JP2017526821A - 低圧化学気相成長に基づくペロブスカイト膜、その製造システム、製造方法、ソーラーセルおよびled。 - Google Patents

低圧化学気相成長に基づくペロブスカイト膜、その製造システム、製造方法、ソーラーセルおよびled。 Download PDF

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Abstract

ペロブスカイト膜の製造システムであって、CVD炉として使用するためであって、それぞれ第1および第2温度制御ユニットが接続された第1および第2セクションを有するハウジングを含むシステム。第1および第2セクションは、それぞれガスの上流側および下流側に実質的に対応する。1つ以上の基板は第2セクションに配置され、第2温度制御ユニットにより制御され、有機ハライド原料を収納する蒸発ユニットは第1セクションに配置され、第1温度制御ユニットにより制御される。各基板には金属ハライド原料が事前に堆積されている。ハウジングの内部は低圧に真空引きされる。

Description

本発明は、低圧化学気相成長に基づくペロブスカイト膜の製造システムおよび製造方法に関する。
ソーラーセル(太陽光発電セルとも呼ばれる)は、光起電力効果を発揮する半導体を用いることで太陽光エネルギーを電力に直接変換する電気機器である。現在、世界で導入されている容量の点で、ソーラー太陽光発電は、水素および風力に続く、第3の最も重要な再生可能エネルギー源である。こうしたソーラーセルの製造は、太陽放射からの光子を電子−正孔対に変換するpn接合の概念に基づく。商用のソーラーセルに用いられる半導体の例としては、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、テルル化カドミウム、および銅インジウムガリウムジセレニドが挙げられる。商用のセルにおけるソーラーセルのエネルギー変換効率は、現在のところおよそ14−22%と報告されている。
高い変換効率、長期にわたる安定性および低コストな製造はソーラーセルの商業化に必要である。この理由から、ソーラーセルの従来の半導体を置き換える目的のため、広く多様な材料が研究されている。例えば、有機半導体を用いるソーラーセル技術は比較的新しく、これらのセルは液体溶液から製造され得るものであり、潜在的には安価で大規模生産につながる。有機材料に加え、例えば、有機金属ハライドペロブスカイトCHNHPbX、X=Cl,Br,I、またはこれらの組み合わせは、次世代の高変換効率、低コストのソーラー技術の有望な材料として近年浮かび上がってきた。これらの合成ペロブスカイトは、光励起電子および正孔がセル内で熱としてエネルギーを失うことなく、電流として引き抜かれるのに十分に長く移動することを可能にする高い電荷キャリア移動度および寿命を示すことが報告されている。これら合成ペロブスカイトは、溶液処理、真空蒸着技術など有機ソーラーセルに用いられるものと同じ薄膜製造技術を利用して製造することができる。
最近の報告では、材料のこのクラス、すなわち有機金属ハライドペロブスカイトは、光電子デバイスにおける高性能半導体メディアの可能性も有することが指摘されている。特に、ペロブスカイトには強いフォトルミネッセンスの性質を示すものがあることが知られており、このことはこれらの物質を発光ダイオード(LED)への使用の有力な候補にしている。さらに、ペロブスカイトはコヒーレント発光特性、したがって光学的な増幅特性も示し、電気的に駆動されるレーザへの利用に適していることが報告されている。
しかし、現在のところ、既存の製造技術に基づいて優れたストイキオメトリな高度に均一なペロブスカイト膜を得ることは難しい。さらに、これら既存の技術は、バンドギャップエンジニアリング、マルチ接合またはタンデム型セルの製造、ドーピングの制御、ヘテロ構造の製造、および他の高度なソーラーセルおよび光電子的な応用のためのペロブスカイト膜を製造するには、十分に安定ではない。高性能なデバイスの低コストの製造技術へのこれまで高まっているニーズの観点から、ソーラーセル、およびLEDやレーザを含む光電子的な応用に適した極めて均一なペロブスカイト膜を製造するための、新たな製造技術が求められている。
Guichuan Xing et al., Low-temperature solution-processed wavelength-tunable perovskites for lasing. Nature Materials Vol. 13, 476-480 (March, 2014) Zhi-Kuan Tan et al., Bright light-emitting diodes based on organometal halide perovskite. Nature Nanotechnology Vol. 9, 687-692 (September, 2014) Giles E. Eperon et al., Formamidinium lead trihalide: a broadly tunable perovskite for efficient planar heterojunction solar cells. Energy Environ. Sci. 7, 982 - 988 (2014) Qi Chen et al., Planar heterojunction perovskite solar cells via vapor-assisted solution process. J. Am. Chem. Soc.136, 622 - 625 (2014) Qi Chen et al., Planar heterojunction perovskite solar cells via vapor-assisted solution process. Supporting Information, J. Am. Chem. Soc.136, 622 - 625 (2014) Mingzhen Liu et al., Efficient planar heterojunction perovskite solar cells by vapour deposition. Nature Vol. 501, 395-398 (2013) Nam-Gyu Park, Organometal perovskite light absorbers toward a 20% efficiency low-cost solid-state mesoscopic solar cell. J. Phys. Chem. Lett. 4, 2423 - 2429 (2013) Julian Burschka et al., Sequential deposition as a route to high-performance perovskite-sensitized solar cells. Nature Vol. 499, 316 - 320 (July, 2013)
ペロブスカイト膜の製造システムおよび方法が提供され、システムはCVD炉として使用するためであって、それぞれ第1および第2温度制御ユニットが接続された第1および第2セクションを有するハウジングを含む。第1および第2セクションは、それぞれガスの上流側および下流側に実質的に対応する。1つ以上の基板は第2セクションに配置され、第2温度制御ユニットにより制御され、有機ハライド原料を収納する蒸発ユニットは第1セクションに配置され、第1温度制御ユニットにより制御される。各基板には金属ハライド原料が事前に堆積されている。ハウジングの内部は低圧に真空引きされる。有機ハライドガスは、ハウジングの吸気部を通じて導入される不活性ガスにより運ばれ、基板に向けて移動し、金属ハライド原料と反応して、各基板の上にペロブスカイト膜を形成する。
図1は有機金属ハライドペロブスカイト構造のユニットセルを示す(非特許文献3参照)。 図2は実施形態に係るペロブスカイト膜の製造のためのシステム構造の例を示す。 図3は実施形態に係るドープされたペロブスカイト膜の製造のためのシステム構造の例を示す。 図4は本システムおよび本方法に基づくペロブスカイト膜の製造プロセスの例を示す。 図5は本システムおよび本方法に基づくドープされたペロブスカイト膜の製造プロセスの例を示す。 図6は基板の一部としてITOまたはFTOを用いたソーラーセルの製造プロセスの例を示す。 図7は本システムおよび本方法を利用したMAPbICl3−Xペロブスカイト膜を含むソーラーセルの光起電力デバイス特性を表すJ−V曲線のプロットを示す。 図8は本システムおよび本方法を用いて、シリコン基板の上に成長したMAPbICl3−Xペロブスカイト膜の原子間力顕微鏡(AFM)画像を示す写真である。 図9は本システムおよび本方法を用いて成長したMAPbICl3−Xペロブスカイト膜のX線回折スペクトルを示すプロットである。 図10Aおよび図10Bは本システムおよび本方法を用いて成長したMAPbICl3−Xペロブスカイト膜の光学特性の一部を示す。 図11はFA三ハロゲン化鉛ペロブスカイトを含むソーラーセル構造を示す。 図12は本システムおよび本方法を用いたFA三ハロゲン化鉛ペロブスカイト膜を成長させるための構造を示す。 図13はFAI粉末およびペロブスカイト試料のX線回折スペクトルのプロットを示す。 図14は、3つのバッチ、すなわち不飽和、飽和、および過飽和バッチの代表的なJ−V曲線のプロットを示す。 図15はペロブスカイト膜を含んで製造されたLED構造Aを示す。 図16はメソポーラスアルミナを有するペロブスカイトを含んで製造されたLED構造Bを示す。 図17は4つの異なる試料についての、時間の関数としてフォトルミネッセンス強度のプロットを示す。 図18は波長の関数としてエレクトロルミネッセンス強度のプロットを示す。
高性能なデバイスの低コストの製造技術へのこれまで高まってきたニーズの観点から、この文書は、ソーラーセル、およびLEDやレーザを含む光電子光学的な応用のための、高結晶質でほぼ均一なペロブスカイト膜の新たな製造システムおよび製造方法を提供する。低圧化学気相成長(LP−CVD)は、低大気圧において行われる化学気相成長(CVD)の一種である。一般に、前駆ガスは、比較的低い設備コストおよび操作費用を可能にするLP−CVD内の減圧環境を通過する。本製造プロセスは改良された低圧化学気相成長(MLP−CVD)として特徴づけられてもよく、ペロブスカイト膜の成長を最適化するために、CVD管状炉内において、異なる原料物質の温度は独立に制御される。本システムおよび本方法を大規模製造のために拡大することは可能である。ペロブスカイト膜を製造するための原料物質は、PbCl、PbBr、PbI、SnCl、SnBr、SnIなどのハロゲン物質、CHNHCl、CHNHBr、CHNHIなどのメチルアンモニウム(MA=CHNH )化合物を含む。MA化合物に代えて、またはMA化合物とともに、ホルムアミジニウム(FA=HC(NH )化合物を用いることもできる。図1は有機金属ハライドペロブスカイト構造のユニットセルを示す(非特許文献3参照)。これは、一般的なABX構造を有する直方晶系構造であり、そこでは有機元素、MAまたはFAは各サイトAを占め、金属元素、Pb2+、またはSn2+は各サイトBを占め、ハロゲン元素、Cl、IまたはBrは各サイトXを占める。この文書においてAXは、ハロゲン元素Cl、IまたはBrのXアニオンと結合した有機成分MAまたはFAのAカチオンを有する有機ハロゲン化合物を表す。BXはハロゲン元素Cl、IまたはBrのXアニオンと結合した金属元素PbまたはSnのBカチオンを有する金属ハライド化合物を表す。ここでは、AXの実際の元素XおよびBXの実際の元素Xは、それぞれがハロゲングループから選択されたものである限り、同一または異なるものとすることができる。例えば、AXのXはCl、その一方でBXのXはCl、IまたはBrとすることができる。本システムおよび本方法に係る実施例は図面を参照して以下に説明される。
図2は実施形態に係るペロブスカイト膜の製造のためのシステム構造の例を示す。本システムは、堆積の間に低圧で内部において原料を加熱するためのCVD炉として機能するハウジング200を含む。ハウジング200は、第1セクション201および第2セクション202を有するものとみなすことができる。この例におけるハウジング200は略管状を有するが、形状は中空な略円筒、中空な多面体、またはこの例の水平方向に沿って長手方向に長い他の閉じた中空な構造でもよい。ハウジン200は内表面および外表面を有する。ハウジング200は、それぞれガスを導入および排出するための吸気部204および排気部208を有する。図2には示していないが、システムはハウジング208の排気部208に接続された、ハウジング200内を真空引きするためのポンプユニットを含む。堆積の間、ハウジング200内の圧力は、典型的には1Pa以上かつ大気圧(〜10Pa)以下の低圧に制御される。有機ハライド原料物質AXを収納している蒸発ユニット212は、AXガスを発生させるため、ハウジング200の第1セクション201に配置されている。蒸発ユニット212は粉末状のAX化合物を収納する坩堝でもよい。金属ハライド原料物質BX2が事前に堆積された1つ以上の基板216は、ハウジング200の第2セクション202に配置されている。この図では複数の基板216が図示されているが、ハウジングに配置される基板の数は1つ以上でよい。事前に堆積された基板216のそれぞれは、濃度法、真空蒸着技術、化学気相成長技術、または基板上にBXを堆積するために適切な他の方法で形成される。第1温度制御ユニット214および第2温度制御ユニット218は、それぞれ蒸発ユニット212および1つ以上の事前に堆積された基板216に対して設けられる。これらの温度は独立に制御される。AXの第1温度を制御するための第1温度制御ユニット214は第1セクション201に接続され、1つ以上の基板216の第2温度を制御するための第2温度制御ユニット218は第2セクション202に接続される。第1温度制御ユニット214および第2温度制御ユニット218はそれぞれ、フィラメントまたは加熱テープのような第1および第2発熱体を含んでもよい。第1温度は主にAX原料物質の蒸発のために制御され、第2温度は主に堆積の間の基板の温度を制御するために制御される。第1および第2発熱体の持続時間のそれぞれは、予め定められるか、堆積の間に調整されてもよい。温度制御のスキームは、温度の制御のためのプログラムを含んでもよいし、ハウジング200の内部に準備されてもよく、または手動での温度制御のためにハウジング200の外部に準備されてもよい。温度はハウジング200内に設けられた1つ以上の熱電対によりモニタされてもよい。加熱スキームと同じく温度制御およびモニタリングスキームは、成長条件、原料物質および他の要因に依存して様々に設定することができる。膜厚は例えば水晶膜厚計によりモニタされ、表面形状測定器または原子間力顕微鏡を用いて追加で測定されてもよい。
図2の構造では、Ar、Nなどの不活性ガスがハウジング200の吸気部204を通じて導入され、矢印220で示した方向に沿って移動し、それぞれにBXが事前に堆積された1つ以上の基板216に向けて、矢印224で示すようにAXガスを運ぶ。このように、第1セクション201は実質的に上流側のセクションに対応し、第2セクション202は実質的に下流側のセクションに対応する。事前に堆積されたBX膜が第1セクション201からのガスの導入方向に対向するように、1つ以上の基板216が配置される。各基板216の方向および位置は、位置ごとのガス流の方向および速さの変動、および他の関連する要因に応じて調整することができる。基板216のパッキング密度も調整することができる。基板上に堆積するAXの量は、AX粉末を収納する蒸発ユニット212の温度および表面積、堆積の期間、各基板の位置および方向、並びにハウジング200内における複数の基板のパッキング密度など、多くの要因に依存する。これらの要因のすべては成長に影響することができ、最適な成膜を実現するために、本システムおよび本方法において調整されるように構成される。AXガスと事前に堆積されたBX膜との間の化学反応が各基板216の上で生じることで、ペロブスカイト膜が形成される。その後、矢印228で示すように、過剰なAXガスおよび不活性ガスは、排気部208を通じて排出される。AX原料を収納する蒸発ユニット212を、所定の蒸発温度(本方法では150℃と350℃との間の範囲としてもよい)まで加熱するために、第1温度制御ユニット214を用いることができる。事前に堆積されたBX膜を有する1つ以上の基板216を、所定の基板温度(本方法では室温と170℃との間の範囲としてもよい)まで加熱するために、第2温度制御ユニット218を用いることができる。
通常のLP−CVDでは、炉への導入前、原料物質はガス状である。これら2つ以上のガスは互いに反応し、基板表面に堆積し、これにより、基板表面から気相空間に向けて膜が成長する。本システムおよび本方法において、有機ハライド原料AXは、初めは粉末状であり、蒸発ユニット212において気体に変化し、第1セクション210に放出され、不活性ガス流によって運ばれ、第2セクション220の1つ以上の基板216に到達する。金属ハライド原料物質BXは、すでに基板216の上に堆積している。こうして、AXガスは1つ以上の基板216に向けて不活性ガス流により運ばれ、各基板216上に付着し、BXと反応し、各基板216それぞれの上にペロブスカイト化合物を形成する。さらなる反応は、固体相のBX内へのAX分子の拡散により行われる。こうして、成長している膜の体積の漸進的な膨張を伴って、BX膜の表面からBXバルクを通じ基板表面に向けて、成長面は移動する。
本システムおよび本発明に係るペロブスカイト製造のメカニズムは、AX分子の気相拡散およびバルク拡散という二種類の拡散に基づくとみなすことができる。気相の拡散係数Dgは次のように表される。
Figure 2017526821
ここで、Tは気相の温度、Pはハウジング200内の圧力である。拡散係数Dgは圧力Pに逆比例する。本システムおよび本方法では、操作圧力は1Paから1大気圧(〜10Pa)の間で変化させることができる。このため、拡散係数は広範囲にわたって調整され、膜成長の制御に柔軟性をもたらす。その一方、バルクBXの拡散係数Dbは次のように表される。
Figure 2017526821
ここでTは基板温度、kはボルツマン係数、Eaは活性化エネルギーである。バルク拡散係数Dbの上記の表現は、温度Tが高いほど拡散レートが高いことを示す。基板上に事前に堆積された膜は、ペロブスカイトに変換するまで、堆積の間に、以下で表される金属ハライドBXの濃度勾配を有する。
Figure 2017526821
ここでCは金属ハライドBXの濃度、xはBX膜の表面からBXバルクを通じて基板表面に向かう成長方向に沿う座標である。
溶液処理技術およびそのバリエーションがペロブスカイト膜の成長に利用されることが報告されている。一般に溶液処理はペロブスカイト膜の成長の安価な手段を提供するが、成長パラメータは一般的には、ペトリ皿およびその中に収納される原料物質を含む全体の構造を加熱する温度のみに関わる。このため、成長の間に多くの予測できない変化が生じることがあり、再現性および/または品質についての問題を発生させる。溶液処理は一般的にアニーリングを含み、ペロブスカイトへの変換のために最適なアニーリング温度T(anneal)が存在する。成長温度Tが低すぎると、完全な変換を得ることが難しい。一方、成長温度Tが高すぎると、ペロブスカイトは適切に形成されないか、または分解温度T(decomp)で分解するであろう。十分な蒸気圧を供給するために、特定の種類のAXは非常に高い蒸発するための温度を必要とする場合、Tを加える必要がある。いくつかの例では、こうした成長温度Tは最高の形成温度または分解温度でさえも超えるかもしれず、T>T(decomp)となる。この場合、分解のために高品質なペロブスカイト膜は形成されないことがある。
対照的に、本システムおよび本方法は、成膜を最適化するパラメータとして、少なくとも圧力P、蒸発ユニット212内のAX原料物質の蒸発温度T、および事前に堆積された基板216の基板温度Tの制御を含み、相対的に簡単かつ安価なLP−CVD構造に基づいた柔軟性および大規模化の可能性を提供する。ここで、圧力Pは1Paおよび1大気圧(〜10Pa)の間の広範囲から選択することができ、温度TおよびTは異なる2つの原料、すなわちAXおよびBXそれぞれのために独立に制御される。さらに、本システムおよび本方法は、吸気部204を調整し不活性ガス流を制御することよる流速の迅速な制御、および主にAX蒸発の温度Tを調整することによる膜の組成の迅速な制御を提供する。こうした迅速な制御は、堆積レートの調整、および膜質の最適化のために利用することができる。本ペロブスカイト形成は、(i)不活性ガスおよびAXガスの混合気のフローレート、(ii)混合気の中のAXガスの割合、(iii)反応しないBXの上面の上のBXバルクを通じたAX分子のバルク拡散、(iv)体積の膨張を伴うペロブスカイト形成中の機械的性質、並びに(v)基板温度TおよびBXを事前に堆積された各基板の方向、を含むが、これらに限定されない様々な要因に依存する化学反応である。ペロブスカイト形成に関するこうした複雑さの観点から、当業者は、本システムおよび本方法によって与えられるように、再現性および最適化には高度に調整可能なプロセスコントロールが必要であると理解するであろう。
本システムおよび本方法は、ドープされたペロブスカイト膜の製造のために構成することができる。アンドープの(または意図せずにドープされた)ペロブスカイト膜はほとんどがn型であると報告されている。したがって、p型ペロブスカイトの成功した合成は、ペロブスカイトソーラーセル用のpn接合の製造をもたらすことができる。p型ペロブスカイトは一般にD p−doped ABXと表され、ここでDは揮発性のIまたは不揮発性Bi(NO、BiXなどのようなドーパント原料である。こうしたドーパントは、ABX構造に取り込まれるときに、自由正孔を発生させる。ペロブスカイト膜を意図的にnドープするため、n型ドーパント原料Eを使用することができ、ここでE=メチルアンモニウム(MA)、ホルムアミジニウム(FA)、Pb、InXなどである。これらのドーパントは、ABX構造に取り込まれてE n−doped ABXを形成するとき、自由電子を発生させる。
図3は実施形態に係るドープされたペロブスカイト膜の製造のためのシステム構成の例を示す。このシステムは図2に示したものと同一のシステムを含み、さらに、吸気部204に接続された第2蒸発ユニット300を含む。第2蒸発ユニット300の例は、ドーパント原料を収納するためのアンプル304、およびアンプル304を加熱することでドーパントを加熱し、そのガスを発生させる発熱体308を含んでもよい。発熱体308の温度はドーパント原料の蒸発を調整するために制御される。図3に示した第2蒸発ユニット300は、ハウジング200内にドーパントガス流をガイドするための吸気部204に接続されたダクト312をさらに含む。こうして、ハウジング200内において、AXガスが、不活性ガスおよびドーパントガスの混合気の流れにより基板216に向けて輸送され、AXガスおよびドーパントガスが、基板216のそれぞれの上でBXと反応してドープされたペロブスカイト化合物を形成する。ダクト312は、ドーパントガス流およびドーピング濃度の調整のために不活性ガス中のドーパントガス分圧を制御するバルブ316に接続されている。
図4は本システムおよび本方法に基づくペロブスカイト膜の製造プロセスの例を示す。本システムおよび本方法に基づく製造プロセスのいずれにおいても、簡略化、利便性および膜成長の最適な実行のために、いくつかのステップの順番を変更し、組み合わせ、または分割してもよい。図2に示したように、システムは、それぞれガスの導入および排出のための吸気部204および排気部208を有し、CVD炉として使用するハウジング200を含む。ハウジング200は、実質的にそれぞれガスの上流側および下流側に対応する第1セクション201および第2セクション202を有するとみなしてもよい。ステップ404において、1つ以上の基板216が第2セクション202に配置され、1つ以上の基板216は金属ハライド原料BXで事前に堆積されている。各基板の上のBXの事前堆積は、濃度法、真空蒸着技術、化学気相成長技術、または適切な他の方法で形成されてもよい。ステップ408において、有機ハライド原料AXを収納する蒸発ユニット212が第1セクション201に配置される。ステップ412において、ハウジング200の内部を1Pa以上から大気圧(〜10Pa)の間の範囲の低圧に真空引きする。ステップ416において、第2温度Tを第2温度制御ユニット218により制御する。ここで、第2温度Tの制御は1つ以上の基板を加熱することを含む。持続時間は予め定められ、および/または堆積の間に調整されてもよい。ステップ420で、第1温度Tを第1温度制御ユニット214により制御する。ここで、第1温度の制御は、AXを蒸発させてAXガスを発生させるためにAXを加熱することを含む。持続時間は予め定められ、および/または堆積の間に調整されてもよい。ステップ424において、吸気部204を調整して、Ar、Nなどの不活性ガスをハウジング200に導入する。蒸気圧は予め定められ、および/または堆積の間に調整されてもよい。一旦平衡が達成されると、圧力および不活性ガス流は、堆積中を通じて実質的に不変でもよい。有機ハライド原料AXは、初めは粉末状で、蒸発ユニット212においてガスに変化し、第1セクション201に放出される。金属ハライド原料物質BXは各基板216の上に事前に堆積されている。こうして、AXガスは1つ以上の基板216に向けて不活性ガス流により運ばれ、各基板216上に付着し、BXと反応して各基板216の上にペロブスカイト化合物を形成する。さらなる反応は、固体相のBXへのAX分子の拡散により行われる。こうして、成長している膜の体積の漸進的な膨張を伴って、BX膜の表面からBXバルクを通じ基板表面に向けて、成長面は移動する。ステップ428で、BXがペロブスカイト化合物に変換されたときにプロセスは完了する。
後述するように、AXの発熱体を停止した後に、AXで過飽和したペロブスカイト膜を適切な量のAXで飽和したペロブスカイト膜に戻すことができる点で、ペロブスカイト形成のプロセスは可逆である。一般的に、基板上のAXの堆積量を正確に制御することは難しい。この問題を回避するために、可逆性は製造プロセスに有用である。例えば、AXの第1温度を調整するためのステップ420は、(i)蒸発のために所定の持続時間にわたってAXを加熱すること、および(ii)加熱を停止し、AXで過飽和したペロブスカイト膜からAXを脱離させ、これによりAXで過飽和したペロブスカイト膜から適切な量のAXで飽和したペロブスカイト膜へ変換する逆転プロセスを促進すること、を含むように改良されてもよい。この自己制御型の脱離プロセスに基づき、飽和の変動にも関わらず、ペロブスカイトの形成を完了することができる。
図5は本システムおよび本方法に基づくドープされたペロブスカイト膜の製造プロセスの例を示す。図3に戻り、システムは吸気部204に接続された第2蒸発ユニット300をさらに含み、第2蒸発ユニット300はドーパント原料を収納する。ドープされたペロブスカイト膜の製造プロセスは、ステップ424までは、図4に示したようなペロブスカイト膜の製造プロセスと同様である。ステップ424の後、プロセスは図5のステップ504に進み、ここで第2蒸発ユニット300の第3温度Tを制御して、ドーパント原料の蒸発を調整する。ステップ508において、第2蒸発ユニット300のバルブ316は調整され、不活性ガス中のドーパントガスの分圧を制御する。ハウジング200内において、AXガスは不活性ガスおよびドーパントガスの混合気の流れにより基板216まで運ばれ、AXガスおよびドーパントガスはBXと反応して、各基板216の上にドープされたペロブスカイト化合物を形成する。こうして、成長している膜の体積の漸進的な膨張を伴って、BX膜の表面からBXバルクを通じ基板表面に向けて、成長面は移動する。ステップ512で、BXが、ドープされたペロブスカイト化合物に変換されたときにプロセスは完了する。
図4および図5に例を示したような、本システムおよび本方法に基づく製造プロセスのいずれにおいても、簡略化、利便性および膜成長の最適な実行のために、いくつかのステップの順番を変更し、組み合わせ、または分割してもよい。例えば、図4において、蒸発温度Tの制御および基板温度Tの制御は順番を逆にしてもよいし、同時に行ってもよい。他の例では、不活性ガス中のドーパントガスの分圧を制御するための第2蒸発ユニット300のバルブの調整は、ハウジング200内に不活性ガスを導入するための吸気部204の調整と同時に行ってもよい。これらおよび他のバリエーションは、成長条件、原料物質および他の要因に応じて可能である。
基板の材料の例として、TiO緻密層またはZnO薄膜などの電子輸送層(ETL)を有するフッ素ドープ酸化スズ(FTO)ガラス、PEDOT:PSSおよびNiOなどのホール輸送層(HTL)を有する酸化インジウムスズ(ITO)ガラス、またはETLまたはHTLのいずれかを有するポリエチレンテレフタレートなどのフレキシブル基板が挙げられる。ここでPEDOT:PSSはポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)ポリスチレンスルホン酸のことである。
本システムおよび本方法は、ソーラーセルの製造の全プロセスに統合することができる。図6は基板の一部としてITOまたはFTOを用いたソーラーセルの製造プロセスの例を示す。ステップ(A)において、ガラスベース上にITOまたはFTOの層を形成し、さらにITO層またはFTO層上のETLを形成することで基板が準備される。ステップ(b)において、真空蒸着技術、化学気相成長技術または他の適切な方法を用いることで、金属ハライドBX層が基板の上に形成される。ステップ(C)において、図3に示したシステムを用いて本製造プロセスが実行され、BX膜をペロブスカイト膜に変換する。例えば、約70nmの厚さのPbCl膜が基板の上に事前に堆積され、PbCl膜全体へのMAIの取り込みの後、ペロブスカイト膜が約200nmの厚さまで成長することができる。ステップ(D)において、HTLがペロブスカイト膜の上に形成され、金属層がHTL上に設けられ電極を形成する。
本システムおよび本方法を使用することで、MAPbICl3−Xペロブスカイトを含むソーラーセルは、原料物質としてMAIおよびPbClを有して成長した。結果の一部は後述する。
図7は本システムおよび本方法を利用して成長したMAPbICl3−Xペロブスカイト膜を含むソーラーセルの光起電力デバイス特性を表すJ−V曲線のプロットを示す。J−V曲線の測定は、シミュレーションされた100mW/cmのAM1.5G太陽光放射の下で行われた。このプロットは、短絡電流密度(JSC)が19.1mA/cm、無負荷電圧(VOC)は0.93V、および曲線因子(FF)は0.66であることを示している。この試料は約11.8%のパワー変換効率(PCE)を有する。
図8は本システムおよび本方法を用いて、シリコン基板の上に成長したMAPbICl3−Xペロブスカイト膜の原子間力顕微鏡(AFM)画像を示す写真である。40×40μmの走査領域の画像が本来の比率で示されており、すなわちAMF高さが走査領域スケールと同じスケールを有する。AFM画像は、膜の代表的な二乗平均平方根(RMS)粗さが微小とみなされる約18nmであることを示しており、このことは本製造システムおよび本方法により成長したペロブスカイト膜の均一性を示している。
図9は本システムおよび本方法を用いて成長したMAPbICl3−Xペロブスカイト膜のX線回折スペクトルを示すプロットである。このXRDスペクトルは、直方晶構造の(110)および(220)面に対応する14.04°および28.42°にピークを有し、有機金属ハライドペロブスカイトの特性を示している。本プロセスにおいてはアニーリングをしなくとも、ピーク(110)は(220)ピークより大きいことに注意すべきである。(112)、(211)、(202)、(312)、(224)および(314)面に対応する他のピークも同定され、本ペロブスカイト膜の高い結晶性を示している。
図10は本システムおよび本方法を用いて成長したMAPbICl3−Xペロブスカイト膜の光学特性の一部を示す。(A)には蛍光灯を背景とした膜の写真が示されている。この例において、膜を透過する光の色は、裸眼に対してはオレンジ〜赤である。(B)にはペロブスカイト膜の吸光度のプロットが示されている。一般に、合計の光強度は、反射、吸収および透過により決定される。(A)の写真において、色は主に透過によって決定される。反射を無視でき、透過=合計(100%)−吸収と仮定する。これにより、蛍光灯からの照明が白色光、つまりすべての波長について等しい強度であると考えると、写真の色は、合計(100%)−(B)にプロットした吸光度、により表すことができる。これらの光学的なデータは、ペロブスカイト膜が半透明であり、したがってこれらの膜がソーラーウィンドウの有力な候補であることを示している。
プロセスおよび結果の詳細は、本システムおよび本方法を用いた他の例として、ホルムアミジニウム(FA)三ハロゲン化鉛を含むソーラーセルの製造の場合について、プロセスおよび結果の詳細が以下に説明される。
図11はFA三ハロゲン化鉛ペロブスカイトを含むソーラーセル構造を示す。基板は、フッ素ドープ酸化スズガラス(FTO)上のTiO緻密層を形成することで準備された。TiO緻密層は噴霧熱分解によって堆積される。塩化鉛PbClの薄膜は基板の上に形成された。基板上の事前に堆積されたPbClは、本システムおよび本方法を用いたFAIとPbClとの化学反応によってペロブスカイト層FAPbICl3−Xに変換された。その後、ペロブスカイト層は、スピロ−MeOTAD[2,2’,7,7’−テトラキス(N,N−di−p−メトオキシフェニルアミン)−9,9‘−スピロバイフルオレン]からなる正孔輸送層でスピンコートされ、その上面に熱蒸着で形成された金上部接点が形成された。さらなる詳細は以下に説明される。
図12は本システムおよび本方法を用いたFA三ハロゲン化鉛ペロブスカイト膜の成長のための構造を示す。事前に堆積された基板は、TiOのコートされた基板の上に、PbCl粉末を用い、〜2.0×10Pa、約0.1から0.4オングストローム/sの熱蒸着によって、層の厚さ〜100nmまでPbClを堆積することで、準備された。膜厚は、水晶膜厚計によりモニタされ、表面形状測定器または原子間力顕微鏡を用いて追加で測定されてもよい。PbClが事前に堆積された複数の基板は、図12に示すように個々にA−Eをラベルされ、CVD炉の第2ゾーン内に配置され、その一方で第1ゾーンには〜1gの固体FAI粉末を収納している蒸発ユニットが配置された。例示の構造では、BとDとの間の距離は6cmであった。その後、CVD炉は排気され、乾燥した窒素でパージされた。事前に堆積された基板は160℃まで加熱され、それからFAI粉末は180℃まで加熱された。CVD炉の吸気部は調整され、本例ではNガスが導入された。一旦平衡が達成されると、内圧およびNガス流は、堆積中は実質的に不変であった。このように、CVD炉の第1セクションは上流側に対応し、CVD炉の第2セクションは下流側に対応する。通常、基板が〜160℃のときにすべてのFAI吸収が起きる。この温度は、CVD炉内に配置された熱電対により測定され、基板と同様の温度測定を保証する。FAIの合計昇華時間は約30分であり、ここでFAIは〜6−16分間にわたって〜180℃に保持され、上昇および冷却には〜20分を要した。消費されたFAIの量は概して〜50mg以下であった。FAIの温度は160℃以下に冷却されることができ、基板の加熱は停止された。一例では、FAIのフルサチュレーションの下で、膜厚は103±2nm(PbCl)から324±6nm(ペロブスカイト)まで増大した。
これらの成長条件の下、FAI堆積は物質輸送に大きく限定されるように見え、これはPbClからペロブスカイトへの変換レートは気相の中で基板に輸送されるFAIの量に限定されることを意味する。基板に堆積するFAIの量は、FAI蒸発ユニットの温度および表面積、堆積の期間、各基板の位置および方向、並びにCVD炉内における複数の基板のパッキング密度など、多くの要因に依存する。これらの要因のすべては成長に影響することが観測されており、本CVDプロセスにおいて調整されるように構成される。位置への依存性は低温(例えば120℃)でより顕著になり、ここではCVD管状炉の長さに沿った基板が、同一で通常のプロセスを経たにも関わらず、様々な色を発達させる。すべての位置(図12のA−E)における試料は、CVDプロセスが実行できる限り、すべての観測されたフェイズを通過した。管状炉の側壁へのFAIの凝縮の不能性のため、〜145℃より高い温度で改善された均一性が観測された。これにより、昇華温度(〜145℃)以下において、FAI蒸気の急激な濃度勾配の形成が抑制される。これにより、用いられる温度においてプラスチックがその一体性を維持する限り、プラスチック基板の上に堆積を行うことが可能である。より低い温度は温度勾配を必要とすることがあり、濃度勾配を調整する反応レートの勾配を生じさせる。FAI昇華温度より高温において基板が良好であることを確保し、かつ反応および結晶成長レートを最大化するために、すべてのデバイスは〜160℃で成長された。成長はin situでモニタされ、記録された。
CVD成長の間、堆積したFAIの量に依存して、ペロブスカイト膜の3つの可能な相がある。第1に、PbClがほぼヨウ化鉛PbIに変換している。これは、試料が黄色であったこと、PbIXRDの特徴である12.6°にX線回折(XRD)のピークの出現、およびヨウ化物に対する鉛の比率は約2:1のX線光電子分光測定と整合する。
より高いFAI濃度では、膜はペロブスカイトを形成し始め、黄色から黒に変化する。XRDのピークは13.9°、28.0°、および31.5°に観測された。完全な変換に十分なFAIにより、膜は赤色になり、XRDピークは24.4°および40.2°に現れる。これらの5つのピークは、P3ml空間群の三方晶ペロブスカイトの特徴である。この段階では、膜が赤になるとき、可視紫外分光法(UV−vis)スペクトルの〜830±10nm(〜150eV)に非常に明確な吸収エッジがある。
FAIの増加とともに膜は過飽和になる。それは赤から黄色に変化し、また新たな黄色の結晶構造は9.9°、15.7°および29.1°にXRDピークを形成する。さらに多くのFAIの追加は、膜を比較的不透明にし、また18.0°、25.7°、27.0°および30.7°に新たなピークを生成する。これに比較して、XRDで測定されたFAI粉末は、18.5°、25.8°、36.5°および44.4°に際立ったピークを有することが見いだされた。XRDおよびUV−visの結果に基づき、CVDプロセスの間に、ペロブスカイト、デルタ相ペロブスカイトまたはバルクFAIの他に、少なくとも2つの鉛FAIベースの結晶構造を形成することができる。FAIのリッチさは、各試料の位置および向き、並びに試料のパッキング密度(つまり図12のA−E)だけでなく、CVDプロセスの期間にも依存する。
FAI発熱体を停止し、基板を〜160℃に維持するとき、過飽和でイエローフェーズに変換した膜はペロブスカイト相に移行する点で、ペロブスカイト膜の形成プロセスは可逆である。基板上に堆積されたFAIの量を、CVD管の全体の長さにわたって正確に制御するのは難しいため、この可逆性はCVDプロセスを安定かつ大規模化の容易なものとする。自己制御型の脱離プロセスに基づき、飽和の変動にも関わらず、ペロブスカイトの形成が完了する。第4バッチはFAIで過飽和した。この成長は、〜160℃で1時間保持され、FAI発熱体を停止した後にペロブスカイトを不飽和にした。このバッチは11.5±1.0%の平均PCEを有した。0.75Vで実行した定常状態測定は、このバッチの最良のセルで行われ、11.3%のPCEに対応する15mA/cmの電流密度を得た。このように、この場合、逆転/脱離ペロブスカイト膜を使用したデバイスの効率は、飽和膜(すなわち適切な量のFAIのペロブスカイト膜)を使用したものよりもわずかに低いことがわかる。しかし、逆転/脱離ペロブスカイト膜は、適当なデバイス性能を有して再生産可能に成長することができ、これによりこうした逆転/脱離ペロブスカイト膜は特定の産業的な応用に適していると考えられる。
先述のように、この可逆性は製造プロセスにおいて利用できる。図4に示したプロセスに戻ると、AXの第1温度を制御するステップ420は、(i)蒸発のために所定の持続時間にわたってAXを加熱すること、および(ii)AXで過飽和したペロブスカイト膜からAXの脱離を可能とし、これによりAXで過飽和したペロブスカイト膜から適切な量のAXで飽和したペロブスカイト膜へ変換する逆転プロセスを促進させる加熱を停止すること、を含む。
図13はFAI粉末およびペロブスカイト試料のX線回折(XRD)スペクトルのプロットを示す。上から下にかけて、FAI粉末、著しく過飽和した試料、過飽和した試料、および逆転/脱離試料のスペクトルがプロットされている。過飽和した試料は黄色で、9.9°、15.7°および29.1°にXRDピークを有する。FAI粉末は18.5°、25.8°、36.5°および44.4.°に特徴的なXRDピークを有する。著しく過飽和した試料は黄色だが比較的不透明で、18.0°、25.7°、27.0°および30.7°にXRDピークを有する。逆転/脱離ペロブスカイト膜は、FAI発熱体の停止後の期間を含むプロセスにより形成され、色は黒に戻り、ペロブスカイト構造の特徴である13.9°、28.0°および31.5°にXRDピークを有する。
先述のように、低温条件下では、CVD管の長さに沿ったFAI蒸気の濃度勾配が存在する。FAIソースからの距離が増大すると、試料は漸進的により少なく堆積したFAIを有する(図12のEからA)。XPSが行われ、試料Eが試料Aより多くのFAIを有することを確認した。XPSスペクトルから、鉛に対するヨウ素および窒素の相対的な比率を測定することが可能である。試料中のすべての窒素はFAIに起因するため、試料E−AのFAI濃度勾配はXPSの結果により確かめることができる。FAI濃度は、主に異なる相の原因であることが考えられる。
ソーラーセルの5つの代表的なバッチが、それぞれ様々なFAI堆積および加熱時間で製造された。これらのバッチは、ペロブスカイト膜に吸収されるFAIのレベルまたは飽和のレベルの違いを表す。飽和度は成長をin situでモニタリングすることで決定された。第1バッチにおいて、FAI発熱体は短時間〜180℃で保持され、その結果としてこのバッチはFAIでわずかに不飽和であると考えられ、製造されたデバイスは10.5%±0.7%の平均PCEを示した。パッキング密度および方向の役割を検証するため、FTOガラス基板を垂直に配置し、他のCVDプロセスは同一に保った。このバッチは、FAIで著しく不飽和であることに恐らく起因する、より低い7.8%±1.3%の平均PCEを示した。このことは、FAIの堆積が基板をどのように配置するかに依存することを示しており、すなわち密に並べられた基板は、疎に並べられた基板よりもペロブスカイトへの変換に長い時間がかかる。
第3バッチは、色を見て、基板が飽和したように見えたときに加熱を抑制することで制御された。このバッチは完全に飽和したが、黄色には変化せず、13.0%±0.2%の最高バッチ平均PCEを示した。これにより、デバイス性能に最適なレベルのFAI飽和レベルが存在することが確信される。
図14は、3つのバッチ、すなわち不飽和、飽和、および過飽和バッチの代表的なJ−V曲線のプロットを示す。飽和レベルの変化は、PCEに加えて曲線因子(FF)および短絡電流密度(Jsc)にも影響を与える。これらの曲線は最高の性能ではなくバッチの平均の性能を表す。飽和した試料は、13.0%の最高バッチ平均PCE、62の曲線因子、および21.6mA/cmのJscを示した。
著しく過飽和なバッチは1cmの面積に製造され、7.7%と同程度に高い効率性を示した。この効率は、格納せずに4日間の空気暴露後に測定されたものであり、長期間の安定性を保証するものである(〜23度、および40−50%の相対湿度)。完成したデバイス(つまりAu上部電極を有する)は、単一色および半透明であり、本CVDプロセスで製造されたペロブスカイトソーラーセルがソーラーウィンドウのような応用に適合できることを示している。
ソーラーセルは太陽熱の下で動作することを要求されるため、温度安定性はすべてのソーラーセルにとって重要である。ペロブスカイトは比較的高温で成長されるため、それはCVDプロセスにとって特に重要である。FAIはMAIより高い熱安定性を有すると報告されてきた。CVDで成長したペロブスカイト膜ベースのMAIおよびFAIの試験は、空気中において、120℃での減衰速度はFAIの方が遅いことを示す。この試験において、試料は、〜50%の相対湿度の空気中で、120℃のホットプレート上に配置された。MAI試料は6時間後に端部において崩壊し始め、一方FAI試料は崩壊の兆候を示さなかった。17時間後、MAI試料はほぼ完全に崩壊したのに対し、FAI試料は崩壊の兆候を示したが、黒ずんだ色は維持した。
他の試験では、過飽和成長で得られた試料を基にしたデバイスが、測定の合間に窒素グローブボックスに格納された。デバイスは155日までは安定であった。14.2%という最高効率の測定は、製造の42日後に行われた。このように、不活性な環境の中では、セルは時間とともにほとんど崩壊しないことがわかり、適切な格納により安定なセルが得られる可能性を示唆する。155日後、平均効率は11.3%から11.8%に増加した。この効率のわずかな増加は、空気暴露によるスピロ−MeOTADの改善された電荷変換特性によるものかもしれない。
また他の例では、本システムおよび本方法を用いて成長したペロブスカイト膜に基づいて、LEDデバイスが製造された。プロセスおよび結果の詳細を以下に説明する。
図15および図16はそれぞれ、ペロブスカイトを含んで製造された2つのLED構造を示す。MAPbBrは図15に示した構造Aのペロブスカイト層として成長し、一方で図16に示した構造Bではメソポーラスアルミナを有するMAPbBrが成長した。構造AおよびBの両方で、約60nmの厚さのTiO膜が、噴霧熱分解により、フッ素ドープ酸化スズ(FTO)ガラス基板の上に形成された。これに代えて、酸化インジウムスズ(ITO)ガラスを基板に用い、その上にTiOをスパッタしてもよい。両方の構造において、ペロブスカイト層はF8[ポリ(9.9’−ジオクチル−フルオレン)]層でスピンコートされ、その上面に金上部接点が形成された。こうして、ここで考えているLEDデバイスにおいて、ペロブスカイトエミッタはバンドギャップの大きなTiOとF8層との間に挟まれ、ペロブスカイト層の中に放射再結合のための電子および正孔を効果的に閉じ込める。
構造Aにおいてペロブスカイト層を形成するために、TiOコートされた基板の上に、真空蒸着によりPbBrが事前に堆積された。本例において膜厚は約22−30nmであった。それから、PbBrが事前に堆積された1つ以上の基板がCVD炉の第2セクション(すなわち下流側のセクション)に配置された。MABr粉末を収納する蒸発ユニットはCVD炉の第1セクション(すなわち上流側のセクション)に配置された。図4を参照して先に説明したように、製造プロセスは実行される。本プロセスの間に、基板上のPbBrはMABrと反応してMAPbBrペロブスカイトを形成する。この例で得られたペロブスカイト膜の厚さは〜50nmであった。
構造Bにおいて、メソポーラスアルミナを有するペロブスカイト層を形成するために、この例では最初に、メソポーラスアルミナがTiOコートされた基板の上に堆積され、〜50nmの厚さのメソポーラスアルミナ膜の層が形成される。特に、これらメソポーラスアルミナ膜は、イソプロピルアルコール(IPA)中で〜30回、購入されたままの溶液を希釈し、その後に3000rpmでスピンコーティングすることにより準備された。そして、上面にメソポーラスアルミナ層を含む基板は、真空蒸着によりPbBrが事前に堆積される。メソポーラスアルミナの穴の径は、一般にPbBr分子が浸透するのに十分大きく、これによりPbBr分子は主に穴の内表面に堆積する。したがって、PbBrを事前に堆積された基板は、PbBrの浸透したメソポーラスアルミナを含む。それから、PbBrを事前に堆積された1つ以上の基板は、CVD炉の第2セクション(すなわち下流側のセクション)に配置された。MABr粉末を収納する蒸発ユニットはCVD炉の第1セクション(すなわち上流側のセクション)に配置された。図4を参照して先に説明されたように製造プロセスが実行される。本プロセスの間に、メソポーラスアルミナ層の穴の中のPbBrはMABrと反応して、メソポーラスアルミナ層の中にMAPbBrペロブスカイトを形成する。こうして、製造されたメソポーラスアルミナを有するペロブスカイト膜の厚さは、おおよそ同一を維持し、本例では〜50nmであった。
構造Aを用いたデバイスおよび構造Bを用いたデバイスの蛍光顕微鏡画像を比較すると、メソポーラスアルミナの取り込みは蛍光強度を増加させることがわかる。
図17は、F8層およびAu接点を設けない4つの異なる試料について、時間の関数としてフォトルミネッセンス強度のプロットを示す。4つの異なる試料はそれぞれ、スパッタされたTiO上のMAPbBr、噴霧されたTiO上のMAPbBr、スパッタされたTiO上のメソポーラスアルミナを有するMAPbBr、および噴霧されたTiO上のMAPbBr上のメソポーラスアルミナを有するMAPbBrである。この時間分解フォトルミネッセンス測定に基づくと、異なる種類の基板についての結果はほとんど違いを示さず、フォトルミネッセンスの指数関数的減衰の時定数は約0.5nsであると結論される。
図18は波長の関数としてエレクトロルミネッセンス強度のプロットを示す。本エレクトロルミネッセンス測定は、ITOガラスの上にスパッタされ、厚さ〜60nmを有するTiO層の上に成長された膜厚〜50nmのMAPbBrを含むデバイスに、分光放射計を使用して行われた。突出したピークは〜530nmに観測される。
本文書は多くの特定を含むが、これらは発明または特許請求されたものの範囲を限定すると解釈されるべきでなく、発明の特定の実施形態の特徴を明示するものと解釈されるべきである。本文書において別れた実施形態の中で述べられた特徴は1つの実施形態の中で組み合わせることもできる。反対に、1つの実施形態の中で述べられた様々な特徴は、別々の複数の実施形態または適当なサブコンビネーションの中で用いることもできる。さらに、特徴が特定の組み合わせで作用するもの、および初めに特許請求された特徴として説明されていても、ある場合には特許請求された組み合わせのうち1つ以上の特徴が、その組み合わせから用いられてもよいし、また特許請求されたものの組み合わせは、サブコンビネーションまたは種々のサブコンビネーションに適用してもよい。

Claims (23)

  1. 原料物質が有機ハライド化合物AXおよび金属ハライド化合物BXを含み、AXのハロゲンXとBXのハロゲンXとは同一または異なる、ペロブスカイト膜の製造システムであって、
    炉として使用するためであり、縦方向に細長く、閉じた中空構造を有し、
    それぞれ気体の導入および排出のためであり、吸気部は不活性ガスを導入するために調整されるように構成される吸気部および排気部と、
    AXガスを発生させるためのAXを収納する蒸発ユニットの配置に使用するためであり、前記不活性ガスの上流側のセクションに実質的に対応する第1セクションと、
    それぞれに前記BXを事前に堆積された1つ以上の基板の配置に使用するためであり、前記不活性ガスの下流側のセクションに実質的に対応する第2セクションと、を含むハウジングと、
    前記ハウジングの前記第1セクションに接続され、前記AXの第1温度を制御するための第1温度制御ユニットと、
    前記ハウジングの前記第2セクションに接続され、前記BXが事前に堆積された前記1つ以上の基板の第2温度を制御するための第2温度制御ユニットと、を備えるシステム。
  2. 堆積の間に、前記AXガスは前記吸気部から導入される前記不活性ガスに運ばれ、前記1つ以上の基板に向けて移動し、前記BXと反応して前記1つ以上の基板のそれぞれの上にペロブスカイト膜を形成する請求項1に記載のシステム。
  3. 前記ハウジングの排気部に接続され、前記ハウジングの内部を低圧に真空引きするためのポンプユニットを備える請求項1に記載のシステム。
  4. 前記低圧は1Paと大気圧との間の範囲内である請求項3に記載のシステム。
  5. 前記第1温度制御ユニットは、前記AXを蒸発させ前記AXガスを発生させるための第1発熱体を含む請求項1に記載のシステム。
  6. 前記第1温度は150℃と350℃との間の範囲内に制御される請求項5に記載のシステム。
  7. 前記第2温度制御ユニットは、前記1つ以上の基板を加熱するための第2発熱体を含む請求項1に記載のシステム。
  8. 前記第2温度は室温と170℃との間の範囲内に制御される請求項7に記載のシステム。
  9. 前記排気部に接続された、ドーパント原料を収納するための第2蒸発ユニットを備え、
    前記第2蒸発ユニットの第3温度は、ドーパントガスを発生させるために制御され、
    前記吸気部は、前記不活性ガスおよび前記ドーパントガスを前記ハウジングに導入するために調整されるように構成され、
    前記AXガスは前記不活性ガスおよび前記ドーパントガスに運ばれ、前記1つ以上の基板に向けて移動し、前記AXガスおよび前記ドーパントガスは前記BXと反応して前記1つ以上の基板のそれぞれの上にドープされたペロブスカイト膜を形成する請求項1に記載のシステム。
  10. 前記第2蒸発ユニットは、前記ドーパントガス流を調整するために前記不活性ガス中の前記ドーパントガスの分圧を制御するバルブを含む請求項9に記載のシステム。
  11. 炉として使用するためのハウジングを含むシステムを用いるペロブスカイト膜の製造方法であって、
    前記ハウジングは、縦方向に細長く、閉じた中空構造を有し、
    気体の導入および排出のそれぞれのためであって、吸気部は前記ハウジング内に不活性ガスを導入するために調整されるように構成される吸気部および排気部と、
    前記不活性ガスの上流側のセクションに実質的に対応する第1セクションと、
    前記不活性ガスの下流側のセクションに実質的に対応する第2セクションと、を含み、
    ペロブスカイト膜の原料物質は、有機ハライド化合物AXおよび金属ハライド化合物BXを含み、AXのハロゲンXとBXのハロゲンXとは同一または異なり、
    1つ以上の基板のそれぞれに前記BXが事前に堆積され、前記第2セクションに前記1つ以上の基板を配置する工程と、
    前記AXを収納し、前記AXガスを発生させるための蒸発ユニットを前記第1セクションに配置する工程と、
    前記ハウジングの内部を低圧に真空引きする工程と、
    前記BXが事前に堆積された前記1つ以上の基板の第2温度を制御する工程と、
    前記AXの第1温度を制御する工程と、
    前記吸気部を調整し、前記ハウジング内へと不活性ガスを導入する工程と、を有し、
    堆積の間に、前記AXガスは前記吸気部から導入される前記不活性ガスに運ばれ、前記1つ以上の基板に向けて移動し、前記BXと反応して前記1つ以上の基板のそれぞれの上にペロブスカイト膜を形成する方法。
  12. 前記低圧は1Paと大気圧との間の範囲内である請求項11に記載の方法。
  13. 前記第1温度を制御する工程は、前記AXを蒸発させ前記AXガスを発生させるために前記AXを加熱する工程を含む請求項11に記載のシステム。
  14. 前記第2温度を制御する工程は前記1つ以上の基板を加熱する工程を含む請求項11に記載の方法。
  15. 前記第1温度を制御する工程は、前記AXを蒸発させ前記AXガスを発生させるために所定の持続時間にわたって前記AXを加熱する工程と、前記加熱を停止し前記AXで過飽和した前記ペロブスカイト膜から前記AXを脱離させることで、前記AXで過飽和した前記ペロブスカイト膜を前記AXで飽和したペロブスカイト膜に変換する逆転プロセスを促進する工程と、を含む請求項11に記載の方法。
  16. 各基板の位置および方向の少なくとも1つ、並びに前記基板のパッキング密度を調整する工程を含む請求項11に記載の方法。
  17. ドーパントガスを発生させるためにドーパント原料を収納し、前記吸気部に接続された第2蒸発ユニットの第3温度を制御する工程と、
    前記吸気部を調整し、前記不活性ガスおよび前記ドーパントガスを前記ハウジングに導入する工程と、を有し、
    前記AXガスは前記不活性ガスおよび前記ドーパントガスに運ばれ、前記1つ以上の基板に向けて移動し、前記AXガスおよび前記ドーパントガスは前記BXと反応して前記1つ以上の基板のそれぞれの上にペロブスカイト膜を形成する請求項11に記載の方法。
  18. 前記第2蒸発ユニットに含まれ、前記ドーパントガス流を調整するためのバルブを調整し、前記不活性ガス中の前記ドーパントガスの分圧を制御する工程を含む請求項17に記載の方法。
  19. 請求項11の方法を用いて製造されたペロブスカイト膜。
  20. 請求項11の方法を用いて製造されたペロブスカイト膜を含むソーラーセル。
  21. 請求項11の方法を用いて製造されたペロブスカイト膜を含むLED。
  22. 前記BXが事前に堆積された前記1つ以上の基板は、前記BXが浸透したメソポーラスアルミナを含み、前記1つ以上の基板の上に形成された前記メソポーラスアルミナの穴の内表面に前記BXが事前に堆積される請求項21に記載のLED。
  23. エレクトロルミネッセンスは、前記メソポーラスアルミナを有さずに製造されたペロブスカイト膜を含むLEDのエレクトロルミネッセンスより強い請求項22に記載のLED。
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