varias capas de DSSC de acuerdo con algunas realizaciones de la presente divulgación.
La FIGURA 2 es otra ilustración del diseño de DSSC que representa varias capas de DSSC de acuerdo con algunas realizaciones de la presente divulgación.
La FIGURA 3 es una ilustración de ejemplo de un diseño de dispositivo BHJ de acuerdo con algunas realizaciones de la presente divulgación.
La FIGURA 4 es una vista esquemática de una celda fotovoltaica típica que incluye una capa activa de acuerdo con algunas realizaciones de la presente divulgación.
La FIGURA 5 es una ilustración esquemática de un dispositivo DSSC de estado sólido típico de acuerdo con algunas realizaciones de la presente divulgación.
La FIGURA 6 es diagrama estilizado que ilustra componentes de un dispositivo PV de ejemplo de acuerdo con algunas realizaciones de la presente divulgación.
La FIGURA 7 es un diagrama estilizado que muestra componentes de un dispositivo PV de ejemplo de acuerdo con algunas realizaciones de la presente divulgación.
La FIGURA 8 es un diagrama estilizado que muestra componentes de un dispositivo PV de ejemplo de acuerdo con algunas realizaciones de la presente divulgación.
La FIGURA 9 es un diagrama estilizado que muestra componentes de un dispositivo PV de ejemplo de acuerdo con algunas realizaciones de la presente divulgación.
La FIGURA 10 es un diagrama estilizado de un dispositivo de material de perovskita de acuerdo con algunas realizaciones.
La FIGURA 11 es un diagrama estilizado de un dispositivo de material de perovskita de acuerdo con algunas realizaciones.
La FIGURA 12 muestra imágenes desde un microscopio de electrones de exploración de sección transversal que compara un PV de perovskita fabricado con agua (parte superior) y sin agua (parte inferior).
Las FIGURAS 13 a 20 son diagramas estilizados de dispositivos de material de perovskita de acuerdo con algunas realizaciones.
La FIGURA 21 es un patrón de difracción de rayos X de ioduro de plomo (II) de acuerdo con algunas realizaciones de la presente divulgación.
La FIGURA 22 es un patrón de difracción de rayos X simulado para material de perovskita de yoduro de plomo de formamidinio cúbico de acuerdo con algunas realizaciones de la presente divulgación.
La FIGURA 23 es un patrón de difracción de rayos X para un material de perovskita de yoduro de plomo de formamidinio de acuerdo con algunas realizaciones de la presente divulgación.
La FIGURA 24 es una ilustración de la estructura cristalina de un material de perovskita de yoduro de plomo de formamidinio cúbico de acuerdo con algunas realizaciones de la presente divulgación
La FIGURA 25 es un patrón de difracción de rayos x para plomo de acuerdo con algunas realizaciones de la presente divulgación.
Descripción detallada de realizaciones preferentes
Las mejoras en varios aspectos de las tecnologías PV compatibles con PV orgánicos, no orgánicos y/o híbridos prometen reducir aún más el coste de los PV orgánicos y otros PV. Por ejemplo, algunas celdas solares, tal como las celdas solares de estado sólido sensibilizadas con tinte, pueden aprovechar nuevos componentes alternativos rentables y de alta estabilidad, tal como materiales de transporte de carga de estado sólido (o, coloquialmente, "electrolitos de estado sólido"). Además, varios tipos de celdas solares pueden incluir ventajosamente materiales interfaciales y de otro tipo que pueden, entre otras ventajas, ser más rentables y duraderas que las opciones convencionales que existen actualmente.
La presente divulgación se refiere, en general, composiciones de materia, aparatos y métodos de uso de materiales en celdas fotovoltaicas para crear energía eléctrica a partir de la radiación solar. Más específicamente, esta divulgación se refiere a composiciones fotoactivas y de otro tipo de materia, así como aparatos, métodos de uso y formación de tales composiciones de materia.
Ejemplos de estas composiciones de materia pueden incluir, por ejemplo, materiales de transporte con huecos y/o materiales que pueden ser adecuados para su uso como, por ejemplo, capas interfaciales (IFL), tintes y/u otros elementos de dispositivos PV. Dichos compuestos se pueden implementar en una variedad de dispositivos PV, tal como celdas de heterounión (por ejemplo, bicapa y a granel), celdas híbridas (por ejemplo, orgánicas con CH3NH3PN3, nanovarillas de ZnO o puntos cuánticos de PbS) y DSSC (celdas solares sensibilizadas por tinte). Estas últimas, DSSC, existen en tres formas: electrolitos a base de solventes, electrolitos líquidos iónicos y transportadores con huecos de estado sólido (o DSSC de estado sólido, es decir, SS-DSSC). Las estructuras SS-DSSC de acuerdo con algunas realizaciones pueden estar sustancialmente libres de electrolitos, que contienen materiales de transporte con huecos tales como spiro-OMeTAD, CsSnb, y otros materiales activos.
Algunos o todos los materiales de acuerdo con algunas realizaciones de la presente divulgación también pueden usarse ventajosamente en cualquier dispositivo orgánico u otro dispositivo electrónico, con algunos ejemplos que incluyen, pero sin limitarse a: baterías, transistores de efecto campo (FET), diodos emisores de luz (LED), dispositivos ópticos no lineales, memristores, condensadores, rectificadores y/o antenas rectificadoras.
En algunas realizaciones, la presente divulgación puede proporcionar PV y otros dispositivos similares (por ejemplo, baterías, baterías PV híbridas, PV de múltiples uniones, f Et , LED, etc.). Dichos dispositivos pueden incluir en algunas realizaciones material activo mejorado, capas interfaciales y/o uno o más materiales de perovskita. Un material de perovskita puede incorporarse en varios de uno o más aspectos de un PV u otro dispositivo. Un material de perovskita de acuerdo con algunas realizaciones puede ser de la fórmula general CMX3, donde: C comprende uno o más cationes (por ejemplo, una amina, amonio, un metal del Grupo 1, un metal del Grupo 2 y/u otros cationes o compuestos de tipo catiónico); M comprende uno o más metales (los ejemplos incluyen Fe, Co, Ni, Cu, Sn, Pb, Bi, Ge, Ti y Zr); y X comprende uno o más aniones. Los materiales de perovskita de acuerdo con varias realizaciones se divulgan con mayor detalle a continuación.
Celdas fotovoltaicas y otros dispositivos electrónicos
Algunas realizaciones de PV pueden describirse haciendo referencia a diversas representaciones ilustrativas de celdas solares como se muestra en las figuras 1, 3, 4 y 5. Por ejemplo, una arquitectura PV de ejemplo de acuerdo con algunas realizaciones puede ser sustancialmente de la forma sustrato-ánodo-IFL-capa activa-IPL-cátodo. La capa activa de algunas realizaciones puede ser fotoactiva y/o puede incluir material fotoactivo. Se pueden utilizar otras capas y materiales en la celda como se conoce en la técnica. Adicionalmente, cabe señalar que el uso del término "capa activa" de ninguna manera pretende restringir o definir de otra manera, explícita o implícitamente, las propiedades de cualquier otra capa, por ejemplo, en algunas realizaciones, uno o ambos IFL también pueden ser activos en la medida en que pueden ser semiconductores. En particular, haciendo referencia a la figura 4, se representa una celda fotovoltaica genérica estilizada 2610, que ilustra la naturaleza altamente interfacial de algunas capas dentro del PV. El PV 2610 representa una arquitectura genérica aplicable a varios dispositivos PV, tales como realizaciones PV de material de perovskita. La celda PV 2610 incluye una capa transparente 2612 de vidrio (o material similarmente transparente a la radiación solar) que permite transmitir radiación solar 2614 a través de la capa. La capa transparente de algunas realizaciones también puede denominarse sustrato (por ejemplo, como con la capa de sustrato 1507 de la figura 1), y puede comprender uno o más de una variedad de materiales rígidos o flexibles tales como: vidrio, polietileno, PET, Kapton, cuarzo, lámina de aluminio, lámina de oro o acero. La capa fotoactiva 2616 está compuesta de material donante de electrones o de tipo p 2618, y/o un aceptor de electrones o material de tipo n 2620, y/o un semiconductor ambipolar, que exhibe características de material de tipo p y n. La capa activa o, como se muestra en la figura 4, la capa fotoactiva 2616, está intercalada entre dos capas de electrodos eléctricamente conductores 2622 y 2624. En la figura 4, la capa de electrodo 2622 es un óxido de indio dopado con estaño (material ITO). Como se ha indicado antes, una capa activa de algunas realizaciones no necesita ser necesariamente fotoactiva, aunque en el dispositivo mostrado en la figura 4, lo es. La capa electrodo 2624 es un material de aluminio. Pueden utilizarse otros materiales, como es conocido en la técnica. La celda 2610 también incluye una capa interfacial (IFL) 2626, mostrada en el ejemplo de la figura 4 como material de ZnO. La IFL puede ayudar en la separación de cargas. En algunas realizaciones, la IFL 2626 puede comprender un compuesto orgánico de acuerdo con la presente divulgación como una monocapa autoensamblada (SAM) o como una película delgada. En otras realizaciones, la IFL 2626 puede comprender una IFL multicapa, que se trata a continuación en mayor detalle. También puede haber una IFL 2627 adyacente al electrodo 2624. En algunas realizaciones, la IFL 2627 adyacente al electrodo 2624 puede también o en su lugar comprender un compuesto orgánico de acuerdo con la presente divulgación como una monocapa autoensamblada (SAM) o como una película delgada. En otras realizaciones, la IFL 2627 adyacente al electrodo 2624 puede también o en su lugar comprender una IFL multicapa (nuevamente, descrita en mayor detalle a continuación). Una IFL de acuerdo con algunas realizaciones puede ser de carácter semiconductor y puede ser de tipo p o de tipo n, o puede ser de carácter dieléctrico. En algunas realizaciones, la IFL en el lado del cátodo del dispositivo (por ejemplo, IFL 2627 como se muestra en la figura 4) puede ser de tipo p, y la IFL en el lado del ánodo del dispositivo (por ejemplo, IFL 2626 como se muestra en la figura 4) puede ser de tipo n. En otras realizaciones, sin embargo, la IFL del lado del cátodo puede ser de tipo n y la IFL del lado del ánodo puede ser de tipo p. La celda 2610 está unida a unos cables 2630 y a una unidad de descarga 2632, tal como una batería.
Se describirán realizaciones adicionales con referencia a la figura 3, que representa un diseño de dispositivo BHJ estilizado e incluye: un sustrato de vidrio 2401; un electrodo ITO (óxido de indio dopado con estaño) 2402; una capa interfacial (IFL) 2403; una capa fotoactiva 2404; y cátodos LiF/Al 2405. Los materiales de construcción de BHJ a los que se hace referencia son meros ejemplos; puede usarse cualquier otra construcción de BHJ conocida en la técnica de acuerdo con la presente divulgación. En algunas realizaciones, la capa fotoactiva 2404 puede comprender uno o más materiales que la capa activa o fotoactiva 2616 del dispositivo de la figura 4 pueden comprender.
La figura 1 es una ilustración simplificada de PV DSSC de acuerdo con algunas realizaciones, mencionadas aquí con el propósito de ilustrar el montaje de tales PV de ejemplo. Un ejemplo de DSSC como se muestra en la figura 1 se puede construir de acuerdo con lo siguiente: una capa de electrodo 1506 (mostrada como óxido de estaño dopado con flúor, FTO) se deposita sobre una capa de sustrato 1507 (mostrada como vidrio). Una capa mesoporosa ML 1505 (que en algunas realizaciones puede ser TO 2) se deposita sobre la capa del electrodo 1506, luego el fotoelectrodo (que hasta ahora comprende la capa de sustrato 1507, la capa de electrodo 1506 y la capa mesoporosa 1505) se empapa en un disolvente (no mostrado) y se tiñe 1504. Esto deja el tinte 1504 unido a la superficie de la ML. Se fabrica un electrodo contrario separado que comprende una capa de sustrato 1501 (también se muestra como vidrio) y una capa de electrodo 1502 (mostrada como Pt/FTO). El fotoelectrodo y el electrodo contrario se combinan, intercalando las distintas capas 1502 - 1506 entre las dos capas de sustrato 1501 y 1507 como se muestra en la figura 1, y permitiendo las capas de electrodos 1502 y 1506 que se utilicen como cátodo y ánodo, respectivamente. Una capa de electrolito 1503 se deposita directamente sobre el fotoelectrodo completado después de la capa de tinte 1504 o a través de una abertura en el dispositivo, típicamente un hueco pretaladrado mediante chorro de arena en el sustrato del electrodo contrario 1501. La celda también se puede conectar a unos cables y a una unidad de descarga, tal como una batería (no mostrada). La capa de sustrato 1507 y la capa de electrodo 1506 y/o la capa de sustrato 1501 y la capa de electrodo 1502 deben ser de transparencia suficiente para permitir que la radiación solar pase a través del tinte fotoactivo 1504. En algunas realizaciones, el electrodo contrario y/o el fotoelectrodo pueden ser rígidos, mientras que en otros uno o ambos pueden ser flexibles. Las capas de sustrato de varias realizaciones pueden comprender uno o más de: vidrio, polietileno, PET, Kapton, cuarzo, lámina de aluminio, lámina de oro, y acero. En ciertas realizaciones, un DSSC puede incluir además una capa de captación de luz 1601, como se muestra en la figura 2, para dispersar la luz incidente con el fin de aumentar la longitud de la trayectoria de la luz a través de la capa fotoactiva del dispositivo (aumentando así la probabilidad de que la luz sea absorbida en la capa fotoactiva).
En otras realizaciones, la presente divulgación proporciona DSSC de estado sólido. Los DSSC de estado sólido de acuerdo con algunas realizaciones pueden proporcionar ventajas tales como ausencia de fugas y/o problemas de corrosión que pueden afectar a los DSSC que comprenden electrolitos líquidos. Adicionalmente, un portador de carga de estado sólido puede proporcionar una física de dispositivo más rápida (por ejemplo, transporte de carga más rápido). Adicionalmente, los electrolitos de estado sólido pueden, en algunas realizaciones, ser fotoactivos y, por lo tanto, contribuir a la energía derivada de un dispositivo DSSC de estado sólido.
Algunos ejemplos de DSSC de estado sólido pueden describirse con referencia a la figura 5, que es un esquema estilizado de un DSSC de estado sólido típico. Al igual que con la celda solar de ejemplo representada en, por ejemplo, la figura 4, una capa activa compuesta por un primer y un segundo activo (por ejemplo, material conductor y/o semiconductor (2810 y 2815, respectivamente) está intercalada entre electrodos 2805 y 2820 (mostrados en la figura 5 como Pt/FTO y FTO, respectivamente). En la realización mostrada en la figura 5, el primer material activo 2810 es material activo de tipo p y comprende un electrolito de estado sólido. En ciertas realizaciones, el primer material activo 2810 puede comprender un material orgánico tal como espiro-OMeTAD y/o poli (3-hexiltiofeno), un binario inorgánico, ternario, cuaternario, o complejo mayor, cualquier material semiconductor sólido, o cualquier combinación de los mismos. En algunas realizaciones, el primer material activo puede comprender adicionalmente o en su lugar un óxido y/o un sulfuro y/o un seleniuro y/o un yoduro (por ejemplo, CsSnb). Por lo tanto, por ejemplo, el primer material activo de algunas realizaciones puede comprender material de tipo p de estado sólido, que puede comprender sulfuro de cobre e indio, y en algunas realizaciones, puede comprender seleniuro de cobre, indio, galio. El segundo material activo 2815 mostrado en la figura 5 es material activo de tipo n y comprende TiO2 recubierto con un tinte. En algunas realizaciones, el segundo material activo puede comprender igualmente un material orgánico tal como espiro-OMeTAD, un binario inorgánico, ternario, cuaternario o complejo mayor, o cualquier combinación de los mismos. En algunas realizaciones, el segundo material activo puede comprender un óxido tal como alúmina y/o puede comprender un sulfuro y/o puede comprender un seleniuro. Por lo tanto, en algunas realizaciones, el segundo material activo puede comprender sulfuro de cobre e indio y, en algunas realizaciones, puede comprender seleniuro de cobre, indio, galio, metal. El segundo material activo 2815 de algunas realizaciones puede constituir una capa mesoporosa. Adicionalmente, además de estar activo, uno o ambos del primer y segundo materiales activos 2810 y 2815 pueden ser fotoactivos. En otras realizaciones (no mostradas en la figura 5), el segundo material activo puede comprender un electrolito sólido. Además, en realizaciones donde cualquiera del primer y segundo material activo 2810 y 2815 comprende un electrolito sólido, el dispositivo fotovoltaico puede carecer de una cantidad eficaz de electrolito líquido. Aunque se muestra y se menciona en la figura 5 como que es de tipo p, una capa de estado sólido (por ejemplo, primer material activo que comprende electrolito sólido) puede, en algunas realizaciones, ser semiconductor de tipo n. En tales realizaciones, entonces, el segundo material activo (por ejemplo, TiO2 (u otro material mesoporoso) como se muestra en la figura 5) recubierto con un tinte puede ser semiconductor de tipo p (a diferencia del semiconductor de tipo n mostrado en, y descrito con respecto a, la figura 5).
Las capas de sustrato 2801 y 2825 (ambas mostradas en la figura 5 como vidrio) forman las respectivas capas externas superior e inferior de la celda de ejemplo de la figura 5. Estas capas pueden comprender cualquier material de transparencia suficiente para permitir que la radiación solar pase a través de la capa activa/fotoactiva que comprende el tinte, el primer y segundo material activo y/o fotoactivo 2810 y 2815, tal como vidrio, polietileno, PET, Kapton, cuarzo, lámina de aluminio, lámina de oro y/o acero. Adicionalmente, en la realización mostrada en la figura 5, el electrodo 2805 (mostrado como Pt/FTO) es el cátodo y el electrodo 2820 es el ánodo. Como en el ejemplo de celda solar representada en la figura 4, la radiación solar atraviesa la capa de sustrato 2825 y el electrodo 2820 en la capa activa, después de lo cual se absorbe al menos una parte de la radiación solar para producir uno o más excitones para permitir la generación eléctrica.
Un DSSC de estado sólido de acuerdo con algunas realizaciones puede construirse de una manera sustancialmente similar a la descrita anteriormente con respecto al DSSC representado estilizado en la figura 1. En la realización mostrada en la figura 5, el material activo de tipo p 2810 corresponde al electrolito 1503 de la figura 1; el material activo de tipo n 2815 corresponde a ambos tinte 1504 y ML 1505 de la figura 1; los electrodos 2805 y 2820 corresponden respectivamente a las capas de electrodos 1502 y 1506 de la figura 1; y las capas de sustrato 2801 y 2825 corresponden respectivamente a las capas de sustrato 1501 y 1507.
Varias realizaciones de la presente divulgación proporcionan materiales y/o diseños mejorados en varios aspectos de la celda solar y otros dispositivos, incluyendo entre otras cosas, materiales activos (incluyendo capas de transporte con huecos y/o de transporte con electrones), capas interfaciales, y diseño general del dispositivo.
Capas interfaciales
La presente divulgación, en algunas realizaciones, proporciona materiales y diseños ventajosos de una o más capas interfaciales dentro de un PV, incluyendo IFL de capa fina. Las IFL de capa fina se pueden emplear en una o más IFL de un PV de acuerdo con varias realizaciones descritas en el presente documento.
De acuerdo con diversas realizaciones, los dispositivos pueden incluir opcionalmente una capa interfacial entre otras dos capas y/o materiales, aunque los dispositivos no necesitan contener capas interfaciales. Por ejemplo, un dispositivo de material de perovskita puede contener cero, uno, dos, tres, cuatro, cinco o más capas interfaciales (tal como el dispositivo de ejemplo de la figura 7, que contiene cinco capas interfaciales 3903, 3905, 3907, 3909, y 3911). Una capa interfacial puede incluir cualquier material adecuado para mejorar el transporte y/o la recogida de carga entre dos capas o materiales; también puede ayudar a prevenir o reducir la probabilidad de recombinación de cargas una vez que una carga ha sido transportada lejos de uno de los materiales adyacentes a la capa interfacial. Una capa interfacial puede además homogeneizar física y eléctricamente sus sustratos para crear variaciones en la rugosidad del sustrato, constante dieléctrica, adhesión, creación o extinción de defectos (por ejemplo, trampas de carga, estados de superficie). Materiales interfaciales adecuados pueden incluir uno o más de: Al; Bi; Co; Cu; Fe; In; Mn; Mo; Ni; Pt; Si; Sn; Ta; Ti; V; W; Nb; Zn; Zr; óxidos de cualquiera de los metales anteriores (por ejemplo, alúmina, sílice, titania); un sulfuro de cualquiera de los metales anteriores; un nitruro de cualquiera de los metales anteriores; grupos alquil sililo funcionalizados o no funcionalizados; grafito; grafeno; fullerenos; nanotubos de carbono; cualquier material mesoporoso y/o material interfacial descrito en otra parte del presente documento; y combinaciones de los mismos (incluyendo, en algunas realizaciones, bicapas, tricapas o multicapas de materiales combinados). En algunas realizaciones, una capa interfacial puede incluir material de perovskita. Además, las capas interfaciales pueden comprender realizaciones dopadas de cualquier material interfacial mencionado en el presente documento (por ejemplo, ZnO dopado con Y, nanotubos de carbono de pared simple dopados con N). Las capas interfaciales también pueden comprender un compuesto que tenga tres de los materiales anteriores (por ejemplo, CuTiO3, Zn2SnO4) o un compuesto que tiene cuatro de los materiales anteriores (por ejemplo, CoNiZnO).
[En primer lugar, como se ha indicado antes, una o más IFL (por ejemplo, una o ambas IFL 2626 y 2627 como se muestra en la figura 4) puede comprender un compuesto orgánico fotoactivo de la presente divulgación como una monocapa autoensamblada (SAM) o como una película delgada. Cuando un compuesto orgánico fotoactivo de la presente divulgación se aplica como una SAM, puede comprender un grupo de unión a través del cual puede unirse covalentemente o de otra manera a la superficie de uno o ambos del ánodo y del cátodo. El grupo de unión de algunas realizaciones puede comprender uno o más de COOH, SiX3 (donde X puede ser cualquier resto adecuado para formar un compuesto de silicio ternario, tal como Si(OR)3 y SiCb), SO3, PO4H, OH, CH2X (donde X puede comprender un haluro del Grupo 17) y O. El grupo de unión puede estar unido covalentemente o de otro modo a un resto captador de electrones, un resto donante de electrones y/o un resto central. El grupo de unión puede unirse a la superficie del electrodo de una manera que forme una capa organizada direccional de una sola molécula (o, en algunas realizaciones, múltiples moléculas) de espesor (por ejemplo, donde múltiples compuestos orgánicos fotoactivos están unidos al ánodo y/o al cátodo). Tal y como se ha indicado, la SAM puede unirse a través de interacciones covalentes, pero en algunas realizaciones puede unirse mediante interacciones iónicas, de enlace de hidrógeno y/o de fuerza de dispersión (es decir, Van Der Waals). Adicionalmente, en ciertas realizaciones, tras la exposición a la luz, la SAM puede entrar en un estado excitado zwiteriónico, creando así una IFL altamente polarizada, que puede dirigir los portadores de carga desde una capa activa a un electrodo (por ejemplo, ya sea el ánodo o el cátodo). Esta inyección mejorada de portador de carga puede, en algunas realizaciones, lograrse puliendo electrónicamente la sección transversal de la capa activa y, por lo tanto, aumentando las velocidades de deriva del portador de carga hacia su electrodo respectivo (por ejemplo, hueco al ánodo; electrones al cátodo). Las moléculas para aplicaciones de ánodo de algunas realizaciones pueden comprender compuestos sintonizables que incluyen un resto donante de electrones primario unido a un resto central, que a su vez está unido a un resto captador de electrones, que a su vez está unido a un grupo de unión. En aplicaciones de cátodos de acuerdo con algunas realizaciones, las moléculas de IFL pueden comprender un compuesto sintonizable que comprende un resto pobre en electrones unido a un resto central, que a su vez está unido a un resto donante de electrones, que a su vez está unido a un grupo de unión. Cuando se emplea un compuesto orgánico fotoactivo como IFL de acuerdo con tales realizaciones, puede conservar el carácter fotoactivo, aunque en algunas realizaciones no es necesario que sea fotoactivo.
Además o en lugar de un compuesto orgánico fotoactivo IFL SAM, un PV de acuerdo con algunas realizaciones puede incluir una capa interfacial delgada (una "capa interfacial de capa delgada" o "IFL de capa delgada") revestida sobre al menos una porción del primer o segundo material activo de tales realizaciones (por ejemplo, primer o segundo material activo 2810 o 2815 como se muestra en la figura 5). Y, a su vez, al menos una parte de la IFL de capa fina puede recubrirse con un tinte. La IFL de capa fina puede ser de tipo N o P; en algunas realizaciones, puede ser del mismo tipo que el material subyacente (por ejemplo, TiO2 u otro material mesoporoso, tal como TiO2 del segundo material activo 2815). El segundo material activo puede comprender TiO2 recubierto con una IFL de capa delgada que comprende alúmina (por ejemplo, AbO3) (no mostrada en la figura 5), que a su vez se recubre con un tinte. Referencias aquí a TiO2 y/o titania no pretenden limitar las proporciones de titanio y óxido en tales compuestos de óxido de titanio descritos en el presente documento. Es decir, un compuesto de titania puede comprender titanio en uno o más de sus diversos estados de oxidación (por ejemplo, titanio I, titanio II, titanio III, titanio IV) y, por lo tanto, diversas realizaciones pueden incluir cantidades estequiométricas y/o no estequiométricas de titanio y óxido. Por lo tanto, varias realizaciones pueden incluir (en lugar o además de TiO2) TiXOy, donde x puede ser cualquier valor, entero o no entero, entre 1 and 100. En algunas realizaciones, x puede ser entre aproximadamente 0,5 y 3. De igual forma, y puede ser entre aproximadamente 1,5 y 4 (y, de nuevo, no necesita ser un número entero). Por lo tanto, algunas realizaciones puede incluir, por ejemplo, TiO2 y/o Ti2O3. Además, titania en cualquier proporción o combinación de proporciones entre titanio y óxido puede ser de una o más estructuras cristalinas en algunas realizaciones, una o más de anatasa, rutilo, y amorfo.
Otros ejemplos de óxidos metálicos para usarse en la IFL de capa fina de algunas realizaciones pueden incluir óxidos metálicos semiconductores, tal como NiO, WO3, V2O5, o MoO3. La realización en la que el segundo (por ejemplo, de tipo n) material activo comprende TiO2 recubierto con una IFL de capa fina que comprende AbO3 podría formarse, por ejemplo, con un material precursor tal como Al(NO3)3^xH2O, o cualquier otro material apto para depositar AbO3 sobre el TiO2, seguido de recocido térmico y revestimiento de tinte. En realizaciones de ejemplo en las que un revestimiento de MoO3 se utiliza en su lugar, el revestimiento se puede formar con un material precursor tal como Na2MO4^2H2O; mientras que un revestimiento de V2O5 de acuerdo con algunas realizaciones se puede formar con un material precursor tal como NaVO3; y un revestimiento de WO3 de acuerdo con algunas realizaciones se puede formar con un material precursor tal como NaWO4^H2O. La concentración de material precursor (por ejemplo, Al(NO3)3*xH2O) puede afectar el espesor final de la película (aquí, de AbO3) depositada en el TiO2 u otro material activo. Por lo tanto, modificar la concentración de material precursor puede ser un método mediante el cual se puede controlar el espesor final de la película. Por ejemplo, un mayor espesor de película puede resultar de una mayor concentración de material precursor. Un mayor espesor de película no necesariamente da como resultado un mayor PCE en un dispositivo PV que comprende un revestimiento de óxido metálico. Por lo tanto, un método de algunas realizaciones puede incluir revestir una capa de TiO2 (u otra capa mesoporosa) que usa un material precursor que tiene una concentración en el intervalo de aproximadamente 0,5 a 10,0 mM; otras realizaciones pueden incluir revestir la capa con un material precursor que tiene una concentración en el intervalo de aproximadamente 2,0 a 6,0 mM; o, en otras realizaciones, aproximadamente de 2,5 a 5,5 mM.
Adicionalmente, aunque en el presente documento se hace referencia como AbO3 y/o alúmina, cabe señalar que se pueden usar varias proporciones de aluminio y oxígeno para formar alúmina. Por lo tanto, aunque algunas realizaciones discutidas en este documento se describen con referencia a AbO3, dicha descripción no pretende definir una relación requerida de aluminio en oxígeno. Por el contrario, las realizaciones pueden incluir uno o más compuestos de óxido de aluminio, teniendo cada uno una proporción de óxido de aluminio de acuerdo con AkOy, donde x puede ser cualquier valor, entero o no entero, entre aproximadamente 1 y 100. En algunas realizaciones, x puede ser entre aproximadamente 1 y 3 (y, de nuevo, no necesita ser un número entero). De igual forma, y puede tener cualquier valor, entero o no entero, entre 0,1 and 100. En algunas realizaciones, y puede estar entre 2 y 4 (y, de nuevo, no necesita ser un número entero). Además, varias formas cristalinas de AkOy y puede estar presente en varias realizaciones, tal como alfa, gamma y/o formas amorfas de alúmina.
De igual forma, aunque denominados en el presente documento como MoO3, WO3, y V2O5, tales compuestos pueden representarse en su lugar o además como MoXOy, WXOy y YXOy, respectivamente. Con respecto a cada uno de MoXOy y WXOy, x puede ser cualquier valor, entero o no entero, entre aproximadamente 0,5 y 100; en algunas realizaciones, puede ser entre aproximadamente 0,5 y 1,5. De igual forma, y puede tener cualquier valor, entero o no entero, entre aproximadamente 1 y 100. En algunas realizaciones, y puede tener cualquier valor entre aproximadamente 1 y 4.
Respecto a VxOy, x puede ser cualquier valor, entero o no entero, entre aproximadamente 0,5 y 100; en algunas realizaciones, puede ser entre aproximadamente 0,5 y 1,5. De igual forma, y puede tener cualquier valor, entero o no entero, entre aproximadamente 1 y 100; en ciertas realizaciones, puede ser un valor entero o no entero entre aproximadamente 1 y 10.
De manera similar, las referencias en algunas realizaciones ilustrativas en el presente documento a CsSnI3 no pretenden limitar las proporciones de elementos componentes en los compuestos de cesio-estaño-yodo de acuerdo con diversas realizaciones. Algunas realizaciones pueden incluir cantidades estequiométricas y/o no estequiométricas de estaño y yoduro y, por lo tanto, dichas realizaciones pueden incluir en su lugar o además varias proporciones de cesio, estaño y yodo, tales como uno o más compuestos de cesio-estaño-yodo, cada uno teniendo una proporción de CsXSnyIz. En tales realizaciones, x puede ser cualquier valor, entero o no entero, entre 0,1 and 100. En algunas realizaciones, x puede ser entre aproximadamente 0,5 y 1,5 (y, de nuevo, no necesita ser un número entero). De igual forma, y puede tener cualquier valor, entero o no entero, entre 0,1 and 100. En algunas realizaciones, y puede ser entre aproximadamente 0,5 y 1,5 (y, de nuevo, no necesita ser un número entero). De igual forma, z puede ser cualquier valor, entero o no entero, entre 0,1 and 100. En algunas realizaciones, z puede ser entre aproximadamente 2,5 y 3,5. Además, el CsSnI3 puede estar dopado o compuesto con otros materiales, tal como SnF2, en proporciones de CsSnb:SnF2 que varían de 0,1:1 a 100:1, incluyendo todos los valores (enteros y no enteros) intermedios.
Además, una IFL de capa fina puede comprender una bicapa. Por lo tanto, volviendo al ejemplo en el que la IFL de capa fina comprende un óxido metálico (tal como alúmina), la IFL de capa fina puede comprender TiO2-más-óxidometálico. Tal IFL de capa delgada puede tener una mayor capacidad para resistir la recombinación de carga en comparación con TiO2 mesoporoso u otro material activo en solitario. Adicionalmente, en la formación de una capa de TiO2, un revestimiento de TiO2 secundario es a menudo necesario para proporcionar una interconexión física suficiente de partículas de TiO2, de acuerdo con algunas realizaciones de la presente divulgación. El revestimiento de IFL bicapa de capa fina sobre TiO2 mesoporoso (u otro material activo mesoporoso) puede comprender una combinación de revestimiento usando un compuesto que comprende tanto óxido metálico como TiCl4, dando como resultado una IFL de capa fina bicapa que comprende una combinación de óxido metálico y revestimiento de TiO2 secundario, que puede proporcionar mejoras de rendimiento sobre el uso de cualquiera de los materiales por sí solo.
En algunas realizaciones, la IFL puede comprender un titanato. Un titanato de acuerdo con algunas realizaciones puede tener la fórmula general M'TiO3, donde: M' comprende 2+ cationes cualesquiera. En algunas realizaciones, M' puede comprender una forma catiónica de Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ni, Zn, Cd, Hg, Cu, Pd, Pt, Sn o Pb. En algunas realizaciones, la IFL puede comprender una sola especie de titanato, que en otras realizaciones, la IFL puede comprender dos o más especies diferentes de titanatos. En una realización, el titanato tiene la fórmula SrTiO3. En otra realización, el titanato puede tener la fórmula BaTiO3. En otra realización más, el titanato puede tener la fórmula CaTiO3.
A modo de explicación, y sin que ello implique limitación alguna, los titanatos tienen una estructura cristalina de perovskita y siembran fuertemente el proceso de conversión de crecimiento de MAPbb. Los titanatos generalmente también cumplen con otros requisitos de IFL, tal como el comportamiento ferroeléctrico, suficiente movilidad del portador de carga, transparencia óptica, niveles de energía coincidentes y alta constante dieléctrica.
Cualquier material interfacial descrito en el presente documento puede comprender además composiciones dopadas. Para modificar las características (por ejemplo, eléctricas, ópticas, mecánicas) de un material interfacial, un material estequiométrico o no estequiométrico puede estar dopado con uno o más elementos (por ejemplo, Na, Y, Mg, N, P) en cantidades que van desde tan solo 1 ppb hasta un 50 % molar. Algunos ejemplos de materiales interfaciales incluyen: NiO, TiO2, SrTiO3, AbO3, ZrO2, WO3, V2O5, MO3, ZnO, grafeno y negro de carbono. Ejemplos de posibles dopantes para estos materiales interfaciales incluyen: Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, Nb, Ti, Fe, Co, Ni, Cu, Ga, Sn, En, B, N, P, C, S, As, un haluro, un pseudohaluro (por ejemplo, cianuro, cianato, isocianato, fulminato, tiocianato, isotiocianato, azida, tetracarbonilcobaltato, carbamoildicianometanida, dicianonitrosometanuro, dicianamida y tricianometanida) y Al en cualquiera de sus estados de oxidación. Las referencias en el presente documento a materiales interfaciales dopados no pretenden limitar las proporciones de los elementos componentes en compuestos de material interfacial.
La figura 10 es un diagrama estilizado de un dispositivo de material de perovskita 4400 de acuerdo con algunas realizaciones. Aunque varios componentes del dispositivo 4400 se ilustran como capas discretas que comprenden material contiguo, debe entenderse que la figura 10 es un diagrama estilizado; por lo tanto, las realizaciones de acuerdo con el mismo pueden incluir tales capas discretas, y/o capas no contiguas sustancialmente entremezcladas, de acuerdo con el uso de "capas" descrito anteriormente en el presente documento. El dispositivo 4400 incluye un primer y segundo sustratos 4401 y 4407. Un primer electrodo (ITO) 4402 está dispuesto sobre una superficie interior del primer sustrato 4401, y un segundo electrodo (Ag) 4406 está dispuesto sobre una superficie interior del segundo sustrato 4407. Una capa activa 4450 está intercalada entre los dos electrodos 4402 y 4406. La capa activa 4450 incluye una primera IFL (por ejemplo, SrTiO3) 4403, un material fotoactivo (por ejemplo, MAPbb) 4404, y una capa de transporte de carga (por ejemplo, Espiro-OMeTAD) 4405.
Las IFL de capa fina y los métodos para recubrirlas con TiO2 descritos anteriormente pueden, en algunas realizaciones, emplearse en DSSC que comprenden electrolitos líquidos. Por lo tanto, volviendo al ejemplo de una IFL de capa fina y haciendo referencia a la figura 1, por ejemplo, el DSSC de la figura 1 podría comprender además una IFL de capa fina como se describió anteriormente revestida sobre la capa mesoporosa 1505 (es decir, la IFL de capa fina se insertaría entre la capa mesoporosa 1505 y el tinte 1504).
En una realización, se puede formular un dispositivo de material de perovskita fundiendo Pbb en un sustrato de ITO recubierto con SrTiO3. El Pbb se puede convertir a MAPbb mediante un proceso de inmersión. Este proceso se describe con más detalle a continuación. Este proceso de conversión es más completo (de acuerdo con lo observado por espectroscopía óptica) en comparación con la preparación del sustrato sin SrTiO3.
En algunas realizaciones, las IFL de capa fina descritas previamente en el contexto de los DSSC pueden usarse en cualquier capa interfacial de un dispositivo semiconductor tal como un PV (por ejemplo, un PV híbrido u otro PV), transistor de efecto de campo, diodo emisores de luz, dispositivo óptico no lineal, memristor, condensador, rectificador, antena rectificadora, etc. Además, las IFL de capa fina de algunas realizaciones se pueden emplear en cualquiera de varios dispositivos en combinación con otros compuestos descritos en la presente divulgación, incluyendo, pero no limitado a, uno o más de los siguientes de varias realizaciones de la presente divulgación: material de transporte con huecos sólido como material activo y aditivos (tal como, en algunas realizaciones, ácido quenodesoxicólico o 1,8-diyodooctano).
En algunas realizaciones, pueden disponerse múltiples IFL hechas de diferentes materiales adyacentes entre sí para formar una IFL compuesta. Esta configuración puede involucrar dos IFL diferentes, tres IFL diferentes, o un número aún mayor de IFL diferentes. La IFL multicapa resultante o la IFL compuesta pueden usarse en lugar de una IFL de un solo material. Por ejemplo, una IFL compuesta se puede utilizar como IFL 2626 y/o como IFL 2627 en la celda 2610, mostrada en el ejemplo de la figura 4. Mientras que la IFL compuesta se diferencia de una IFL de un solo material, el ensamblaje de una celda PV de material de perovskita que tiene IFL multicapa no es sustancialmente diferente del ensamblaje de una celda PV de material de perovskita que solo tiene IFL de un solo material.
En general, la IFL compuesta se puede fabricar usando cualquiera de los materiales descritos en el presente documento como adecuados para una IFL. En una realización, la IFL comprende una capa de AbO3 y una capa de ZnO o M:ZnO (ZnO dopado, por ejemplo, Be:ZnO, Mg:ZnO, Ca:ZnO, Sr:ZnO, Ba:ZnO, Sc:ZnO, Y:ZnO, Nb:ZnO). En una realización, la IFL comprende una capa de ZrO2 y una capa de ZnO o M:ZnO. En ciertas realizaciones, la IFL comprende múltiples capas. En algunas realizaciones, una IFL multicapa generalmente tiene una capa conductora, una capa dieléctrica y una capa semiconductora. En realizaciones particulares, las capas pueden repetirse, por ejemplo, una capa conductora, una capa dieléctrica, una capa semiconductora, una capa dieléctrica y una capa semiconductora. Ejemplos de IFL multicapa incluyen una IFL que tiene una capa de ITO, una capa de AbO3, una capa de ZnO y una segunda capa de AbO3; una IFL que tiene una capa de ITO, una capa de AbO3, una capa de ZnO, una segunda capa de AbO3 y una segunda capa de ZnO; una IFL que tiene una capa de ITO, una capa de AbO3, una capa de ZnO, una segunda capa de AbO3, una segunda capa de ZnO y una tercera capa de AbO3; e IFL que tienen tantas capas como sea necesario para lograr las características de rendimiento deseadas. Como se analizó anteriormente, las referencias a determinadas relaciones estequiométricas no pretenden limitar las relaciones de los elementos componentes en las capas de IFL de acuerdo con diversas realizaciones.
La disposición de dos o más IFL adyacentes como una IFL compuesta puede superar a una sola IFL en celdas fotovoltaicas de material de perovskita donde los atributos de cada material de IFL pueden aprovecharse en una sola IFL. Por ejemplo, en la arquitectura que tiene una capa de ITO, una capa de AbO3, y una capa de ZnO, donde ITO es un electrodo conductor, AbO3 es un material dieléctrico y ZnO es un semiconductor de tipo n, ZnO actúa como un aceptor de electrones con buenas propiedades de transporte de electrones (por ejemplo, movilidad). Adicionalmente, AbO3 es un material físicamente robusto que se adhiere bien a ITO, homogeneiza la superficie tapando los defectos de la superficie (por ejemplo, trampas de carga) y mejora las características del diodo del dispositivo mediante la supresión de la corriente oscura.
La figura 11 es un diagrama estilizado de un dispositivo de material de perovskita 4500 de acuerdo con algunas realizaciones. Aunque varios componentes del dispositivo 4500 se ilustran como capas discretas que comprenden material contiguo, debe entenderse que la figura 11 es un diagrama estilizado; por lo tanto, las realizaciones de acuerdo con el mismo pueden incluir tales capas discretas, y/o capas no contiguas sustancialmente entremezcladas, de acuerdo con el uso de "capas" descrito anteriormente en el presente documento. El dispositivo 4500 incluye un primer y segundo sustratos 4501 y 4508. Un primer electrodo (por ejemplo, ITO) 4502 está dispuesto sobre una superficie interior del primer sustrato 4501, y un segundo electrodo (por ejemplo, Ag) 4507 está dispuesto sobre una superficie interior del segundo sustrato 4508. Una capa activa 4550 está intercalada entre los dos electrodos 4502 y 4507. La capa activa 4550 incluye una IFL compuesta que comprende una primera IFL (por ejemplo, AbO3) 4503 y una segunda IFL (por ejemplo, ZnO) 4504, un material fotoactivo (por ejemplo, MAPbb) 4505, y una capa de transporte de carga (por ejemplo, Espiro-OMeTAD) 4506.
Las figuras 13 a 20 son diagramas estilizados de dispositivos de material de perovskita de acuerdo con algunas realizaciones. Aunque varios componentes de los dispositivos se ilustran como capas discretas que comprenden material contiguo, debe entenderse que las figuras 13-18 son diagramas estilizados; por lo tanto, las realizaciones de acuerdo con los mismos pueden incluir tales capas discretas, y/o capas no contiguas sustancialmente entremezcladas, de acuerdo con el uso de "capas" descrito anteriormente en el presente documento. Los dispositivos de ejemplo incluyen capas y materiales descritos a lo largo de esta divulgación. Los dispositivos pueden incluir una capa de sustrato (por ejemplo, vidrio), capas de electrodos (por ejemplo, ITO, Ag), capas interfaciales, que pueden ser IFL compuestas (por ejemplo, ZnO, AbO3, Y:ZnO y/o Nb:ZnO), un material fotoactivo (por ejemplo, MAPbb, FAPbb, 5-AVA^HCl: MApbl3, y/o CHP: MAPbb) y una capa de transporte de carga (por ejemplo, Espiro-OMeTAD, PCDTBT, TFB, TPD, PTB7, F8BT, PPV, MDMO-PPV, MEH-PPV y/o P3HT).
La figura 13 es un diagrama estilizado de un dispositivo de material de perovskita 6100 de acuerdo con algunas realizaciones. Aunque varios componentes del dispositivo 6100 se ilustran como capas discretas que comprenden material contiguo, debe entenderse que la figura 13 es un diagrama estilizado; por lo tanto, las realizaciones de acuerdo con el mismo pueden incluir tales capas discretas, y/o capas no contiguas sustancialmente entremezcladas, de acuerdo con el uso de "capas" descrito anteriormente en el presente documento. El dispositivo 6100 incluye un sustrato (por ejemplo, Vidrio) 6101. Un primer electrodo (por ejemplo, ITO) 6102 está dispuesto sobre una superficie interior del sustrato 6101, y un segundo electrodo (por ejemplo, Ag) 6107 está dispuesto sobre una capa activa 6150 que está intercalado entre los dos electrodos 6102 y 6107. La capa activa 6150 incluye una IFL compuesta que comprende una primera IFL (por ejemplo, AbO3) 6103 y una segunda IFL (por ejemplo, ZnO) 6104, un material fotoactivo (por ejemplo, MAPbb) 6105, y una capa de transporte de carga (por ejemplo, Espiro-OMeTAD) 6106.
La figura 14 es un diagrama estilizado de un dispositivo de material de perovskita 6200 de acuerdo con algunas realizaciones. Aunque varios componentes del dispositivo 6200 se ilustran como capas discretas que comprenden material contiguo, debe entenderse que la figura 14 es un diagrama estilizado; por lo tanto, las realizaciones de acuerdo con el mismo pueden incluir tales capas discretas, y/o capas no contiguas sustancialmente entremezcladas, de acuerdo con el uso de "capas" descrito anteriormente en el presente documento. El dispositivo 6200 incluye un sustrato (por ejemplo, Vidrio) 6201. Un primer electrodo (por ejemplo, ITO) 6202 está dispuesto sobre una superficie interior del sustrato 6201, y un segundo electrodo (por ejemplo, Ag) 6206 está dispuesto sobre una capa activa 6250 que está intercalado entre los dos electrodos 6202 y 6206. La capa activa 6250 incluye una IFL (por ejemplo, Y:ZnO) 6203, un material fotoactivo (por ejemplo, MAPbb) 6204, y una capa de transporte de carga (por ejemplo, P3HT) 6205.
La figura 15 es un diagrama estilizado de un dispositivo de material de perovskita 6300 de acuerdo con algunas realizaciones. Aunque varios componentes del dispositivo 6300 se ilustran como capas discretas que comprenden material contiguo, debe entenderse que la figura 15 es un diagrama estilizado; por lo tanto, las realizaciones de acuerdo con el mismo pueden incluir tales capas discretas, y/o capas no contiguas sustancialmente entremezcladas, de acuerdo con el uso de "capas" descrito anteriormente en el presente documento. El dispositivo 6300 incluye un sustrato (por ejemplo, Vidrio) 6301. Un primer electrodo (por ejemplo, ITO) 6302 está dispuesto sobre una superficie interior del sustrato 6301, y un segundo electrodo (por ejemplo, Ag) 6309 está dispuesto sobre una capa activa 6350 que está intercalado entre los dos electrodos 6302 y 6309. La capa activa 6350 incluye una IFL compuesta que comprende una primera IFL (por ejemplo, AbO3) 6303, una segunda IFL (por ejemplo, ZnO) 6304, una tercera IFL (por ejemplo, AbO3) 6305 y una cuarta IFL (por ejemplo, ZnO) 6306, un material fotoactivo (por ejemplo, MAPbb) 6307, y una capa de transporte de carga (por ejemplo, PCDTBT) 6308.
La figura 16 es un diagrama estilizado de un dispositivo de material de perovskita 6400 de acuerdo con algunas realizaciones. Aunque varios componentes del dispositivo 6400 se ilustran como capas discretas que comprenden material contiguo, debe entenderse que la figura 16 es un diagrama estilizado; por lo tanto, las realizaciones de acuerdo con el mismo pueden incluir tales capas discretas, y/o capas no contiguas sustancialmente entremezcladas, de acuerdo con el uso de "capas" descrito anteriormente en el presente documento. El dispositivo 6400 incluye un sustrato (por ejemplo, Vidrio) 6401. Un primer electrodo (por ejemplo, ITO) 6402 está dispuesto sobre una superficie interior del sustrato 6401, y un segundo electrodo (por ejemplo, Ag) 6409 está dispuesto sobre una capa activa 6450 que está intercalado entre los dos electrodos 6402 y 6409. La capa activa 6450 incluye una IFL compuesta que comprende una primera IFL (por ejemplo, AbO3) 6403, una segunda IFL (por ejemplo, ZnO) 6404, una tercera IFL (por ejemplo, AbO3) 6405 y una cuarta IFL (por ejemplo, ZnO) 6406, un material fotoactivo (por ejemplo, 5-AVA-HCl:MAPbb) 6407, y una capa de transporte de carga (por ejemplo, PCDTBT) 6408.
La figura 17 es un diagrama estilizado de un dispositivo de material de perovskita 6500 de acuerdo con algunas realizaciones. Aunque varios componentes del dispositivo 6500 se ilustran como capas discretas que comprenden material contiguo, debe entenderse que la figura 17 es un diagrama estilizado; por lo tanto, las realizaciones de acuerdo con el mismo pueden incluir tales capas discretas, y/o capas no contiguas sustancialmente entremezcladas, de acuerdo con el uso de "capas" descrito anteriormente en el presente documento. El dispositivo 6500 incluye un sustrato (por ejemplo, Vidrio) 6501. Un primer electrodo (por ejemplo, ITO) 6502 está dispuesto sobre una superficie interior del sustrato 6501, y un segundo electrodo (por ejemplo, Ag) 6506 está dispuesto sobre una capa activa 6550 que está intercalado entre los dos electrodos 6502 y 6506. La capa activa 6550 incluye una IFL (por ejemplo, Nb:ZnO) 6503, un material fotoactivo (por ejemplo, FAPbb) 6504, y una capa de transporte de carga (por ejemplo, P3HT) 6505.
La figura 18 es un diagrama estilizado de un dispositivo de material de perovskita 6600 de acuerdo con algunas realizaciones. Aunque varios componentes del dispositivo 6600 se ilustran como capas discretas que comprenden material contiguo, debe entenderse que la figura 18 es un diagrama estilizado; por lo tanto, las realizaciones de acuerdo con el mismo pueden incluir tales capas discretas, y/o capas no contiguas sustancialmente entremezcladas, de acuerdo con el uso de "capas" descrito anteriormente en el presente documento. El dispositivo 6600 incluye un sustrato (por ejemplo, Vidrio) 6601. Un primer electrodo (por ejemplo, ITO) 6602 está dispuesto sobre una superficie interior del sustrato 6601, y un segundo electrodo (por ejemplo, Ag) 6606 está dispuesto sobre una capa activa 6650 que está intercalado entre los dos electrodos 6602 y 6606. La capa activa 6650 incluye una IFL (por ejemplo, Y:ZnO) 6603, un material fotoactivo (por ejemplo, CHP;MAPbb) 6604, y una capa de transporte de carga (por ejemplo, P3HT) 6605.
La figura 19 es un diagrama estilizado de un dispositivo de material de perovskita 6700 de acuerdo con algunas realizaciones. Aunque varios componentes del dispositivo 6700 se ilustran como capas discretas que comprenden material contiguo, debe entenderse que la figura 19 es un diagrama estilizado; por lo tanto, las realizaciones de acuerdo con el mismo pueden incluir tales capas discretas, y/o capas no contiguas sustancialmente entremezcladas, de acuerdo con el uso de "capas" descrito anteriormente en el presente documento. El dispositivo 6700 incluye un sustrato (por ejemplo, Vidrio) 6701. Un primer electrodo (por ejemplo, ITO) 6702 está dispuesto sobre una superficie interior del sustrato 6701, y un segundo electrodo (por ejemplo, Al) 6707 está dispuesto sobre una capa activa 6750 que está intercalado entre los dos electrodos 6702 y 6707. La capa activa 6750 incluye una IFL (por ejemplo, SrTiO3) 6703 un material fotoactivo (por ejemplo, FAPbb) 6704, una primera capa de transporte de carga (por ejemplo, P3HT) 6705, y una segunda capa de transporte de carga (por ejemplo, MoOx) 6706.
La figura 20 es un diagrama estilizado de un dispositivo de material de perovskita 6800 de acuerdo con algunas realizaciones. Aunque varios componentes del dispositivo 6800 se ilustran como capas discretas que comprenden material contiguo, debe entenderse que la figura 16 es un diagrama estilizado; por lo tanto, las realizaciones de acuerdo con el mismo pueden incluir tales capas discretas, y/o capas no contiguas sustancialmente entremezcladas, de acuerdo con el uso de "capas" descrito anteriormente en el presente documento. El dispositivo 6800 incluye un sustrato (por ejemplo, Vidrio) 6801. Un primer electrodo (por ejemplo, ITO) 6802 está dispuesto sobre una superficie interior del sustrato 6801, y un segundo electrodo (por ejemplo, Al) 6811 está dispuesto sobre una capa activa 6850 que está intercalado entre los dos electrodos 6802 y 6811. La capa activa 6850 incluye una IFL compuesta que comprende una primera IFL (por ejemplo, AbO3) 6803, una segunda IFL (por ejemplo, ZnO) 6804, una tercera IFL (por ejemplo, AbO3) 6805, una cuarta IFL (por ejemplo, ZnO) 6806 y una quinta IFL (por ejemplo, AbO3) 6807, un material fotoactivo (por ejemplo, FAPbb) 6808, una primera capa de transporte de carga (por ejemplo, P3HT) 6809, y una segunda capa de transporte de carga (por ejemplo, MoOx) 6810.
Material de perovskita
Se puede incorporar un material de perovskita en uno o más aspectos de un PV u otro dispositivo. Un material de perovskita de acuerdo con algunas realizaciones puede ser de la fórmula general CMX3, donde: C comprende uno o más cationes (por ejemplo, una amina, amonio, un metal del Grupo 1, un metal del Grupo 2 y/u otros cationes o compuestos de tipo catiónico); M comprende uno o más metales (los ejemplos que incluyen Fe, Co, Ni, Cu, Sn, Pb, Bi, Ge, Ti y Zr); y X comprende uno o más aniones. En algunas realizaciones, C puede incluir uno o más cationes orgánicos.
En ciertas realizaciones, C puede incluir un amonio, un catión orgánico de fórmula general [NR4] donde los grupos R pueden ser iguales o diferentes. Grupos R adecuados incluyen, pero no se limitan a: metilo, etilo, propilo, butilo, grupo pentilo o isómero del mismo; cualquier alcano, alqueno o alquino CxHy, donde x = 1 - 20, y = 1 - 42, cadena cíclica, ramificada o lineal; haluros de alquilo, CxHyXz, x = 1 - 20, y = 0 - 42, z= 1 - 42, X = F, Cl, Br, o I; cualquier grupo aromático (por ejemplo, fenilo, alquilfenilo, alcoxifenilo, piridina, naftaleno); complejos cíclicos donde al menos un nitrógeno está contenido dentro del anillo (por ejemplo, piridina, pirrol, pirrolidina, piperidina, tetrahidroquinolina); cualquier grupo que contenga azufre (por ejemplo, sulfóxido, tiol, sulfuro de alquilo); cualquier grupo que contenga nitrógeno (nitróxido, amina); cualquier grupo que contenga fósforo (fosfato); cualquier grupo que contenga boro (por ejemplo, ácido borónico); cualquier ácido orgánico (por ejemplo, ácido acético, ácido propanoico); y derivados de éster o amida de los mismos; cualquier aminoácido (por ejemplo, glicina, cisteína, prolina, ácido glutamico, arginina, serina, histindina, ácido 5-amoniovalérico) incluyendo alfa, beta, gamma y derivados mayores; cualquier grupo que contenga silicio (por ejemplo, siloxano); y cualquier alcoxi o grupo, -OCxHy, donde x = 0 - 20, y = 1 - 42.
En ciertas realizaciones, C puede incluir un formamidinio, un catión orgánico de fórmula general [R2NCRNR2]+ donde los grupos R pueden ser grupos iguales o diferentes. Grupos R adecuados incluyen, pero no se limitan a: hidrógeno, metilo, etilo, propilo, butilo, grupo pentilo o isómero del mismo; cualquier alcano, alqueno o alquino CxHy, donde x = 1 - 20, y = 1 - 42, cadena cíclica, ramificada o lineal; haluros de alquilo, CxHyXz, x = 1 - 20, y = 0 - 42, z= 1 - 42, X = F, Cl, Br, o I; cualquier grupo aromático (por ejemplo, fenilo, alquilfenilo, alcoxifenilo, piridina, naftaleno); complejos cíclicos donde al menos un nitrógeno está contenido dentro del anillo (por ejemplo, imidazol, bencimidazol, dihidropirimidina, (azolidinilidenmetil)pirrolidina, triazol); cualquier grupo que contenga azufre (por ejemplo, sulfóxido, tiol, sulfuro de alquilo); cualquier grupo que contenga nitrógeno (nitróxido, amina); cualquier grupo que contenga fósforo (fosfato); cualquier grupo que contenga boro (por ejemplo, ácido borónico); cualquier ácido orgánico (ácido acético, ácido propanoico) y sus derivados éster o amida; cualquier aminoácido (por ejemplo, glicina, cisteína, prolina, ácido glutamico, arginina, serina, histindina, ácido 5-amoniovalérico) incluyendo alfa, beta, gamma y derivados mayores; cualquier grupo que contenga silicio (por ejemplo, siloxano); y cualquier alcoxi o grupo, - OCxHy, donde x = 0 - 20, y = 1 - 42.
Figure imgf000012_0001
Fórmula 1
La fórmula 1 ilustra la estructura de un catión de formamidinio que tiene la fórmula general de [R2NCRNR2]+ como se describió anteriormente. La fórmula 2 ilustra ejemplos de estructuras de varios cationes de formamidinio que pueden servir como catión "C" en un material de perovskita.
Figure imgf000012_0002
En ciertas realizaciones, C puede incluir un guanidinio, un catión orgánico de fórmula general [(R2N)2C=NR2]+ donde los grupos R pueden ser grupos iguales o diferentes. Grupos R adecuados incluyen, pero no se limitan a: hidrógeno, metilo, etilo, propilo, butilo, grupo pentilo o isómero del mismo; cualquier alcano, alqueno o alquino CxHy, donde x = 1 - 20, y = 1 - 42, cadena cíclica, ramificada o lineal; haluros de alquilo, CxHyXz, x = 1 - 20, y = 0 - 42, z= 1 - 42, X = F, Cl, Br, o I; algún grupo aromático (por ejemplo, fenilo, alquilfenilo, alcoxifenilo, piridina, naftaleno); complejos cíclicos donde al menos un nitrógeno está contenido dentro del anillo (por ejemplo, octahidropirimido [1,2-a] pirimidina, pirimido [1,2-a] pirimidina, hexahidroimidazo [1,2-a] imidazol, hexahidropirimidin-2-imina); cualquier grupo que contenga azufre (por ejemplo, sulfóxido, tiol, sulfuro de alquilo); cualquier grupo que contenga nitrógeno (nitróxido, amina); cualquier grupo que contenga fósforo (fosfato); cualquier grupo que contenga boro (por ejemplo, ácido borónico); cualquier ácido orgánico (ácido acético, ácido propanoico) y sus derivados éster o amida; cualquier aminoácido (por ejemplo, glicina, cisteína, prolina, ácido glutamico, arginina, serina, histindina, ácido 5-amoniovalérico) incluyendo alfa, beta, gamma y derivados mayores; cualquier grupo que contenga silicio (por ejemplo, siloxano); y cualquier alcoxi o grupo, -OCxHy, donde x = 0 - 20, y = 1 - 42.
Figure imgf000013_0001
La fórmula 3 ilustra la estructura de un catión de guanidinio que tiene la fórmula general de [(R2N)2C=NR2]+ como se describió anteriormente. La fórmula 4 ilustra ejemplos de estructuras de varios cationes de guanidinio que pueden servir como catión "C" en un material de perovskita.
Figure imgf000013_0002
En ciertas realizaciones, C puede incluir un catión de eteno tetramina, un catión orgánico de fórmula general [(R2N)2C=C(NR2)2]+ donde los grupos R pueden ser grupos iguales o diferentes. Grupos R adecuados incluyen, pero no se limitan a: hidrógeno, metilo, etilo, propilo, butilo, grupo pentilo o isómero del mismo; cualquier alcano, alqueno o alquino CxHy, donde x = 1 - 20, y = 1 - 42, cadena cíclica, ramificada o lineal; haluros de alquilo, CxHyXz, x = 1 - 20, y = 0 - 42, z= 1 - 42, X = F, Cl, Br, o I; cualquier grupo aromático (por ejemplo, fenilo, alquilfenilo, alcoxifenilo, piridina, naftaleno); complejos cíclicos donde al menos un nitrógeno está contenido dentro del anillo (por ejemplo, 2-hexahidropirimidina-2-ilidenhexahidropirimidina, octahidropirazino [2,3-b] pirazina, pirazino [2,3-b] pirazina, quinoxalino [2,3-b] quinoxalina); cualquier grupo que contenga azufre (por ejemplo, sulfóxido, tiol, sulfuro de alquilo); cualquier grupo que contenga nitrógeno (nitróxido, amina); cualquier grupo que contenga fósforo (fosfato); cualquier grupo que contenga boro (por ejemplo, ácido borónico); cualquier ácido orgánico (ácido acético, ácido propanoico) y sus derivados éster o amida; cualquier aminoácido (por ejemplo, glicina, cisteína, prolina, ácido glutamico, arginina, serina, histindina, ácido 5-amoniovalérico) incluyendo alfa, beta, gamma y derivados mayores; cualquier grupo que contenga silicio (por ejemplo, siloxano); y cualquier alcoxi o grupo, -OCxHy, donde x = 0 - 20, y = 1 - 42.
Figure imgf000014_0001
La fórmula 5 ilustra la estructura de un catión de eteno de tetramina que tiene la fórmula general de [(R2N)2C=C(NR2)2]+ como se describió anteriormente. La fórmula 6 ilustra ejemplos de estructuras de varios iones de eteno tetramina que pueden servir como catión "C" en un material de perovskita.
2-hexahidropirimidina-2-ilidenhexahidropirimidina
Figure imgf000014_0002
1,2,3,4,5,6,7,8-octahidropirazino [2, 3-b] pirazina
Figure imgf000014_0003
quinoxalino [2, 3-b] quinoxalina
Fórmula 6
En ciertas realizaciones, C puede incluir un catión de imidazolio, un catión aromático, orgánico cíclico de fórmula general [CRNRCRNRCR]+ donde los grupos R pueden ser iguales o diferentes. Los grupos R adecuados pueden incluir, pero no se limitan a: hidrógeno, metilo, etilo, propilo, butilo, grupo pentilo o isómero del mismo; cualquier alcano, alqueno o alquino CxHy, donde x = 1 - 20, y = 1 - 42, cadena cíclica, ramificada o lineal; haluros de alquilo, CxHyXz, x = 1 - 20, y = 0 - 42, z= 1 - 42, X = F, Cl, Br, o I; cualquier grupo aromático (por ejemplo, fenilo, alquilfenilo, alcoxifenilo, piridina, naftaleno); complejos cíclicos donde al menos un nitrógeno está contenido dentro del anillo (por ejemplo, 2-hexahidropirimidina-2-ilidenhexahidropirimidina, octahidropirazino [2,3-b] pirazina, pirazino [2,3-b] pirazina, quinoxalino [2,3-b] quinoxalina); cualquier grupo que contenga azufre (por ejemplo, sulfóxido, tiol, sulfuro de alquilo); cualquier grupo que contenga nitrógeno (nitróxido, amina); cualquier grupo que contenga fósforo (fosfato); cualquier grupo que contenga boro (por ejemplo, ácido borónico); cualquier ácido orgánico (ácido acético, ácido propanoico) y sus derivados éster o amida; cualquier aminoácido (por ejemplo, glicina, cisteína, prolina, ácido glutamico, arginina, serina, histindina, ácido 5-amoniovalérico) incluyendo alfa, beta, gamma y derivados mayores; cualquier grupo que contenga silicio (por ejemplo, siloxano); y cualquier alcoxi o grupo, -OCxHy, donde x = 0 - 20, y = 1 - 42.
Figure imgf000015_0001
En algunas realizaciones, X puede incluir uno o más haluros. En ciertas realizaciones, X puede incluir en su lugar o además un anión del Grupo 16. En ciertas realizaciones, el anión del Grupo 16 puede ser sulfuro o seleniuro. En ciertas realizaciones, X puede incluir en su lugar o además uno o más pseudohaluros (por ejemplo, cianuro, cianato, isocianato, fulminato, tiocianato, isotiocianato, azida, tetracarbonilcobaltato, carbamoildicianometanida, dicianonitrosometanuro, dicianamida y tricianometanida). En algunas realizaciones, cada catión orgánico C puede ser más grande que cada metal M, y cada anión X puede ser capaz de unirse tanto con un catión C como con un metal M. Ejemplos de materiales de perovskita de acuerdo con varias realizaciones incluyen CsSnb (descrito anteriormente en el presente documento) y CsXSnyb (con x, y, y z variando de acuerdo con la descripción anterior). Otros ejemplos incluyen compuestos de fórmula general CsSnX3, donde X puede ser uno o más de: I3, I2,95F0,05; hCl; ICb; y Cb. En otras realizaciones, X puede comprender uno cualquiera o más de I, Cl, F y Br en cantidades tales que la relación total de X en comparación con Cs y Sn da como resultado la estequiometría general de CsSnX3. En algunas realizaciones, la estequiometría combinada de los elementos que constituyen X puede seguir las mismas reglas que Iz como se discutió anteriormente con respecto a CsXSnyIz. Otros ejemplos más incluyen compuestos de fórmula general RNH3PbX3, donde R puede ser CnH2n+1, con n en el intervalo desde 0-10, y X puede incluir uno cualquiera o más de F, Cl, Br, e I en cantidades tales que la proporción total de X en comparación con el catión RNH3 y el metal Pb da como resultado la estequiometría general de RNH3PbX3. Además, algunos ejemplos específicos de R incluyen H, cadenas de alquilo (por ejemplo, CH3, CH3CH2, CH3CH2CH2, etc.) y aminoácidos (por ejemplo, glicina, cisteína, prolina, ácido glutamico, arginina, serina, histindina, ácido 5-amoniovalérico) incluyendo alfa, beta, gamma y derivadas mayores.
Diseño del dispositivo de material compuesto de perovskita
En algunas realizaciones, la presente divulgación puede proporcionar un diseño compuesto de PV y otros dispositivos similares (por ejemplo, baterías, baterías PV híbridas, FET, LED, ópticas no lineales (NLO), guías de ondas, etc.) que incluyen uno o más materiales de perovskita. Por ejemplo, uno o más materiales de perovskita pueden servir como uno o ambos del primer y segundo material activo de algunas realizaciones (por ejemplo, los materiales activos 2810 y 2815 de la figura 5). En términos más generales, algunas realizaciones de la presente divulgación proporcionan PV u otros dispositivos que tienen una capa activa que comprende uno o más materiales de perovskita. En tales realizaciones, material de perovskita (es decir, material que incluye uno o más materiales de perovskita) puede emplearse en capas activas de diversas arquitecturas. Adicionalmente, el material de perovskita puede cumplir la función o funciones de uno o más componentes de una capa activa (por ejemplo, material de transporte de carga, material mesoporoso, material fotoactivo y/o material interfacial, cada uno de los cuales se describe a continuación en mayor detalle). En algunas realizaciones, los mismos materiales de perovskita pueden tener múltiples de tales funciones, aunque en otras realizaciones, se puede incluir una pluralidad de materiales de perovskita en un dispositivo, sirviendo cada material de perovskita con una o más de tales funciones. En ciertas realizaciones, cualquier función que pueda cumplir un material de perovskita, puede estar preparado y/o presente en un dispositivo en varios estados. Por ejemplo, puede ser sustancialmente sólido en algunas realizaciones. En otras realizaciones, puede ser una solución (por ejemplo, el material de perovskita puede estar disuelto en líquido y presente en dicho líquido en su subespecie iónica individual); o puede ser una suspensión (por ejemplo, de partículas de material de perovskita). Una solución o suspensión puede recubrirse o depositarse de otro modo dentro de un dispositivo (por ejemplo, en otro componente del dispositivo, tal como mesoporoso, interfacial, transporte de carga, fotoactivo, u otra capa, y/o sobre un electrodo). Los materiales de perovskita en algunas realizaciones pueden formarse in situ sobre una superficie de otro componente de un dispositivo (por ejemplo, por deposición de vapor como un sólido de película delgada). Puede emplearse cualquier otro medio adecuado para formar una capa sólida o líquida que comprenda material de perovskita.
En general, un dispositivo de material de perovskita puede incluir un primer electrodo, un segundo electrodo y una capa activa que comprende un material de perovskita, la capa activa dispuesta al menos parcialmente entre el primer y segundo electrodos. En algunas realizaciones, el primer electrodo puede ser uno de un ánodo y un cátodo, y el segundo electrodo puede ser el otro de un ánodo y un cátodo. Una capa activa de acuerdo con determinadas realizaciones puede incluir uno o más componentes de capa activa, incluyendo uno o más de: material de transporte de carga; electrolito líquido; material mesoporoso; material fotoactivo (por ejemplo, un tinte, silicio, telururo de cadmio, sulfuro de cadmio, selenuro de cadmio, seleniuro de cobre, indio, galio, arseniuro de galio, fosfuro de germanio e indio, polímeros semiconductores, otros materiales fotoactivos)); y material interfacial. Cualquiera o más de estos componentes de la capa activa puede incluir uno o más materiales de perovskita. En algunas realizaciones, algunos o todos los componentes de la capa activa pueden estar dispuestos total o parcialmente en subcapas. Por ejemplo, la capa activa puede comprender uno o más de: una capa interfacial que incluye material interfacial; una capa mesoporosa que incluye material mesoporoso; y una capa de transporte de carga que incluye material de transporte de carga. En algunas realizaciones, el material fotoactivo, tal como un tinte, puede recubrirse o eliminarse de otro modo en, una cualquiera o más de estas capas. En ciertas realizaciones, una o más capas pueden recubrirse con un electrolito líquido. Además, se puede incluir una capa interfacial entre dos o más capas cualesquiera de una capa activa de acuerdo con algunas realizaciones, y/o entre una capa y un revestimiento (tal como entre un tinte y una capa mesoporosa), y/o entre dos revestimientos (tal como entre un electrolito líquido y un tinte), y/o entre un componente de la capa activa y un electrodo. La referencia a las capas en el presente documento puede incluir una disposición final (por ejemplo, porciones sustancialmente discretas de cada material definibles por separado dentro del dispositivo), y/o la referencia a una capa puede significar la disposición durante la construcción de un dispositivo, sin perjuicio de la posibilidad de una posterior mezcla de material(es) en cada capa. En algunas realizaciones, las capas pueden ser discretas y comprender material sustancialmente contiguo (por ejemplo, las capas pueden ser como se ilustra estilísticamente en la figura 1). En otras realizaciones, las capas pueden estar sustancialmente entremezcladas (como en el caso de, por ejemplo, BHJ, híbrido y algunas celdas DSSC), un ejemplo del cual se muestra mediante el primer y segundo material activo 2618 y 2620 dentro de la capa fotoactiva 2616 en la figura 4. En algunas realizaciones, un dispositivo puede comprender una mezcla de estos dos tipos de capas, tal como se también muestra mediante el dispositivo de la figura 4, que contiene capas contiguas discretas 2627, 2626, y 2622, además de una capa fotoactiva 2616 que comprende capas entremezcladas de primer y segundo material activo 2618 y 2620. En cualquier caso, dos o más capas cualesquiera de cualquier tipo pueden en determinadas realizaciones estar dispuestas adyacentes entre sí (y/o entremezcladas entre sí) de tal manera que se logre un área de superficie de alto contacto. En ciertas realizaciones, una capa que comprende material de perovskita puede disponerse adyacente a una o más de otras capas para lograr un área de superficie de alto contacto (por ejemplo, donde un material de perovskita exhibe baja movilidad de carga). En otras realizaciones, puede que no sea necesaria una gran superficie de contacto (por ejemplo, donde un material de perovskita exhibe una alta movilidad de carga).
Un dispositivo de material de perovskita de acuerdo con algunas realizaciones puede incluir opcionalmente uno o más sustratos. En algunas realizaciones, uno o ambos del primer y segundo electrodo pueden revestirse o disponerse de otro modo sobre un sustrato, de manera que el electrodo esté dispuesto sustancialmente entre un sustrato y la capa activa. Los materiales de composición de los dispositivos (por ejemplo, sustrato, electrodo, capa activa y/o componentes de la capa activa) pueden ser total o parcialmente rígidos o flexibles en diversas realizaciones. En algunas realizaciones, un electrodo puede actuar como un sustrato, negando así la necesidad de un sustrato separado.
Adicionalmente, un dispositivo de material de perovskita de acuerdo con ciertas realizaciones puede incluir opcionalmente material de captación de luz (por ejemplo, en una capa de captación de luz, tal como la capa de captación de luz 1601 como se muestra en el ejemplo de PV representado en la figura 2). Además, un dispositivo de material de perovskita puede incluir uno o más aditivos, tal como uno o más de los aditivos discutidos anteriormente con respecto a algunas realizaciones de la presente divulgación.
La descripción de algunos de los diversos materiales que pueden incluirse en un dispositivo de material de perovskita se hará en parte con referencia a la figura 7. La figura 7 es un diagrama estilizado de un dispositivo de material de perovskita 3900 de acuerdo con algunas realizaciones. Aunque varios componentes del dispositivo 3900 se ilustran como capas discretas que comprenden material contiguo, debe entenderse que la figura 7 es un diagrama estilizado; por lo tanto, las realizaciones de acuerdo con el mismo pueden incluir tales capas discretas, y/o capas no contiguas sustancialmente entremezcladas, de acuerdo con el uso de "capas" descrito anteriormente en el presente documento.
El dispositivo 3900 incluye un primer y segundo sustratos 3901 y 3913. Un primer electrodo 3902 está dispuesto sobre una superficie interior del primer sustrato 3901, y un segundo electrodo 3912 está dispuesto sobre una superficie interior del segundo sustrato 3913. Una capa activa 3950 está intercalada entre los dos electrodos 3902 y 3912. La capa activa 3950 incluye una capa mesoporosa 3904; un primer y segundo materiales fotoactivos 3906 y 3908; una capa de transporte de carga 3910 y varias capas interfaciales. La figura 7 ilustra además un dispositivo 3900 de ejemplo de acuerdo con realizaciones en las que las subcapas de la capa activa 3950 están separados por las capas interfaciales, y además en el que las capas interfaciales están dispuestas sobre cada electrodo 3902 y 3912. En particular, la segunda, tercera y cuarta capas interfaciales 3905, 3907 y 3909 están dispuestos respectivamente entre cada una de la capa mesoporosa 3904, primer material fotoactivo 3906, segundo material fotoactivo 3908 y capa de transporte de carga 3910. La primera y quinta capas interfaciales 3903 y 3911 están dispuestas respectivamente entre (i) el primer electrodo 3902 y la capa mesoporosa 3904; y (ii) la capa de transporte de carga 3910 y el segundo electrodo 3912. Por lo tanto, la arquitectura del dispositivo de ejemplo representado en la figura 7 puede caracterizarse como: sustrato-electrodo-capa activa-electrodo-sustrato. La arquitectura de la capa activa 3950 puede caracterizarse como: capa interfacial-capa mesoporosa-capa interfacial-material fotoactivo-capa interfacial-material fotoactivo-capa interfacial-capa de transporte de carga-capa interfacial. Como se ha observado anteriormente, en algunas realizaciones, no es necesario que estén presentes capas interfaciales; o, una o más capas interfaciales pueden incluirse solo entre ciertos, pero no todos, los componentes de una capa activa y/o componentes de un dispositivo.
Un sustrato, tal como uno o ambos del primer y segundo sustratos 3901 y 3913, puede ser flexible o rígido. Si se incluyen dos sustratos, al menos uno debe ser transparente o translúcido a la radiación electromagnética (EM) (tal como, por ejemplo, UV, visible o radiación IR). Si se incluye un sustrato, puede ser igualmente transparente o translúcido, aunque no tiene por qué serlo, siempre que una parte del dispositivo permita que la radiación EM entre en contacto con la capa activa 3950. Materiales de sustrato adecuados incluyen uno o más de: vidrio; zafiro; óxido de magnesio (MgO); mica; polímeros (por ejemplo, PET, PEG, polipropileno, polietileno, etc.); cerámicas; tejidos (por ejemplo, algodón, seda, lana); madera; panel de yeso; metal; y combinaciones de los mismos.
Como se ha indicado antes, un electrodo (por ejemplo, uno de los electrodos 3902 y 3912 de la figura 7) puede ser un ánodo o un cátodo. En algunas realizaciones, un electrodo puede funcionar como un cátodo, y el otro puede funcionar como un ánodo. Uno o ambos electrodos 3902 y 3912 pueden estar acoplados a conductores, cables, alambres u otros medios que permitan el transporte de carga hacia y/o desde el dispositivo 3900. Un electrodo puede constituir cualquier material conductor, y al menos un electrodo debe ser transparente o translúcido a la radiación EM, y/o estar dispuesto de manera que permita que la radiación EM entre en contacto con al menos una parte de la capa activa 3950. Materiales de electrodo adecuados pueden incluir uno o más de: óxido de indio y estaño u óxido de indio dopado con estaño (ITO); óxido de estaño dopado con flúor (FTO); óxido de cadmio (CdO); óxido de indio y estaño y zinc (ZITO); óxido de aluminio y zinc (AZO); aluminio (Al); oro (Au); calcio (Ca); magnesio (Mg); titanio (Ti); acero; carbono (y sus alótropos); y combinaciones de los mismos.
El material mesoporoso (por ejemplo, el material incluido en la capa mesoporosa 3904 de la figura 7) puede incluir cualquier material que contenga poros. En algunas realizaciones, los poros pueden tener diámetros comprendidos entre aproximadamente 1 y aproximadamente 100 nm; en otras realizaciones, el diámetro de los poros puede oscilar entre aproximadamente 2 y aproximadamente 50 nm. El material mesoporoso adecuado incluye uno o más de: cualquier material interfacial y/o material mesoporoso descrito en otra parte en el presente documento; aluminio (Al); bismuto (Bi); indio (In); molibdeno (Mo); niobio (Nb); níquel (Ni); silicio (Si); titanio (Ti); vanadio (V); zinc (Zn); circonio (Zr); un óxido de uno o más de los metales anteriores (por ejemplo, alúmina, ceria, titania, óxido de cinc, circona, etc.); un sulfuro de uno cualquiera o más de los metales anteriores; un nitruro de uno cualquiera o más de los metales anteriores; y combinaciones de los mismos.
El material fotoactivo (por ejemplo, primer o segundo material fotoactivo 3906 o 3908 de la figura 7) puede comprender cualquier compuesto fotoactivo, tal como uno o más de silicio (en algunos casos, silicio monocristalino), telururo de cadmio, sulfuro de cadmio, selenuro de cadmio, seleniuro de cobre, indio, galio, arseniuro de galio, fosfuro de germanio e indio, uno o más polímeros semiconductores y combinaciones de los mismos. En ciertas realizaciones, el material fotoactivo puede comprender en su lugar o además un tinte (por ejemplo, N719, N3, otros tintes a base de rutenio). En algunas realizaciones, un tinte (de cualquier composición) se puede aplicar sobre otra capa (por ejemplo, una capa mesoporosa y/o una capa interfacial). En algunas realizaciones, el material fotoactivo puede incluir uno o más materiales de perovskita. La sustancia fotoactiva que contiene material de perovskita puede estar en forma sólida, o en algunas realizaciones puede tomar la forma de un tinte que incluye una suspensión o solución que comprende material de perovskita. Dicha solución o suspensión puede recubrirse sobre otros componentes del dispositivo de una manera similar a otros tintes. En algunas realizaciones, el material sólido que contiene perovskita puede depositarse por cualquier medio adecuado (por ejemplo, deposición de vapor, deposición de solución, colocación directa de material sólido, etc.). Los dispositivos de acuerdo con varias realizaciones pueden incluir uno, dos, tres o más compuestos fotoactivos (por ejemplo, uno, dos, tres o más materiales de perovskita, tintes, o combinaciones de los mismos). En ciertas realizaciones que incluyen múltiples tintes u otros materiales fotoactivos, cada uno de los dos o más tintes u otros materiales fotoactivos pueden estar separados por una o más capas interfaciales. En algunas realizaciones, múltiples tintes y/o compuestos fotoactivos pueden estar al menos en parte entremezclados.
El material de transporte de carga (por ejemplo, material de transporte de carga de la capa de transporte de carga 3910 en la figura 7) puede incluir material de transporte de carga de estado sólido (es decir, un electrolito de estado sólido marcado coloquialmente), o puede incluir un electrolito líquido y/o líquido iónico. Cualquiera del electrolito líquido, líquido iónico y material de transporte de carga de estado sólido puede denominarse como material de transporte de carga. Como se usa en el presente documento, "material de transporte de carga" se refiere a cualquier material, sólido, líquido, o de otro modo, capaz de recoger portadores de carga y/o transportar portadores de carga. Por ejemplo, en dispositivos PV de acuerdo con algunas realizaciones, un material de transporte de carga puede ser capaz de transportar portadores de carga a un electrodo. Los portadores de carga pueden incluir huecos (el transporte de los cuales podría hacer que el material de transporte de carga esté debidamente etiquetado como "material de transporte con huecos") y electrones. Los huecos se pueden transportar hacia un ánodo y los electrones hacia un cátodo, dependiendo de la colocación del material de transporte de carga en relación con un cátodo o un ánodo en un PV u otro dispositivo. Ejemplos adecuados de material de transporte de carga de acuerdo con algunas realizaciones pueden incluir uno o más de: material de perovskita; I-/I3-; complejos de Co; politiofenos (por ejemplo, poli(3-hexiltiofeno) y derivados del mismo, o P3HT); copolímeros a base de carbazol tales como poliheptadecanilcarbazol ditienilbenzotiadiazol y derivados de los mismos (por ejemplo, PCDTBT); otros copolímeros tales como policiclopentaditiofeno-benzotiadiazol y derivados de los mismos (por ejemplo, PCPDTBT), polibenzoditiofenil tienotiofenodiilo y derivados del mismo (por ejemplo, PTB6, PTB7, PTB7-ésimo, PCE-10); compuestos de poli(triaril amina) y derivados de los mismos (por ejemplo, PTAA); Espiro-OMeTAD; polifenilenvinilenos y derivados de los mismos (por ejemplo, MDMO-PPV, Me H-PpV); fullerenos y/o derivados de fullereno (por ejemplo, C60, PCBM); y combinaciones de los mismos. En ciertas realizaciones, el material de transporte de carga puede incluir cualquier material, sólido o líquido, capaz de recoger portadores de carga (electrones u huecos) y/o capaz de transportar portadores de carga. Por lo tanto, el material de transporte de carga de algunas realizaciones puede ser material activo y/o semiconductor de tipo N o P. El material de transporte de carga puede disponerse próximo a uno de los electrodos de un dispositivo. En algunas realizaciones, puede estar dispuesto junto a un electrodo, aunque en otras realizaciones se puede disponer una capa interfacial entre el material de transporte de carga y un electrodo (como se muestra, por ejemplo, en la figura 7 con la quinta capa interfacial 3911). En ciertas realizaciones, el tipo de material de transporte de carga puede seleccionarse basándose en el electrodo al que está próximo. Por ejemplo, si el material de transporte de carga acumula y/o transporta huecos, puede estar próximo a un ánodo para transportar huecos al ánodo. Sin embargo, en cambio, el material de transporte de carga puede colocarse cerca de un cátodo y seleccionarse o construirse para transportar electrones al cátodo.
Como se ha indicado antes, los dispositivos de acuerdo con varias realizaciones pueden incluir opcionalmente una capa interfacial entre otras dos capas y/o materiales, aunque los dispositivos de acuerdo con algunas realizaciones no necesitan contener ninguna capa interfacial. Por lo tanto, por ejemplo, un dispositivo de material de perovskita puede contener cero, uno, dos, tres, cuatro, cinco o más capas interfaciales (tal como el dispositivo de ejemplo de la figura 7, que contiene cinco capas interfaciales 3903, 3905, 3907, 3909, y 3911). Una capa interfacial puede incluir una capa interfacial de capa fina de acuerdo con las realizaciones descritas anteriormente en el presente documento (por ejemplo, que comprende alúmina y/u otras partículas de óxido metálico, y/o una bicapa de titania/óxido metálico y/u otros compuestos de acuerdo con capas interfaciales de capa fina como se describe en otra parte del presente documento). Una capa interfacial de acuerdo con algunas realizaciones puede incluir cualquier material adecuado para mejorar el transporte y/o la recogida de carga entre dos capas o materiales; también puede ayudar a prevenir o reducir la probabilidad de recombinación de cargas una vez que una carga ha sido transportada lejos de uno de los materiales adyacentes a la capa interfacial. Materiales interfaciales adecuados pueden incluir uno o más de: cualquier material mesoporoso y/o material interfacial descrito en otra parte del presente documento; Al; Bi; Co; Cu; Fe; In; Mn; Mo; Ni; platino (Pt); Si; Sn; Ta; Ti; V; W; Nb; Zn; Zr; óxidos de cualquiera de los metales anteriores (por ejemplo, alúmina, sílice, titania); un sulfuro de cualquiera de los metales anteriores; un nitruro de cualquiera de los metales anteriores; grupos alquil sililo funcionalizados o no funcionalizados; grafito; grafeno; fullerenos; nanotubos de carbono; y combinaciones de los mismos (incluyendo, en algunas realizaciones, bicapas de materiales combinados). En algunas realizaciones, una capa interfacial puede incluir material de perovskita.
Un dispositivo de acuerdo con la representación estilizada de la figura 7 puede ser en algunas realizaciones un PV, tal como un DSSC, BHJ o celda solar híbrida. En algunas realizaciones, dispositivos de acuerdo con la figura 7 pueden constituir PV multicelulares en paralelo o en serie, baterías, baterías Pv híbridas, FET, LED y/o cualquier otro dispositivo descrito en el presente documento. Por ejemplo, un BHJ de algunas realizaciones puede incluir dos electrodos correspondientes a electrodos 3902 y 3912, y una capa activa que comprende al menos dos materiales en una interfaz de heterounión (por ejemplo, dos de los materiales y/o capas de capa activa 3950). En ciertas realizaciones, otros dispositivos (tales como baterías PV híbridas, PV de varias celdas en paralelo o en serie, etc.) pueden comprender una capa activa que incluye un material de perovskita, correspondiente a la capa activa 3950 de la figura 7. En resumen, la naturaleza estilizada de la representación del dispositivo de ejemplo de la figura 7 no debe limitar en modo alguno la estructura o arquitectura permisible de dispositivos de diversas realizaciones de acuerdo con la figura 7.
Se describirán realizaciones de ejemplo adicionales, más específicas, de dispositivos de perovskita en términos de representaciones estilizadas adicionales de dispositivos de ejemplo. La naturaleza estilizada de estas representaciones, figuras 8-18, de manera similar, no pretende restringir el tipo de dispositivo que, en algunas realizaciones, puede construirse de acuerdo con una o más de las figuras 8-18. Es decir, las arquitecturas expuestas en las figuras 8-18 pueden adaptarse para proporcionar los BHJ, baterías, FET, baterías PV híbridas, PV en serie de múltiples celdas, PV de míltiples celdas paralelas y otros dispositivos similares de otras realizaciones de la presente divulgación, de acuerdo con cualquier medio adecuado (incluyendo los que se describen expresamente en otra parte del presente documento y otros medios adecuados, que resultará evidente para los expertos en la técnica con el beneficio de esta divulgación).
La figura 8 representa un dispositivo 4100 de ejemplo de acuerdo con varias realizaciones. El dispositivo 4100 ilustra realizaciones que incluyen un primer y segundo sustratos de vidrio 4101 y 4109. Cada sustrato de vidrio tiene un electrodo de FTO dispuesto sobre su superficie interna (primer electrodo 4102 y segundo electrodo 4108, respectivamente), y cada electrodo tiene una capa interfacial depositada sobre su superficie interna: La primera capa interfacial 4103 de TiO2 se deposita sobre el primer electrodo 4102 y la segunda capa interfacial 4107 de Pt se deposita sobre el segundo electrodo 4108. Intercaladas entre las dos capas interfaciales hay: una capa mesoporosa 4104 (que comprende TO 2); material fotoactivo 4105 (que comprende el material de perovskita de MAPbb); y una capa de transporte de carga 4106 (aquí comprende CsSnb).
La figura 9 representa un dispositivo 4300 de ejemplo que omite una capa mesoporosa. El dispositivo 4300 incluye un compuesto fotoactivo de material de perovskita 4304 (que comprende MAPbb) intercalado entre la primera y la segunda capa interfacial 4303 y 4305 (que comprende titania y alúmina, respectivamente). La capa interfacial de titania 4303 se recubre sobre un primer electrodo de FTO 4302, que a su vez está dispuesto sobre una superficie interior de un sustrato de vidrio 4301. La capa de transporte de carga espiro-OMeTAD 4306 se recubre sobre una capa interfacial de alúmina 4305 y dispuesto en una superficie interior de un segundo electrodo de oro 4307.
Como resultará evidente para los expertos en la técnica con el beneficio de esta divulgación, son posibles otras diversas realizaciones, tal como un dispositivo con múltiples capas fotoactivas (ejemplificado por capas fotoactivas 3906 y 3908 del dispositivo de ejemplo de la figura 7). En algunas realizaciones, como se ha analizado anteriormente, cada capa fotoactiva puede estar separada por una capa interfacial (como se muestra en la tercera capa interfacial 3907 en la figura 7). Adicionalmente, se puede disponer una capa mesoporosa sobre un electrodo tal como se ilustra en la figura 7 por capa mesoporosa 3904 que se dispone sobre el primer electrodo 3902. Aunque la figura 7 representa una capa interfacial intermedia 3903 dispuesta entre los dos, en algunas realizaciones, puede disponerse una capa mesoporosa directamente sobre un electrodo.
Ejemplos adicionales de dispositivos de material de perovskita
Otros ejemplos de arquitecturas de dispositivos de material de perovskita serán evidentes para los expertos en la técnica con el beneficio de esta divulgación. Los ejemplos se incluyen, pero no se limitan a, dispositivos que contienen capas activas que tienen cualquiera de las siguientes arquitecturas: (1) electrolito líquido-material de perovskita-capa mesoporosa; (2) material de perovskita-tinte-capa mesoporosa; (3) primer material de perovskita-segundo material de perovskita-capa mesoporosa; (4) primer material de perovskita-segundo material de perovskita; (5) primer material de perovskita-tinte-segundo material de perovskita; (6) material de transporte de carga de estado sólido-material de perovskita; (7) material de transporte de carga en estado sólido-tinte-material de perovskita-capa mesoporosa; (8) material de transporte de carga de estado sólido-material de perovskita-colorante-capa mesoporosa; (9) material de transporte de carga en estado sólido-tinte-material de perovskita-capa mesoporosa; y (10) material de transporte de carga en estado sólido-material de perovskita-colorante-capa mesoporosa. Los componentes individuales de cada arquitectura de ejemplo (por ejemplo, capa mesoporosa, material de transporte de carga, etc.) pueden estar de acuerdo con la descripción anterior para cada componente. Adicionalmente, cada arquitectura de ejemplo se describe a continuación en mayor detalle.
Como ejemplo particular de algunas de las capas activas antes mencionadas, en algunas realizaciones, una capa activa puede incluir un electrolito líquido, material de perovskita y una capa mesoporosa. La capa activa de algunas de estas realizaciones puede tener sustancialmente la arquitectura: electrolito líquido-material de perovskita-capa mesoporosa. Cualquier electrolito líquido puede ser adecuado; y cualquier capa mesoporosa (por ejemplo, TiO2) puede ser adecuada. En algunas realizaciones, el material de perovskita puede depositarse sobre la capa mesoporosa y, a continuación, recubrirse con el electrolito líquido. El material de perovskita de algunas de estas realizaciones puede actuar al menos en parte como un tinte (por lo tanto, puede ser fotoactivo).
En otras realizaciones ejemplares, una capa activa puede incluir material de perovskita, un tinte y una capa mesoporosa. La capa activa de algunas de estas realizaciones puede tener sustancialmente la arquitectura: material de perovskita-colorante-capa mesoporosa. El tinte puede recubrirse sobre la capa mesoporosa y el material de perovskita puede disponerse sobre la capa mesoporosa recubierta de tinte. El material de perovskita puede funcionar como material de transporte de huecos en algunas de estas realizaciones.
En todavía otras realizaciones de ejemplo, una capa activa puede incluir un primer material de perovskita, un segundo material de perovskita y una capa mesoporosa. La capa activa de algunas de estas realizaciones puede tener sustancialmente la arquitectura: primer material de perovskita-segundo material de perovskita-capa mesoporosa. El primer y segundo material de perovskita pueden comprender cada uno el mismo o los mismos materiales de perovskita o pueden comprender diferentes materiales de perovskita. Cualquiera del primer y segundo materiales de perovskita pueden ser fotoactivos (por ejemplo, un primer y/o segundo material de perovskita de tales realizaciones puede funcionar al menos en parte como un tinte).
En determinadas realizaciones ejemplares, una capa activa puede incluir un primer material de perovskita y un segundo material de perovskita. La capa activa de algunas de estas realizaciones puede tener sustancialmente la arquitectura: primer material de perovskita-segundo material de perovskita. El primer y segundo materiales de perovskita pueden comprender cada uno el mismo o los mismos materiales de perovskita o pueden comprender diferentes materiales de perovskita. Cualquiera del primer y segundo materiales de perovskita pueden ser fotoactivos (por ejemplo, un primer y/o segundo material de perovskita de tales realizaciones puede funcionar al menos en parte como un tinte). Además, cualquiera del primer y segundo materiales de perovskita puede ser capaz de funcionar como material de transporte de huecos. En algunas realizaciones, uno del primer y segundo materiales de perovskita funciona como un material de transporte de electrones, y el otro del primer y segundo materiales de perovskita funciona como un tinte. En algunas realizaciones, el primer y segundo material de perovskita pueden disponerse dentro de la capa activa de una manera que logre un área interfacial alta entre el primer material de perovskita y el segundo material de perovskita, tal como en la disposición mostrada para el primer y segundo material activo 2810 y 2815, respectivamente, en la figura 5 (o como se muestra de manera similar por material de tipo p y n 2618 y 2620, respectivamente, en la figura 4).
En otras realizaciones de ejemplo, una capa activa puede incluir un primer material de perovskita, un tinte y un segundo material de perovskita. La capa activa de algunas de estas realizaciones puede tener sustancialmente la arquitectura: primer material de perovskita-tinte-segundo material de perovskita. Cualquiera del primer y segundo materiales de perovskita puede funcionar como material de transporte de carga, y el otro del primer y segundo materiales de perovskita puede funcionar como un tinte. En algunas realizaciones, tanto el primer como el segundo material de perovskita pueden servir al menos en parte funciones superpuestas, similares, y/o idénticas (por ejemplo, ambos pueden servir como tinte y/o ambos pueden servir como material de transporte de huecos).
En algunas otras realizaciones de ejemplo, una capa activa puede incluir un material de transporte de carga en estado sólido y un material de perovskita. La capa activa de algunas de estas realizaciones puede tener sustancialmente la arquitectura: material de transporte de carga de estado sólido-material de perovskita. Por ejemplo, el material de perovskita y el material de transporte de carga de estado sólido pueden disponerse dentro de la capa activa de una manera que logre un área interfacial alta, tal como en la disposición mostrada para el primer y segundo material activo 2810 y 2815, respectivamente, en la figura 5 (o como se muestra de manera similar por material de tipo p y n 2618 y 2620, respectivamente, en la figura 4).
En otras realizaciones ejemplares, una capa activa puede incluir un material de transporte de carga de estado sólido, un tinte, material de perovskita y una capa mesoporosa. La capa activa de algunas de estas realizaciones puede tener sustancialmente la arquitectura: material de transporte de carga en estado sólido-tinte-material de perovskita-capa mesoporosa. La capa activa de algunas otras de estas realizaciones puede tener sustancialmente la arquitectura: material de transporte de carga en estado sólido-material de perovskita-colorante-capa mesoporosa. En algunas realizaciones, el material de perovskita puede servir como un segundo tinte. En tales realizaciones, el material de perovskita puede aumentar la amplitud del espectro de luz visible absorbida por un PV u otro dispositivo que incluya una capa activa de tales realizaciones. En ciertas realizaciones, el material de perovskita puede servir también o en su lugar como capa interfacial entre el tinte y la capa mesoporosa, y/o entre el tinte y el material de transporte de carga.
En algunas realizaciones de ejemplo, una capa activa puede incluir un electrolito líquido, un tinte, un material de perovskita y una capa mesoporosa. La capa activa de algunas de estas realizaciones puede tener sustancialmente la arquitectura: material de transporte de carga en estado sólido-tinte-material de perovskita-capa mesoporosa. La capa activa de algunas otras de estas realizaciones puede tener sustancialmente la arquitectura: material de transporte de carga en estado sólido-material de perovskita-colorante-capa mesoporosa. El material de perovskita puede servir como material fotoactivo, una capa interfacial, y/o una combinación de los mismos.
Algunas realizaciones proporcionan dispositivos PV BHJ que incluyen materiales de perovskita. Por ejemplo, un BHJ de algunas realizaciones puede incluir una capa fotoactiva (por ejemplo, la capa fotoactiva 2404 de la figura 3), que puede incluir uno o más materiales de perovskita. La capa fotoactiva de tal BHJ también puede incluir o en su lugar uno cualquiera o más de los componentes de ejemplo enumerados anteriormente descritos anteriormente con respecto a las capas activas de DSSC. Además, en algunas realizaciones, la capa fotoactiva de BHJ puede tener una arquitectura de acuerdo con cualquiera de las realizaciones de ejemplo de capas activas de DSSC descritas anteriormente.
En algunas realizaciones, cualquiera de las capas activas, incluyendo materiales de perovskita incorporados en PV u otros dispositivos, como se describe en el presente documento, puede incluir además cualquiera de los diversos materiales adicionales también descritos en el presente documento como adecuados para su inclusión en una capa activa. Por ejemplo, cualquier capa activa que incluya material de perovskita puede incluir además una capa interfacial de acuerdo con varias realizaciones descritas en el presente documento (tales como, por ejemplo, una capa interfacial de capa fina). A modo de ejemplo adicional, una capa activa que incluye material de perovskita puede incluir además una capa de captación de luz, tal como la capa de captación de luz 1601 como se muestra en el ejemplo de PV representado en la figura 2.
Formulación de la capa activa de material de perovskita
Como se ha descrito anteriormente, en algunas realizaciones, un material de perovskita en la capa activa puede tener la formulación CMX3-yX'y (0 > y > 3), donde: C comprende uno o más cationes (por ejemplo, una amina, amonio, un metal del Grupo 1, un metal del Grupo 2, formamidinio, guanidinio, etenetramina y/u otros cationes o compuestos de tipo catiónico); M comprende uno o más metales (por ejemplo, Fe, Cd, Co, Ni, Cu, Hg, Sn, Pb, Bi, Ge, Ti, Zn y Zr); y X y X' comprenden uno o más aniones. En una realización, el material de perovskita puede comprender CPbb-y y Cly. En ciertas realizaciones, el material de perovskita puede depositarse como una capa activa en un dispositivo fotovoltaico mediante, por ejemplo, fundición por caída, fundición giratoria, impresión de troquelado, serigrafía o impresión por chorro de tinta sobre una capa de sustrato utilizando las etapas descritas a continuación.
En primer lugar, se forma una tinta precursora de haluro de plomo. Se puede acumular una cantidad de haluro de plomo en un vial limpio y seco dentro de una guantera (es decir, una caja de atmósfera controlada con ojos de buey que contienen guantes permite la manipulación de materiales en un entorno sin aire). Haluros de plomo adecuados incluyen, pero no se limitan a, yoduro de plomo (II), bromuro de plomo (II), cloruro de plomo (II) y fluoruro de plomo (II). El haluro de plomo puede comprender una única especie de haluro de plomo o puede comprender una mezcla de haluro de plomo en una proporción precisa. En ciertas realizaciones, la mezcla de haluro de plomo puede comprender cualquier relación binaria, ternaria o cuaternaria de 0,001-100 % molar de yoduro, bromuro, cloruro o fluoruro. En una realización, la mezcla de haluro de plomo puede comprender cloruro de plomo (II) y yoduro de plomo (II) en una relación de aproximadamente 10:90 mol:mol. En otras realizaciones, la mezcla de haluro de plomo puede comprender cloruro de plomo (II) y yoduro de plomo (II) en una proporción de aproximadamente 5:95, aproximadamente 7,5:92,5, o aproximadamente 15:85 mol:mol.
Como alternativa, se pueden usar otros precursores de sal de plomo junto con o en lugar de sales de haluro de plomo para formar el tinte precursor. Las sales precursoras adecuadas pueden comprender cualquier combinación de plomo (II) o plomo (IV) y los siguientes aniones: nitrato, nitrito, carboxilato, acetato, acetonato de acetonilo, formato, oxilato, sulfato, sulfito, tiosulfato, fosfato, tetrafluoroborato, hexafluorofosfato, tetra(perfluorofenil) borato, hidruro, óxido, peróxido, hidróxido, nitruro, arseniato, arsenito, perclorato, carbonato, bicarbonato, cromato, dicromato, yodato, bromato, clorato, clorito, hipoclorito, hipobromito, cianuro, cianato, isocianato, fulminato, tiocianato, isotiocianato, azida, tetracarbonilcobaltato, carbamoildicianometanida, dicianonitrosometanuro, dicianamida, tricianometanuro, amida y permanganato.
El tinte precursor puede comprender además una sal de plomo (II) o de plomo (IV) en relaciones molares de 0 a 100 % con respecto a los siguientes iones metálicos Fe, Cd, Co, Ni, Cu, Hg, Sn, Pb, Bi, Ge, Ti, Zn y Zr como una sal de los aniones antes mencionados.
A continuación, puede añadirse un solvente al vial para disolver los sólidos de plomo y formar el tinte precursor de haluro de plomo. Solventes adecuados incluyen, pero no se limitan a, N-ciclohexil-2-pirrolidona seca, alquil-2-pirrolidona, dimetilformamida, dialquil-formamida, dimetilsulfóxido (DMSO), metanol, etanol, propanol, butanol, tetrahidrofurano, formamida, ferf-butilpiridina, piridina, alquilpiridina, pirrolidina, clorobenceno, diclorobenceno, diclorometano, cloroformo, y combinaciones de los mismos. En una realización, los sólidos de plomo se disuelven en dimetilformamida seca (DMF). Los sólidos de plomo se pueden disolver a una temperatura entre aproximadamente 20 °C y aproximadamente 150 °C. En una realización, los sólidos de plomo se disuelven a aproximadamente 85 °C. Los sólidos de plomo pueden disolverse durante el tiempo que sea necesario para formar una solución, que puede tener lugar durante un período de tiempo de hasta aproximadamente 72 horas. La solución resultante forma la base del tinte precursor de haluro de plomo. En algunas realizaciones, el tinte precursor de haluro de plomo puede tener una concentración de haluro de plomo entre aproximadamente 0,001 M y aproximadamente 10 M. En una realización, el tinte precursor de haluro de plomo tiene una concentración de haluro de plomo de aproximadamente 1 M.
Opcionalmente, se pueden añadir ciertos aditivos al tinte precursor de haluro de plomo para afectar la cristalinidad y la estabilidad finales de la perovskita. En algunas realizaciones, el tinte precursor de haluro de plomo puede comprender además un aminoácido (por ejemplo, ácido 5-aminovalérico, histidina, glicina, licina), un clorhidrato de aminoácido (por ejemplo, hidrocloruro de ácido 5-aminovalérico), un agente modificador de superficie IFL (SAM) (tal como los descritos anteriormente en la memoria descriptiva), o una combinación de los mismos. En una realización, puede añadirse cloruro de formamidinio al tinte precursor de haluro de plomo. En otras realizaciones, puede usarse el haluro de cualquier catión descrito anteriormente en la memoria descriptiva. En algunas realizaciones, se pueden agregar combinaciones de aditivos al tinte precursor de haluro de plomo que incluyen, por ejemplo, la combinación de cloruro de formamidinio y clorhidrato de ácido 5-aminovalérico.
A modo de explicación, y sin limitar la divulgación a ninguna teoría particular del mecanismo, se ha descubierto que el formamidinio y el ácido 5-aminovalérico mejoran la estabilidad del dispositivo PV de perovskita cuando se utilizan como aditivos o contracationes en la fabricación de un dispositivo de perovskita de una sola etapa. También se ha encontrado que el cloruro, en la forma de PbCb, mejora el rendimiento del dispositivo PV de perovskita cuando se agrega a una solución precursora de Pbh en un método de dos etapas. Se ha encontrado que el proceso de deposición de película delgada de perovskita en dos etapas puede mejorarse agregando cloruro de formamidinio y/o clorhidrato de ácido 5-amino valérico directamente a una solución precursora de haluro de plomo (por ejemplo, Pbb) para aprovechar ambas ventajas con un solo material. Otros procesos de deposición de películas de perovskita también pueden mejorarse mediante la adición de cloruro de formamidinio, Clorhidrato de ácido 5-amino valérico o PbCl2 a una solución precursora de haluro de plomo.
Los aditivos, que incluyen cloruro de formamidinio y/o clorhidrato de ácido 5-aminovalérico, pueden añadirse a la tinta precursora de haluro de plomo a diversas concentraciones dependiendo de las características deseadas del material de perovskita resultante. En una realización, los aditivos se pueden añadir en una concentración de aproximadamente 1 nM a aproximadamente 1 M. En otra realización, los aditivos pueden añadirse en una concentración de aproximadamente 1 pM a aproximadamente 1 M. En otra realización, los aditivos pueden añadirse en una concentración de aproximadamente 1 pM a aproximadamente 1 mM.
Opcionalmente, en ciertas realizaciones, se puede añadir agua al tinte precursor de haluro de plomo. A modo de explicación, y sin limitar la divulgación a ninguna teoría o mecanismo en particular, la presencia de agua afecta el crecimiento cristalino de película delgada de perovskita. Bajo circunstancias normales, el agua puede absorberse como vapor del aire. Sin embargo, es posible controlar la cristalinidad del PV de perovskita mediante la adición directa de agua a la tinta precursora de haluro de plomo en concentraciones específicas. El agua adecuada incluye destilada, agua desionizada o cualquier otra fuente de agua que esté sustancialmente libre de contaminantes (incluyendo minerales). Se ha encontrado, basado en barridos I-V de luz, que la eficiencia de conversión de luz a energía de perovskita fotovoltaica puede casi triplicarse con la adición de agua en comparación con un dispositivo completamente seco.
El agua se puede añadir al tinte precursor de haluro de plomo en concentraciones diferentes dependiendo de las características deseadas del material de perovskita resultante. En una realización, el agua se puede añadir en una concentración de aproximadamente 1 nL/ml a aproximadamente 1 ml/ml. En otra realización, el agua se puede añadir en una concentración de aproximadamente 1 pl/ml a aproximadamente 0,1 ml/ml. En otra realización, el agua se puede añadir en una concentración de aproximadamente 1 pl/ml a aproximadamente 20 pl/ml.
La figura 12 muestra imágenes desde un microscopio de electrones de exploración de sección transversal que compara un PV de perovskita fabricado con agua (5110) y sin agua (parte 5120). Como se puede ver en la figura 12, hay un cambio estructural considerable en la capa de material de perovskita (5111 y 5121) cuando se excluye el agua (parte inferior) durante la fabricación, en comparación con cuando se incluye agua (parte superior). La capa de material de perovskita 5111 (fabricada con agua) es considerablemente más contigua y densa que la capa de material de perovskita 5121 (fabricada sin agua).
El tinte precursor de haluro de plomo se puede depositar luego sobre el sustrato deseado. Las capas de sustrato adecuadas pueden incluir cualquiera de las capas de sustrato identificadas anteriormente en esta divulgación. Como se ha indicado anteriormente, el tinte precursor de haluro de plomo se puede depositar a través de una variedad de medios, incluyendo, pero sin limitarse a, fundición por caída, fundición giratoria, impresión de troquelado, serigrafía o impresión por chorro de tinta. En ciertas realizaciones, el tintea precursor de haluro de plomo puede recubrirse por centrifugación sobre el sustrato a una velocidad de aproximadamente 500 rpm a aproximadamente 10.000 rpm durante un período de tiempo de aproximadamente 5 segundos a aproximadamente 600 segundos. En una realización, el tinte precursor de haluro de plomo se puede aplicar mediante centrifugación sobre el sustrato a aproximadamente 3000 rpm durante aproximadamente 30 segundos. El tinte precursor de haluro de plomo puede depositarse sobre el sustrato en una atmósfera ambiente en un intervalo de humedad de aproximadamente 0 % de humedad relativa a aproximadamente 50 % de humedad relativa. El tinte precursor de haluro de plomo puede entonces dejarse secar en una atmósfera sustancialmente libre de agua, es decir, menos del 20 % de humedad relativa, para formar una película delgada.
La película delgada puede entonces recocerse térmicamente durante un período de tiempo de hasta aproximadamente 24 horas a una temperatura de aproximadamente 20 °C a aproximadamente 300 °C. En una realización, la película delgada se puede recocer térmicamente durante aproximadamente diez minutos a una temperatura de aproximadamente 50 °C. La capa activa de material de perovskita puede completarse mediante un proceso de conversión en el que la película precursora se sumerge o se enjuaga con una solución que comprende un solvente o una mezcla de solventes (por ejemplo, DMF, isopropanol, metanol, etanol, butanol, cloroformo clorobenceno, dimetilsulfóxido, agua) y sal (por ejemplo, yoduro de metilamonio, yoduro de formamidinio, yoduro de guanidinio, yoduro de 1,2,2-triaminovinilamonio, hidroyoduro de ácido 5-aminovalérico) en una concentración entre 0,001 M y 10 M. En ciertas realizaciones, las películas delgadas también pueden ser recocidas térmicamente de la misma manera que en la primera línea de este párrafo.
En algunas realizaciones, se puede depositar un precursor de sal de plomo sobre un sustrato para formar una película delgada de sal de plomo. El sustrato puede tener una temperatura aproximadamente igual a la temperatura ambiente o tener una temperatura controlada entre 0 y 500 °C. El precursor de la sal de plomo se puede depositar mediante una variedad de métodos conocidos en la técnica, incluyendo, pero sin limitación, a recubrimiento por rotación, impresión de troquelado, impresión por chorro de tinta, impresión en huecograbado, impresión de pantalla, pulverización catódica, PE-CVD, evaporación térmica o revestimiento por pulverización. El precursor de la sal de plomo puede ser un líquido, un gas o un sólido. En algunas realizaciones, el precursor de la sal de plomo puede ser una solución que contenga uno o más solventes. Por ejemplo, el precursor de la sal de plomo puede contener uno o más de N-ciclohexil-2-pirrolidona, alquil-2-pirrolidona, dimetilformamida, dialquilformamida, dimetilsulfóxido (DMSO), metanol, etanol, propanol, butanol, tetrahidrofurano, formamida, ferf-butilpiridina, piridina, alquilpiridina, pirrolidina, clorobenceno, diclorobenceno, diclorometano, cloroformo, y combinaciones de los mismos. El precursor de la sal de plomo puede comprender una sola sal de plomo (por ejemplo, yoduro de plomo (II), tiocianato de plomo (II)) o cualquier combinación de los descritos en el presente documento (por ejemplo, Pbb PbCb; Pbb Pb(SCN)2). El precursor de la sal de plomo también puede contener uno o más aditivos como un aminoácido (por ejemplo, hidroyoduro de ácido 5-aminovalérico), 1,8-diyodooctano, 1,8-ditiooctano, haluro de formamidinio, ácido acético, ácido trifluoroacético, un haluro de metilamonio o agua. El tinte precursor de haluro de plomo puede dejarse secar en una atmósfera sustancialmente libre de agua, es decir, menos del 20 % de humedad relativa, para formar una película delgada. La película delgada puede entonces recocerse térmicamente durante un período de tiempo de hasta aproximadamente 24 horas a una temperatura de aproximadamente 20 °C a aproximadamente 300 °C.
Una vez depositado el precursor de la sal de plomo, un segundo precursor de sal (por ejemplo, yoduro de formamidinio, tiocianato de formamidinio o tiocianato de guanidinio) se puede depositar sobre la película delgada de sal de plomo, donde la película delgada de sal de plomo puede tener una temperatura aproximadamente igual a la temperatura ambiente o tener una temperatura controlada entre 0 y 500 °C. El segundo precursor de sal puede depositarse a temperatura ambiente o a temperatura elevada entre aproximadamente 25 °C y 125 °C. El segundo precursor de sal puede depositarse mediante una variedad de métodos conocidos en la técnica, incluyendo, pero sin limitación, a recubrimiento por rotación, impresión de troquelado, impresión por chorro de tinta, impresión en huecograbado, impresión de pantalla, pulverización catódica, PE-CVD, evaporación térmica o revestimiento por pulverización. En algunas realizaciones, el segundo precursor de sal puede ser una solución que contiene uno o más solventes. Por ejemplo, el segundo precursor de sal puede contener uno o más de N-ciclohexil-2-pirrolidona seca, alquil-2-pirrolidona, dimetilformamida, dialquilformamida, dimetilsulfóxido (DMSO), metanol, etanol, propanol, butanol, tetrahidrofurano, formamida, ferf-butilpiridina, piridina, alquilpiridina, pirrolidina, clorobenceno, diclorobenceno, diclorometano, cloroformo, y combinaciones de los mismos.
Después de la deposición del precursor de la sal de plomo y del segundo precursor de la sal, el sustrato puede estar recocido. El recocido del sustrato puede convertir el precursor de la sal de plomo y el segundo precursor de la sal en un material de perovskita, (por ejemplo, FAPbb, GAPb(SCN)3, FASnb). El recocido se puede realizar en una variedad de atmósferas a presión ambiente (por ejemplo, aproximadamente una atmósfera, dependiendo de la elevación y las condiciones atmosféricas) o a presiones inferiores a la atmosférica o ambiental (por ejemplo, 1 mTorr a 500 mTorr). Una atmósfera de recocido puede comprender aire ambiente, un ambiente de humedad controlada (por ejemplo, 0­ 100 g FbO/m3 de aire), argón puro, nitrógeno puro, oxigeno puro, hidrógeno puro, helio puro, neón puro, criptón puro, CO2 puro o cualquier combinación de los gases anteriores. Un entorno de humedad controlada puede incluir un entorno en el que la humedad absoluta o el % de humedad relativa se mantiene en un valor fijo, o en el que la humedad absoluta o el % de humedad relativa varía según puntos de ajuste predeterminados o una función predeterminada. En realizaciones concretas, el recocido puede ocurrir en un ambiente de humedad controlada que tenga un % de humedad relativa mayor o igual al 0 % y menor o igual al 50 %. En otras realizaciones, el recocido puede ocurrir en un ambiente de humedad controlada que contenga más o igual a 0 g de FbO/m3 de aire y menor o igual a 20 g FbO/m3 de aire. En algunas realizaciones, el recocido puede ocurrir a una temperatura mayor o igual a 50 °C y menor o igual a 300 °C.
Por ejemplo, en una realización particular, un material de perovskita de FAPbb se puede formar mediante el siguiente proceso. Primero, un precursor de haluro de plomo (II) que comprende una relación molar de aproximadamente 90:10 de PbI2 a PbCb disuelto en DMF anhidro puede depositarse sobre un sustrato mediante revestimiento por rotación o impresión con troquel de ranura. El tinte precursor de haluro de plomo puede dejarse secar en una atmósfera sustancialmente libre de agua, es decir, menos del 20 % de humedad relativa, durante aproximadamente una hora (± 15 minutos) para formar una película delgada. Posteriormente, la película delgada se puede recocer térmicamente durante unos diez minutos a una temperatura de unos 50 °C (±10 °C). En otras realizaciones, el precursor de haluro de plomo puede depositarse mediante impresión por chorro de tinta, impresión en huecograbado, impresión de pantalla, pulverización catódica, PE-CVD, deposición de capa atómica, evaporación térmica o revestimiento por pulverización. A continuación, se puede depositar un precursor de yoduro de formamidinio que comprende una concentración de 25 - 60 mg/ml de yoduro de formamidinio disuelto en alcohol isopropílico anhidro sobre la película delgada de haluro de plomo mediante revestimiento por rotación o impresión con troquel ranurado. En otras realizaciones, el precursor de yoduro de formamidinio puede depositarse mediante impresión por chorro de tinta, impresión en huecograbado, impresión de pantalla, pulverización catódica, PE-CVD, deposición de capa atómica, evaporación térmica o revestimiento por pulverización. Después de depositar el precursor de haluro de plomo y el precursor de yoduro de formamidinio, el sustrato se puede recocer a aproximadamente el 25 % de humedad relativa (aproximadamente 4 a 7 g de FbO/m3 de aire) y entre aproximadamente 125 °C y 200 °C para formar un material de perovskita de yoduro de plomo de formamidinio (FAPbb).
El depósito de la película delgada de haluro de plomo como se describe en el párrafo anterior puede formar una película delgada precursora de plomo que comprende yoduro de plomo (II), cloruro de plomo (II), DMF, agua y oxígeno. La película delgada del precursor de plomo tiene picos de difracción de rayos X a 12,77 ± 0,1 y 30,04 ± 0,1 grados, como se muestra en la figura 21.
El depósito de la película delgada de haluro de plomo y la película delgada de yoduro de formamidinio seguido de un recocido como se describe en el párrafo anterior puede formar un material de perovskita de FAPbb. El material de perovskita de FAPbb formado de la manera descrita anteriormente tiene un patrón de difracción de rayos X con picos, en términos de 20, a 14,06 ± 0,1, 19,84 ± 0,1, 24,30 ± 0,1, 28,15 ± 0,1, 31,55 ± 0,1, 34,63 ± 0,1, 40,30 ± 0,1, 42,78 ± 0,1, 45,48 ± 0,1,49,77 ± 0,1, 51,79 ± 0,1, 58,13 ± 0,1, 58,70 ± 0,1, 62,02 ± 0,1, 65,75 ± 0,1,67,43 ± 0,1 y 72,81 ± 0,1 grados como se ilustra en la figura 23. Estos picos han medido intensidades de 2147, 730, 1712, 2336, 1459, 590, 695, 800, 508, 737, 492, 486, 484, 501, 500, 480 y 450, respectivamente. Estas intensidades no se corrigen de fondo. Estos datos se recopilaron en condiciones ambientales en un Bruker D8 Discovery con una fuente de radiación Cu Kalpha con 5 minutos de tiempo de integración. Estos picos de difracción de rayos X corresponden a una estructura cristalina cúbica como se puede ver en la figura 22. La figura 22 ilustra un patrón de difracción de rayos X simulado para FAPbb cúbico. Como se puede ver, los picos de difracción de rayos X simulados corresponden extremadamente de cerca a los picos de difracción de rayos X medidos para FAPbb producido por el proceso descrito en el presente documento. Este patrón de difracción de rayos X corresponde a FAPbb que tiene una estructura cristalina cúbica primitiva que tiene un grupo espacial Pm-3m y un parámetro de celosía de aproximadamente a = 6,35 A. Concretamente, el patrón de difracción de rayos X medido también incluye picos de difracción correspondientes a los que se esperarían del plomo (Pb) que tiene un grupo espacial Fm-3m. La figura 25 ilustra un patrón de difracción de rayos X de un cable que tiene un grupo espacial Fm-3m. Lejaeghere K., Van Speybroeck V, Van Oost G., Cottenier S., "Error Estimates for Solid-State Density-Functional Theory Predictions: An Overview by Means of the Ground-State Elemental Crystals", Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences 39(1), 1 (2014). Este patrón de difracción de rayos X tiene picos, en términos de 20, aproximadamente a 30, 35, 51 y 61 grados, correspondiente a ciertos picos medidos desde el material de perovskita de FAPbl3. Es probable que este plomo sea el resultado de la descomposición inducida por rayos X del material de perovskita de FAPbb durante la medición de difracción de rayos X.
La figura 24 ilustra la estructura cristalina del material de perovskita de FAPbb cúbico que se forma mediante las etapas descritas anteriormente. La figura 24 ilustra un material de perovskita de FAPbb cúbico que tiene iones FA+ 7801 e iones de yoduro 7802, los iones de yoduro 7802 forman los vértices de los octaedros que están centrados alrededor de iones de plomo (II) (sin etiquetar).

Claims (6)

REIVINDICACIONES
1. Un dispositivo fotovoltaico (6500) que comprende:
un material de perovskita de película delgada que comprende yoduro de plomo de formamidinio (FAPbb) (6504) caracterizado porque el FAPBI3 tiene una estructura cristalina cúbica.
2. El dispositivo fotovoltaico de la reivindicación 1, en el que: el FAPbb (6504) tiene una estructura cristalina primitiva cúbica.
3. El dispositivo fotovoltaico de la reivindicación 1, en el que: el FAPbb (6504) tiene un grupo espacial Pm-3m.
4. El dispositivo fotovoltaico de la reivindicación 1, en el que: el FAPbb (6504) tiene un patrón de difracción de rayos X con picos, en términos de 20, a 14,06 ± 0,1 y 24,30 ± 0,1 grados.
5. El dispositivo fotovoltaico de la reivindicación 1, en el que: el FAPbb (6504) tiene un patrón de difracción de rayos X con picos, en términos de 20, a 14,06 ± 0,1, 19,84 ± 0,1, 24,30 ± 0,1, 28,15 ± 0,1, 31,55 ± 0,1, 34,63 ± 0,1, 40,30 ± 0,1, 42,78 ± 0,1, 45,48 ± 0,1,49,77 ± 0,1,51,79 ± 0,1, 58,13 ± 0,1, 58,70 ± 0,1,62,02 ± 0,1, 65,75 ± 0,1,67,43 ± 0,1 y 72,81 ± 0,1 grados.
6. El dispositivo fotovoltaico de la reivindicación 1, en el que: el FAPbb (6504) tiene un parámetro de celosía, a, igual a aproximadamente 6,35 A.
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