JP2021002660A - ペロブスカイト太陽電池におけるpedot - Google Patents

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Abstract

【課題】抵抗損失及び寄生光吸収を軽減する正孔輸送材料及び、正孔輸送材料を含む層状体、分散物、光起電力デバイス、を作製するためのプロセスを提供する。【解決手段】a)塩、又はカチオンポリチオフェンと対イオンとの複合体と、b)1×10−30〜20×10−30Cmの誘電率を有する有機溶媒と、c)金属ナノワイヤ、カーボンナノチューブ、グラフェン、及び架橋剤の群から選択される添加物と、を含む、分散物、及び、分散物を用いて形成された導電層、及び、導電層を含む光起電力デバイス及びその製造プロセス。製造プロセスはI)ペロブスカイト型結晶構造を含む光活性層を提供する工程と、II)導電性ポリマーa)及び有機溶媒b)を含むコーティング組成物A)で光活性層を重畳する工程と、III)工程II)において重畳されたコーティング組成物A)から有機溶媒b)除去し、導電層を得る工程を含む。【選択図】図1

Description

本発明は、層状体を生成するためのプロセス、このプロセスによって得ることができる層状体、分散物、光起電力デバイスを調製するためのプロセス、及びこのプロセスによって得ることができる光起電力デバイスに関する。
太陽電池は、光起電力効果を使用して光のエネルギーを電気に変換するデバイスである。ソーラーパワーは、持続可能であり、無公害の副生成物だけしか生成しないので、魅力のあるグリーンエネルギー源である。故に、現在、効率を高め、一方で、材料及び製造のコストを継続的に下げる太陽電池を開発するために数多くの研究が行われている。光が太陽電池に当たると、入射光の一部分が表面で反射され、残りが太陽電池の中へ透過する。通常、透過した光子は、太陽電池の吸収体によって吸収され、吸収された光子エネルギーは、吸収体材料の電子を励起し、電子−正孔対を発生させる。次いで、これらの電子−正孔対は、太陽電池表面の導電性電極によって分離され、収集される。
太陽電池は、非常に一般的に、しばしばSiウェハの形態で、吸収体材料としてシリコンに基づいている。このときに、p−n接合は、n型ドープSi基板を提供し、そして、p型ドープ層を一方の面に適用することによって、又はp型ドープSi基板を提供し、そして、n型ドープ層を一方の面に適用することによって調製されて、どちらの事例においても、いわゆるp−n接合を提供する。n型及びp型どちらの太陽電池も可能であり、また、産業的に活用されている。
近年、ペロブスカイト構造を示す有機金属吸収体材料を使用した太陽電池が、15%を超える電力転換効率という高い効率を有することが発表された(非特許文献1)。ペロブスカイト型太陽電池の典型的な構造は、フッ素ドープ酸化スズ(FTO:fluorine doped tin oxide)/亜酸化チタン(TiO)/ペロブスカイト/正孔輸送層(例えば、スピロ−OMeTAD)/銀)(=構造1)である。ペロブスカイトは、光吸収活性層であり、この名前は、そのRMX結晶構造によって名付けられ、ここで、Rは、例えばCHNHであり、Mは、Pbであり、Xは、Cl、I、及びBrからなる群から選択することができる。HTMスピロ−OMeTADは、トリフェニルアミンに基づく分子(2,2’,7,7’−テトラキス(N,N’−ジ−p−メトキシフェニルアミン)−9,9’−スピロビフルオレン)であり、いくつかの代替物が提案されているが、それでも、スピロ−OMeTADは、最も広く使用されており、また、最良に機能する固体正孔輸送材料である(非特許文献2)。他の代替物は、P3HT及びPCPDTBT、ポリ−及びオリゴ−トリアリールアミン(PTAA:poly−triarylamine)、並びにカルバゾールに基づく小分子などの、有機光起電力のための光活性p型ポリマーであるが、これらは、主に所定のアーキテクチャで使用される(非特許文献3、及び非特許文献4)。
Kim他、J.Phys.Chem.、2014、118、5615−5625 Docampo他、Adv.Mater.、2014、26、4013−4030 Lim他、Adv.Mater.2014、26、6461−6466 Xu他、Adv.Mater.、2014、26、6629−6634
しかしながら、スピロ−OMeTADなどのこれらのペロブスカイト構造の現在の正孔輸送材料は、導電性が低く、また、低分子量の材料である。金属イオン(銀イオンなど)がアノード層から光吸収活性層の中へ拡散することを防止するために、又は活性層の外面を平滑化するためにしばしば必要とされる、より厚い層で太陽電池に適用されたときに、これらの太陽電池は、特に半透明のデバイス構造において、抵抗損失及び寄生光吸収を被る。
したがって、本発明の目的は、光起電力デバイスの調製に関して、具体的には、光活性層がCHNHPbIなどのペロブスカイト型結晶構造を有する材料で作成される逆構造を有する太陽電池に関して、最新技術の不利な点のうちの少なくとも1つを軽減すること、更には克服することである。
具体的には、本発明の目的は、層状体を生成するための、又は光起電力デバイス、具体的には逆構造を有する太陽電池を生成するためのプロセスを提供することであり、ペロブスカイト型結晶構造(例えば、CHNHPbI)を有する材料で作製される光活性層は、正孔輸送層で容易にコーティングすることができ、正孔輸送層は、従来技術の逆ペロブスカイト型太陽電池から知られているスピロ−OMeTAD層の不利な点を示さない。
上記目的のうちの少なくとも1つの解決に対する貢献は、独立請求項を形成するカテゴリの主題によって提供され、そこからの従属請求項は、本発明の好ましい実施形態を表し、その主題も同様に、少なくとも1つの目的を解決することに貢献する。
光起電力デバイス1を調製するためのプロセスによって得ることができる、本発明による層のシーケンスの概略的な表現を示し、光起電力デバイス1は、逆構造を有する太陽電池である。この光起電力デバイスは、カソード層としての役割を果たす透明の第1の電極3が、例えばITOから適用される、ガラス基板2を備える。第1の電極3に続いて、TiO層などの、電子抽出を向上させるための電子輸送層4がある。電子輸送層4の上には、ペロブスカイト型結晶構造、例えばCHNHPbIを有する材料で作製される、光活性層5が適用される。光活性層5の上には、好ましくは塩、又はポリチオフェン及び対イオンの複合体に基づく正孔輸送層6としての役割を果たす、導電性ポリマー層が適用される。導電性ポリマー層6の上には、銀の層などのアノード層としての役割を果たす、不透明な第2の電極7が適用される。逆構造を有する太陽電池のこの特定の実施形態において、光は、ガラス基板及び透明な第1の電極3を通って下方から光活性層に到達する(図1において矢印で示す)。図1の点線の円は、本発明による層状構造を示す。 図1に示される光起電力デバイスの層のシーケンスの概略図を示し、第1の電極3が、アルミニウム層などの不透明物質で作製されること、及び第2の電極7が透明層、例えば、並列ストリップの形態又はグリッドの形態で適用される、又はPEDOTなどの導電性ポリマーに基づく金属層であることが異なる。逆構造を有する太陽電池のこの特定の実施形態において、光は、第2の電極7及び導電性ポリマー6の透明層を通って上方から光活性層に到達する(図2において矢印で示す)。図2の点線の円は、ここでも、本発明による層状構造を示す。 図1に示される光起電力デバイスの層のシーケンスの概略図を示し、第2の電極7が、透明層であることが異なる。逆構造を有する太陽電池のこの特定の実施形態において、光は、ガラス基板及び透明な第1の電極3を通って下方から、かつ第2の電極7及び導電性ポリマー6の透明層を通って上方から光活性層に到達する(図3において矢印で示す)。図3の点線の円は、ここでも、本発明による層状構造を示す。
I.層状体を生成するためのプロセスであって、
I)ペロブスカイト型結晶構造を有する材料を含む光活性層を提供するプロセス工程と、
II)導電性ポリマーa)及び有機溶媒b)を含むコーティング組成物A)で少なくとも部分的に光活性層を重畳するプロセス工程と、
III)プロセス工程II)において重畳されたコーティング組成物A)から有機溶媒b)を少なくとも部分的に除去し、それによって、光活性層に重畳された導電層を得るプロセス工程と、を少なくとも含む、プロセス。
II.ペロブスカイト型結晶構造を有する材料が、式R’MXを有し、
式中、R’が、N含有ヘテロ環及び環系を含む、第一級、第二級、第三級、又は第四級有機アンモニウム化合物から選択される有機一価のカチオンであり、R’が、1〜15個の炭素及び1〜20個のヘテロ原子、又はCsを有し、
Mが、Cu2+、Ni2+、Co2+、Fe2+、Mn2+、Cr2+、Pd2+、Cd2+、Ge2+、Sn2+、Pb2+、Eu2+、及びYb2+からなる群から選択される二価の金属カチオンであり、
Xが、F、Cl、Br、I、NCS、CN、及びNCOからなる群から独立に選択される、実施形態Iに記載のプロセス。
III.
R’が、CHNH であり、
Mが、Pb2+であり、
Xが、F、Cl、I、及びBrからなる群から独立に選択される、実施形態IIに記載のプロセス。
IV.導電性ポリマーa)が、カチオンポリチオフェンを含む、実施形態I〜IIIのいずれか1つに記載のプロセス。
V.導電性ポリマーa)が、塩、又はカチオンポリチオフェン及び対イオンの複合体である、実施形態IVに記載のプロセス。
VI.対イオンが、少なくとも一部がスルホン化された重合スチレンモノマー単位、及び重合非スルホン化モノマー単位を含むコポリマーであり、非スルホン化モノマー単位のモル比が、コポリマー中のモノマー単位の総量に基づいて、少なくとも5%である、実施形態Vに記載のプロセス。
VII.対イオンが、構造A−B−C−B−Aを有する水素化スチレンイソプレンブロックコポリマーであり、該構造において、ブロックAが、tert−ブチル基によって少なくとも部分的に置換されたポリスチレンブロックに対応し、ブロックBが、交互共重合エチレン−プロピレン単位のブロックに対応し、ブロックCが、スルホン化ポリスチレンブロックに対応する、実施形態Vに記載のプロセス。
VIII.プロセス工程II)において光活性層が少なくとも部分的に重畳される組成物A)の含水量が、各事例において、組成物A)の総重量に基づいて、2重量%未満、好ましくは、0.5重量%未満である、実施形態I〜VIIのいずれか1つに記載のプロセス。
IX.有機溶媒b)が、非極性の非プロトン溶媒である、実施形態I〜VIIIのいずれか1つに記載のプロセス。
X.有機溶媒b)の誘電率が、1×10−30〜20×10−30Cmである、実施形態I〜IXのいずれか1つに記載のプロセス。
XI.有機溶媒b)が、7D未満の双極子モーメントを有する、実施形態I〜Xのいずれか1つに記載のプロセス。
XII.有機溶媒b)が、光活性層の表面に重畳されたときに、5%未満のΔA値を示す溶媒であり、ΔA値が、式(I)によって算出され、
ΔA=(A−A)/A×100%(I)
式中、Aは、光活性層が有機溶媒b)で重畳される前の光活性層の吸収であり、Aは、30秒にわたって重畳された後の光活性層の吸収であり、各事例において490nmで決定される、実施形態I〜XIのいずれか1つに記載のプロセス。
XIII.光活性層が、プロセス工程II)においてコーティング組成物A)で重畳される前に、1つ又は2つの追加の層で少なくとも部分的に覆われる、実施形態I〜XIIのいずれか1つに記載のプロセス。
XIV.実施形態I〜13のいずれか1つによるプロセスによって得ることができる層状体。
XV.分散物であって、
a)塩、又はカチオンポリチオフェンと対イオンとの複合体と、
b)5%未満のΔA値を有する有機溶媒であって、ΔA値が、式(I)によって算出され、
ΔA=(A−A)/A×100%(I)
式中、Aは、CHNHPbI層が有機溶媒b)で重畳される前の吸収であり、Aは、30秒にわたって重畳された後の吸収であり、各事例において490nmで決定される、有機溶媒と、を含む、分散物。
XVI.分散物であって、
a)塩、又はカチオンポリチオフェンと対イオンとの複合体と、
b)1×10−30〜20×10−30Cmの誘電率を有する有機溶媒と、
c)金属ナノワイヤ、カーボンナノチューブ、グラフェン、及び架橋剤の群から選択される添加物と、を含む、分散物。
XVII.分散物であって、
a)塩、又はカチオンポリチオフェンと対イオンとの複合体と、
b)有機溶媒と、
を含み、分散物が、分散物の総重量に基づいて、100ppm未満の鉄含有量を有する、分散物。
XVIII.ポリマー対イオンが、少なくとも一部がスルホン化された重合スチレンモノマー単位、及び重合非スルホン化モノマー単位を含むコポリマーであり、非スルホン化モノマー単位のモル比が、コポリマー中のモノマー単位の総量に基づいて、少なくとも5%である、実施形態XV〜XVIIのいずれか1つに記載の分散物。
XIX.対イオンが、構造A−B−C−B−Aを有する水素化スチレンイソプレンブロックコポリマーであり、該構造において、ブロックAは、tert−ブチル基によって少なくとも部分的に置換されたポリスチレンブロックに対応し、ブロックBは、交互共重合エチレン−プロピレン単位のブロックに対応し、ブロックCは、スルホン化ポリスチレンブロックに対応する、実施形態XV〜XVIIのいずれか1つに記載の分散物。
XX.ガラス基板を分散物でコーティングし、こうして得られた層構造をホットプレート上において200℃で3分間乾燥させることによって作製される導電層の導電性が、少なくとも0.2S/cm、好ましくは、少なくとも1S/cmである、実施形態XV〜XIXのいずれか1つに記載の分散物。
XXI.分散物の含水量が、各事例において、分散物の総重量に基づいて、2重量%未満、好ましくは0.5重量%未満である、実施形態XV〜XXのいずれか1つに記載の分散物。
XXII.実施形態XIVによる層状体を含む、又は実施形態I及びIV〜XIIのいずれか1つにおいて定義されるコーティング組成物A)によって、若しくは実施形態XV〜XVIのいずれか1つによる分散物によって調製された導電層を含む、電子デバイス。
XXIII.電子デバイスが、光起電力デバイス(1)である、実施形態XIIに記載の電子デバイス。
XXIV.光起電力デバイス(1)を作製するためのプロセスであって、
i)
第1の電極(3)と、
光活性層(5)であって、ペロブスカイト型結晶構造を有する材料で作製される、光活性層(5)と、
第1の電極(3)と光活性層(5)との間に局在化される電子輸送層(4)と、を備える多層前駆体を提供するプロセス工程と、
ii)導電性ポリマーa)及び有機溶媒b)を含むコーティング組成物A)で少なくとも部分的に多層前駆体の光活性層(5)を重畳するプロセス工程と、
iii)プロセス工程ii)において重畳されたコーティング組成物A)から有機溶媒b)を少なくとも部分的に除去し、それによって、光活性層(5)上に重畳された導電正孔輸送層(6)を得るプロセス工程と、
iv)第2の電極(7)で正孔輸送層(6)を少なくとも部分的に重畳するプロセス工程と、を含む、プロセス。
XXV.実施形態XXIVに記載のプロセスによって得ることができる、光起電力デバイス(1)。
本発明は、層状体を生成するためのプロセスに関し、該プロセスは、
I)ペロブスカイト型結晶構造を有する材料を含む光活性層、好ましくは、ペロブスカイト型結晶構造を有する材料で作製される光活性層を提供するプロセス工程と、
II)導電性ポリマーa)及び有機溶媒b)を含むコーティング組成物A)で少なくとも部分的に光活性層を重畳するプロセス工程と、
III)プロセス工程II)において重畳されたコーティング組成物A)から有機溶媒b)を少なくとも部分的に除去し、それによって、光活性層に重畳された導電層を得るプロセス工程と、を少なくとも含む。
驚くべきことに、導電性ポリマー、具体的には非極性有機溶媒中に分散する塩、又はカチオンポリチオフェン及び対イオンの複合体を、ペロブスカイトに基づく太陽電池の正孔輸送層として使用できることが分かった。本質的に、有機溶媒中に分散する導電性ポリマーは、高い導電性を有するフィルムを調製し、形成することができ、該導電性ポリマーは、従来技術の逆ペロブスカイト型太陽電池から知られているスピロ−OMeTAD層よりも優れていることが分かった。適切であることが分かった溶媒は、1×10−30Cm〜20×10−30Cmの誘電率を有する。
ペロブスカイトに基づく太陽電池における正孔輸送層としての有機導電性ポリマー(例えば、PEDOT:PSS又はPEDOT:対イオン)の利点は、
a)スピロ−OMeTADのようないかなる高コストの正孔導体材料も不要であること、
b)ドーピング及び導電性を増加させるためのいかなる有色のCo(III)又はリチウム塩も不要であるので、高い透明性を確実にすることができること、
c)ポリマー分散物の容易な印刷のため、正孔輸送層を、容易で拡張可能な低コストのロールツーロール(R2R)プロセスに適用することができること、
d)水分及び空気を含まず、また、温度が安定した(>200℃)導電性ポリマーフィルムを形成することができること、及び
e)利用可能な代替の材料と比較してより高い導電性に到達することができ、金属イオンがアノード層から活性層の中へ拡散することを抑制する目的で、又は活性層の外層を平滑化する目的で、より厚い正孔輸送層の形成を可能にすること、である。
本発明によるプロセスのプロセス工程I)において、ペロブスカイト型結晶構造を有する材料を含む光活性層、好ましくは、ペロブスカイト型結晶構造を有する材料で作製される光活性層が提供される。
「ペロブスカイト」という表現は、本明細書で使用するときに、具体的には、ペロブスカイト材料CaTiOを指さない。本発明の目的で、「ペロブスカイト型結晶構造を有する材料」という表現は、酸化チタンカルシウムと同じタイプの結晶構造を有する任意の材料、及び二価のカチオンが2つの別々の一価のカチオンによって置換された材料を包含し、好ましくは該材料に関連する。ペロブスカイト構造は、一般の化学量論R’MXを有し、R’及びMは、カチオンであり、Xは、アニオンである。R’及びMカチオンは、様々な電荷を有することができ、元々のペロブスカイトミネラル(CaTiO)において、R’カチオンは、二価であり、Mカチオンは、四価である。本発明によるプロセスの好ましい一実施形態によれば、ペロブスカイト型材料は、有機複合物及び無機結晶質の組み合わせた特性を示す、有機−無機のペロブスカイトハイブリッド材料である。無機成分は、高いキャリア移動度を提供する共有結合及びイオン相互作用によって結合されるフレームワークを形成する。有機成分は、こうした材料の自己組織化プロセスを補助し、また、ハイブリッド材料を他の有機材料として低コストの技法によって堆積させることを可能にする。有機成分の追加の重要な特性は、無機シートの間のその寸法及び電子結合を低減させることによって、有機−無機材料の電子特性を調整することである。
本発明によるプロセスの好ましい一実施形態によれば、式R’MXを有するペロブスカイト型結晶構造において、
R’は、N含有ヘテロ環及び環系を含む、第一級、第二級、第三級、又は第四級有機アンモニウム化合物から選択される有機一価のカチオンであり、R’は、1〜15個の炭素及び1〜20個のヘテロ原子、又はCsを有し、
Mは、Cu2+、Ni2+、Co2+、Fe2+、Mn2+、Cr2+、Pd2+、Cd2+、Ge2+、Sn2+、Pb2+、Eu2+、及びYb2+からなる群から選択される二価の金属カチオンであり、
Xは、F、Cl、Br、I、NCS、CN、及びNCOからなる群から独立に選択される。
R’がCsであるペロブスカイト型材料の適切な例は、CsSnI、CsSnCl、CsSnBr、及び誘導体(いわゆる「無鉛ペロブスカイト」)である。
この文脈において、Rは、式(1)〜(8)からなる群から選択されるアミン基であることが特に好ましい。
式中、R、R、R、及びRのうちのいずれか1つは、C1〜C15の脂肪族又はヘテロ脂肪族置換基、及びC4〜C15の芳香族又はヘテロ芳香族置換基から独立に選択され、前記置換基の中のいずれか1つの、いくつかの、又は全ての水素は、ハロゲンによって置換することができ、2つ以上の炭素がある場合は、前記置換基の中の前記炭素の最大で半分をN、S、又はOヘテロ原子によって置換することができ、化合物(2)〜(8)のうちのいずれか1つにおいて、存在する置換基のうちの2つ以上を互いに共有結合的に接続して、置換又は非置換の環又は環系を形成することができる。
本発明によるプロセスの特に好ましい一実施形態によれば、式R’MXを有するペロブスカイト型結晶構造において、
R’は、CHNH であり、
Mは、Pb2+であり、
Xは、F、Cl、I、及びBrからなる群から独立に選択され、最も好ましくはIである。
適切なペロブスカイト材料の例は、CHNHPbBrI、CHNHPbBrCl、CHNHPbIBr、CHNHPbICl、CHNHPbClBr、CHNHPbICl、CHNHSnBrI、CHNHSnBrCl、CHNHSnFBr、CHNHSnIBr、CHNHSnICl、CHNHSnFI、CHNHSnClBr、CHNHSnICl、CHNHSnFCl、及びこれらの混合物からなる群から選択することができる。
そのような有機−無機ペロブスカイトハイブリッド材料に基づく光活性層は、例えば、最初に、ガラス又は石英基板などの適当な基材上に、真空蒸着によって、PbIなどのMXの薄いフィルムを堆積させることによって調製することができる。こうして得られたコーティングされた基板は、その後に、CHNHIの溶液などの所望の有機アンモニウムカチオンを含有する溶液の中へ、短時間にわたって浸漬される(例えば、米国特許第5,871,579号を参照されたい)。この技法を使用することで、(R’’NH(CHNHn−13n+1(R’’=ブチル、フェネチル、M=Pb、Sn、及びn=1、2)などの異なる層状有機−無機ペロブスカイト、及びCHNHMI(M=Pb、Sn、すなわち、n=∞)などの3次元ペロブスカイトの薄いフィルムを室温で調製することができる。別の手法によれば、PbIなどのMX、及びCHNHIなどの有機成分はどちらも、N,N−ジメチルホルムアミド又はγ−ブチロラクトンなどの適切な溶媒中に溶解され、次いで、基板は、こうして得られた溶液でコーティングされる。有機−無機ペロブスカイトハイブリッド材料を含むフィルムは、その後に、乾燥工程において溶媒が除去された場合に得られる(例えば、Jeng他、Adv.Mater.2013、25、3727−3732を参照されたい)。
プロセス工程I)において提供される光活性層の特に好ましい実施形態によれば、光活性層は、ペロブスカイト型結晶構造を有する上で説明した材料がコーティングされる多孔質誘電体骨格材料を含む。そのような多孔質材料は、国際公開第2013/171520(A1)号において開示されている。本明細書で使用するときに、「多孔質」という用語は、孔が配設される材料を指す。「多孔質誘電体骨格材料」において、孔は、いかなる誘電体骨格材料もない誘電体骨格内の容積である。「誘電体材料」という用語は、本明細書で使用するときに、電気絶縁体又は超不良電流導体である材料を指す。したがって、誘電体という用語は、チタニアなどの半導体材料を除外する。誘電体という用語は、本明細書で使用するときに、典型的には、4.0eV以上のバンドギャップを有する材料を指す。
好ましくは、誘電体骨格材料は、アルミニウム、ジルコニウム、シリコン、亜鉛、イットリウム、イッテルビウム、若しくはチタンの酸化物、例えば、酸化亜鉛、チタニア、酸化ジルコニウム、シリカ、アルミナ、酸化イッテルビウム若しくは酸化イットリウム、又はアルミナシリケートを含む。しばしば、誘電体骨格材料は、シリカ又はアルミナを含む。最も好ましくは、誘電体骨格材料は、多孔質アルミナを含む。前記誘電体骨格材料の多孔率は、通常50%以上であり、より好ましくは、70%以上である。
多孔質誘電体骨格材料は、誘電体材料の分散物を洗浄し、そして、洗浄した分散物と、可燃性又は溶解性有機化合物である気孔形成剤を含む溶液とを混合する工程によって生成することができる。気孔形成剤は、後に、該剤を燃やす、又は適切な溶媒を使用して選択的に溶解するプロセスにおいて除去される。そのようなプロセスは、国際公開第2013/171520(A1)号に詳細に開示されている。
次いで、ペロブスカイト型結晶構造を有する材料を含む光活性層は、上で説明したプロセスによって、(すなわち、最初に、真空蒸着によってMXの薄いフィルムを堆積させ、その後に、コーティングした誘電体骨格材料を所望の有機アンモニウムカチオンを含有する溶液の中へ短時間浸漬することによって、又は誘電体骨格材料をMX及び有機成分がどちらも適切な溶媒中に溶解した組成物でコーティングすることによって、誘電体骨格材料の上へコーティングされる。誘電体骨格材料を、ペロブスカイト型結晶構造を有する材料を含む光活性層でコーティングするプロセスはまた、国際公開第2013/171520(A1)号にも詳細に開示されている。
プロセス工程I)において提供される光活性層の厚さは、好ましくは、1〜5000nmの範囲、より好ましくは、50〜2000nmの範囲、最も好ましくは、100〜600nmの範囲である。プロセス工程I)において提供される光活性層が、上で説明したように、ペロブスカイト型結晶構造を有する材料がコーティングされる多孔質誘電体骨格材料を含む場合、光活性層の厚さは、好ましくは、500〜5000nmの範囲、より好ましくは、1000〜3000nmの範囲である。
本発明によるプロセスのプロセス工程II)において、プロセス工程I)において得られた光活性層は、導電性ポリマーa)及び有機溶媒b)を含むコーティング組成物A)で少なくとも部分的に重畳される。
導電性ポリマーa)としては、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリアセチレン、又はポリフェニレンなどの共役ポリマーを使用することができ、ポリチオフェンの使用が特に好ましい。したがって、本発明によるプロセスの好ましい一実施形態によれば、導電性ポリマーa)は、ポリチオフェンを含む。好ましいポリチオフェンは、一般式(I)又は(II)の繰り返し単位、又は一般式(I)及び(II)の単位の組み合わせを有するもの、好ましくは、一般式(II)の繰り返し単位を有するポリチオフェンである。
式中、
Aは、随意に置換されたC〜C−アルキレンラジカルを表し、
Rは、直鎖又は分岐の、随意に置換されたC〜C18−脂肪族又はヘテロ脂肪族ラジカル、随意に置換されたC〜C12−シクロ脂肪族又はシクロへテロ脂肪族アルキルラジカル、随意に置換されたC〜C14−アリール又はヘテロアリールラジカル、随意に置換されたC〜C18−アラルキル又はヘテロアラルキルラジカル、随意に置換されたC〜C−ヒドロキシ脂肪族又はヒドロキシへテロ脂肪族ラジカル又はヒドロキシルラジカルを表し、
xは、0〜8の整数を表し、
いくつかのラジカルRがAに結合する事例において、これらは同一であり得るか、又は異なり得る。
一般式(I)及び(II)は、x個の置換基RがアルキレンラジカルAに結合することができることを意味すると理解されたい。
Aが随意に置換されたC〜C−アルキレンラジカルを表し、xが0又は1を表す一般式(II)の繰り返し単位を有するポリチオフェンが特に好ましい。
本発明の文脈において、接頭辞「ポリ」は、ポリマー又はポリチオフェンが一般式(I)及び(II)の1つ以上の同一の又は異なる繰り返し単位を含むことを意味すると理解されたい。一般式(I)及び/又は(II)の繰り返し単位に加えて、ポリチオフェンはまた、随意に、他の繰り返し単位を含むこともできるが、一般式(I)及び/又は(II)、好ましくは、一般式(II)を有するために、ポリチオフェンの全ての繰り返し単位の少なくとも50%、特に好ましくは、少なくとも75%、最も好ましくは、少なくとも95%が好ましい。上で述べたパーセンテージの数字は、本明細書において、異種ドープ導電性ポリマーの中のモノマー単位の総数における構造式(I)及び(II)の単位の数値的含有量を表すことが意図される。ポリチオフェンは、一般式(I)及び/又は(II)、好ましくは、一般式(II)の合計n個の繰り返し単位を含み、式中、nは、2〜2,000、好ましくは、2〜100の整数である。一般式(I)及び/又は(II)、好ましくは、一般式(II)の繰り返し単位は、各事例において、ポリチオフェン内で同一であり得るか、又は異なり得る。各事例において一般式(II)の同一の繰り返し単位を有するポリチオフェンが好ましい。
本発明によるプロセスの非常に特定の一実施形態によれば、ポリチオフェンの全ての繰り返し単位の少なくとも50%、特に好ましくは、少なくとも75%、更により好ましくは、少なくとも95%、最も好ましくは、100%が、3,4−エチレンジオキシチオフェン単位である。したがって、本発明によるプロセスの最も好ましい実施形態によれば、導電性ポリマーa)は、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)を含む。
ポリチオフェンは、好ましくは、各事例において、末端基にHを担持する。
本発明の文脈において、C〜C−アルキレンラジカルAは、好ましくは、メチレン、エチレン、n−プロピレン、n−ブチレン、又はn−ペンチレンである。C〜C18−アルキルラジカルRは、好ましくは、メチル、エチル、n−若しくはイソ−プロピル、n−、イソ−、sec−、若しくはtert−ブチル、n−ペンチル、1−メチルブチル、2−メチルブチル、3−メチルブチル、1−エチルプロピル、1,1−ジメチルプロピル、1,2−ジメチルプロピル、2,2−ジメチルプロピル、n−ヘキシル、n−ヘプチル、n−オクチル、2−エチルヘキシル、n−ノニル、n−デシル、n−ウンデシル、n−ドデシル、n−トリデシル、n−テトラデシル、n−ヘキサデシル、又はn−オクタデシルなどの、直鎖又は分岐のC〜C18−アルキルラジカルを表し、C〜C12−シクロアルキルラジカルRは、例えば、シクロペンチル、シクロヘキシル、シクロヘプチル、シクロオクチル、シクロノニル、又はシクロデシルを表し、C〜C14−アリールラジカルRは、例えば、フェニル又はナフチルを表し、C〜C18−アラルキルラジカルRは、例えば、ベンジル、o−、m−、p−トリル、2,3−、2,4−、2,5−、2,6−、3,4−、3,5−キシリル又はメシチルを表す。上記のリストは、一例として本発明を例示する役割を果たし、結論的なものであるとみなすべきではない。
本発明の文脈では、ラジカルA及び/又はラジカルRの随意に更なる置換基として、数多くの有機基、例えば、アルキル、シクロアルキル、アリール、アラルキル、アルコキシ、ハロゲン、エーテル、チオエーテル、ジスルフィド、スルホキシド、スルホン、スルホネート、アミノ、アルデヒド、ケト、カルボン酸エステル、カルボン酸、カーボネート、カルボキシレート、シアノ、アルキルシラン及びアルコキシシラン基、並びにカルボキサミド基が可能である。
ポリチオフェンは好ましくはカチオンであり、「カチオン」とは、ポリチオフェン主鎖の電荷だけに関連する。正電荷は、正確な数及び位置を絶対的に決定することができないので、式には示されない。しかしながら、正電荷の数は、少なくとも1個であり、また多くてもn個であり、nは、ポリチオフェン内の全ての(同一の又は異なる)繰り返し単位の総数である。
正電荷を補償するために、カチオンポリチオフェンは、対イオンとしてアニオンを必要とする。これに関して、プロセス工程II)において用いられるコーティング組成物A)中の導電性ポリマーa)が、カチオンポリチオフェンを含むことが好ましく、該カチオンポリチオフェンは、塩、又はカチオンポリチオフェン及び対イオンの複合体の形態、好ましくは、塩、又はポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)及び対イオンの複合体の形態で存在し、モノマー及びポリマーアニオンを対イオンとして使用することができる。
ポリマーアニオンは、フィルム形成に貢献するので、また、それらのサイズが熱的に安定した導電性フィルムにつながるので、対イオンとしてモノマーアニオンよりも好ましい。本明細書におけるポリアニオンは、例えば、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、若しくはポリマレイン酸などのポリマーカルボン酸のアニオン、又はポリスチレンスルホン酸及びポリビニルスルホン酸などのポリマースルホン酸のアニオンとすることができる。
この文脈では、対イオンが、少なくとも一部がスルホン化された重合スチレンモノマー単位、及び重合非スルホン化モノマー単位を含むコポリマーであることが特に好ましく、非スルホン化モノマー単位のモル比が、各事例において、コポリマー中のモノマー単位の総量に基づいて、少なくとも5%、好ましくは、少なくとも20%、最も好ましくは、少なくとも40%である。少なくとも一部がスルホン化された重合スチレンモノマー単位、及び重合非スルホン化単位を含む適切なコポリマーは、例えば、独国特許出願公開第102008023008(A1)号において開示されている。独国特許出願公開第102008023008(A1)号の実施例7において得られるポリマーアニオンは、本発明において特に適切な対イオンとみなすことができる。
また、国際公開第2012/059215(A1)号において開示されているスルホン化合成ゴムは、対イオンとして適切である。この文脈では、構造A−B−C−B−Aを有する、水素化又は非水素化の、好ましくは、水素化スチレンイソプレンブロックコポリマーが特に好ましく、該構造において、ブロックAは、tert−ブチル基によって少なくとも部分的に置換されたポリスチレンブロックに対応し、ブロックBは、水素化又は非水素化の、しかしながら好ましくは、水素化ポリイソプレンブロックに対応し(完全水素化ポリイソプレンブロックは、交互共重合されたエチレン−プロピレン単位のブロックに化学的に対応する)、ブロックCは、少なくとも部分的にスルホン化されたポリスチレンブロックに対応する。ブロックA、B、及びCの長さは、好ましくは、少なくとも5モノマー単位、特に好ましくは、少なくとも10単位、最も好ましくは、少なくとも20単位である。そのようなコポリマーは、例えば、企業名Kraton Polymers、Houston、米国から、NEXAR(登録商標)の商品名で入手することができる。
対イオンの分子量は、好ましくは、1,000〜2,000,000、特に好ましくは、2,000〜500,000である。分子量は、画定された分子量のポリマーを使用して、具体的には、水不混和性溶媒の溶液の事例ではポリスチレンを使用して、又は水混和性溶媒の事例ではポリスチレンスルホン酸を使用して、ゲル透過クロマトグラフィーによって決定される。
コーティング組成物A)中の共役ポリマーと、好ましくは、ポリチオフェンと、対イオンとの重量比(ポリチオフェン:対イオン)は、好ましくは、1:0.1〜1:100の範囲、好ましくは、1:0.2〜1:20の範囲、特に好ましくは、1:0.5〜1:10の範囲である。
コーティング組成物A)中の導電性ポリマーa)の量(塩、又は共役ポリマー及び対イオンの複合体の事例では、共役ポリマー及び対イオンの総量)は、各事例において、コーティング組成物A)の総重量に基づいて、好ましくは、0.1〜25重量%の範囲、より好ましくは、0.5〜15重量%の範囲、最も好ましくは、1〜10重量%の範囲である。
プロセス工程A)において適用されるコーティング組成物は、有機溶媒b)を更に含み、有機溶媒b)は、非極性の非プロトン有機溶媒であることが好ましい。この文脈では、有機溶媒b)の誘電率が、1×10−30〜20×10−30Cm、より好ましくは、1×10−30〜17×10−30Cm、最も好ましくは、1×10−30〜7×10−30Cmであることが特に好ましい。有機溶媒b)は、7D未満の、より好ましくは、5D未満の、最も好ましくは、2D未満の双極子モーメントを特徴とすることが更に好ましい。
適切な有機溶媒b)は、
− ベンゼン、トルエン、キシレン、メシチレン、若しくはビフェニルなどの芳香族炭化水素、
− フルオロベンゼン、クロロベンゼン、ブロモベンゼン、ヨードベンゼン、2−クロロトルエン、3−クロロトルエン、4−クロロトルエン、1,3−ジクロロベンゼン、1,4−ジクロロベンゼン、1,2−ジクロロベンゼン、1,3,5−トリクロロベンゼン、1,2,4−トリクロロベンゼン、若しくは1,2,3−トリクロロベンゼンなどのハロゲン化芳香族炭化水素、
− ジエチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、メチルtertブチルエーテルジブチルエーテル、ジフェニルエーテル、アニソールなどのエーテル、及びポリエチレングリコール(PEG)、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、プロピレングリコールモノプロピルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、ジプロピレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、若しくはエチレングリコールジブチルエーテルなどのエチレングリコールエーテル、
− ヘキサメチルジシロキサン、オクタメチルジシロキサン、デカメチルジシロキサン、オリゴメチルジシロキサン、ポリメチルジシロキサン、若しくはポリシロキサンなどのシロキサン、又は
− 酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、若しくは酢酸ブチル、安息香酸メチル、安息香酸エチル、安息香酸プロピル、安息香酸ブチル、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、γ−バレロラクトン、エチレングリコールメチル酢酸エーテル、エチレングリコールモノエチル酢酸エーテル、エチレングリコールモノブチル酢酸エーテル、プロピレングリコールメチル酢酸エーテルなどのエステルである。
特に好ましい有機溶媒b)は、光活性層の表面に重畳されたときに、5%未満の、より好ましくは、2.5%未満の、最も好ましくは、1%未満のΔA値を示す溶媒であり、ΔA値が、式(I)によって算出され、
ΔA=(A−A)/A×100%(I)
式中、Aは、光活性層が有機溶媒b)で重畳される前の光活性層の吸収であり、Aは、30秒にわたって重畳された後の光活性層の吸収であり、各事例において490nmで決定される。ΔA値は、プロセス工程II)において組成物A)が適用される光活性層を使用して、本明細書で開示される試験方法によって決定される(試験方法の「表面溶解特性」を参照されたい)。
プロセス工程II)において用いられるコーティング組成物A)は、導電性ポリマーa)及び有機溶媒b)に加えて、添加物c)を更に含むことができ、これらの添加物c)は、結合剤、架橋剤、粘度改良剤、pH調節剤、導電性を増加させる添加物、酸化防止剤、仕事関数を改良する添加物、例えば個々の成分の均一な混合に必要とされる補助溶媒、又はこれらの添加物c)のうちの2つ以上の混合物からなる群から選択することができる。
− 適切なバインダーは、例えば、ポリアルキレングリコール、ポリアクリレート、ポリウレタン、ポリエステル、ポリエーテル、ポリアミド、又はポリビニルアルコールである。
− 適切な架橋剤は、メラミン化合物、マスクドイソシアネート、官能性シラン、例えばテトラエトキシシラン、例えばテトラエトキシシランに基づくアルコキシシランの加水分解物、3−グリシドキシプロピルトリアルコキシシラン、エポキシド、若しくはオキセタンなどのエポキシシラン、アミン、第四級アミン、ポリアミン、又は第四級ポリアミンである。
− 適切な粘度調整剤は、ヒドロキシプロピルメチルセルロース(HPMC)、メチルセルロース、エチルセルロース、キサンタンガム、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース、及びヒドロキシエチルセルロースである。
− 適切なpH調節剤は、フィルム生成に影響を及ぼさない酸及び塩基である。可能な塩基は、アミン、及び第一級、第三級、又はアルキルアミンである。
− 導電性を増加させる適切な添加物は、例えばポリアルキレングリコール、具体的にはポリエチレングリコール若しくはポリプロピレングリコール、ポリグリセロール、又はこれらの混合物、プロピレングリコール及びエチレングリコールなどのポリオール、ジメチルスルフォキサイドなどのスルホキシド、メチルアセトアミド、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、N−メチルピロリドン、N−シクロヘキシルピロリドンなどのカルボン酸アミド、イオン液体、ソルビトールなどの糖である。金属ナノワイヤ、具体的には銀ナノワイヤ、カーボンナノチューブ、及びグラフェンもまた、導電性を増加させる添加物として適切であり、特に好ましい。組成物A)の導電性を増加させる添加物として使用することができる適切な銀ナノワイヤは、例えば、国際公開第2012/022332(A)号、国際公開第2014/127909(A)号、独国特許出願公開第102010017706(A)号、米国特許第7,585,349号、又は国際公開第2008/073143(A)号において開示されている。この文脈では、銀と導電性重合体b)との重量比(カチオンポリチオフェン及び対イオンの複合体の事例では、組成物A)中の銀とカチオンポリチオフェン+対イオンとの重量比)が、10:1〜1:10の範囲、特に好ましくは5:1〜1:5の範囲、最も好ましくは、2:1〜1:2の範囲であるような相対量で、銀ナノワイヤ及び導電性重合体b)が組成物A)中に存在することも好ましい。
− 適切な酸化防止剤は、クエン酸、没食子酸エステル、トコフェロール、及び他のフェノール系酸化防止剤である。
上で述べた添加物c)は、各事例において、コーティング組成物A)の総重量に基づいて、0.1〜50重量%の量、好ましくは、0.5〜25重量%の量、最も好ましくは、1〜10重量%の量で、コーティング組成物A)中に存在させることができる。
プロセス工程II)において使用されるコーティング組成物A)、具体的には塩、又はポリチオフェン及び対イオンの複合体を含むコーティング組成物A)は、異なる調製方法で調製することができる。第1の手法によれば、塩又は複合体は、有機溶媒b)中に対イオンの存在下で、ポリチオフェンの基礎となるモノマー、特に好ましくは、3,4−エチレンジオキシチオフェンを酸化的に重合させることによって調製される。第2の手法によれば、モノマーは、プロトン性溶媒中に、特に好ましくは、水中に対イオンの存在下で、酸化的に重合され、次いで、プロトン性溶媒は、有機溶媒b)によって置換される。そのような溶媒置換プロセスは、例えば、米国特許第6,692,662(B2)号において開示されている。
共役ポリマーの基礎となるモノマーの酸化性重合に適した酸化剤を、酸化剤として使用することができる。実際的な理由から、安価で、取り扱い易い酸化剤、例えば、FeCl、Fe(ClO、並びに有機酸及び有機ラジカルを含む無機酸の鉄(III)塩が好ましい。有機ラジカルを含む無機酸の鉄(III)塩としては、一例として、C〜C20アルカノールの硫酸ヘミエステルの鉄(III)塩、例えばラウリル硫酸のFe(III)塩が挙げられる。有機酸の鉄(III)塩としては、一例として、メタン−及びドデカン−スルホン酸などのC〜C20アルキルスルホン酸のFe(III)塩、2−エチルヘキシルカルボン酸などの脂肪族C〜C20カルボン酸、トリフルオロ酢酸及びペルフルオロオクタン酸などの脂肪族ペルフルオロカルボン酸、シュウ酸などの脂肪族ジカルボン酸、並びにベンゼンスルホン酸、p−トルエンスルホン酸、及びドデシルベンゼンスルホン酸などのC〜C20アルキル基で随意に置換された上記の全ての芳香族スルホン酸が挙げられる。有機酸の鉄(III)塩は、有機溶媒中に、具体的には水混和性有機溶媒中に部分的又は完全に溶解するという、大きい適用の利点を有する。また、例えばtert−ブチルペルオキシド、ジイソブチリルペルオキシド、ジ−n−プロピルペルオキシジカーボネート、ジデカノイルペルオキシド、ジベンゾイルペルオキシド、tert−ブチルパーオキシベンゾエート、ジ−tert−アミルペルオキシドなどの、有機ペルオキシドも酸化剤として使用することができる。
プロセス工程II)において使用されるコーティング組成物A)に関しては、コーティング組成物A)の含水量が、各事例において、組成物A)の総重量に基づいて、2重量%未満、好ましくは、0.5重量%未満、最も好ましくは、0.3重量%未満であることが特に好ましい。含水量は、本明細書で開示される試験方法(試験方法「Karl−Fischer滴定による含水量測定」)によって決定される。
更に、コーティング組成物A)の金属含有量、具体的には鉄含有量は、コーティング組成物A)の含水量が、各事例において、組成物A)の総重量に基づいて、100ppm未満、より好ましくは、50ppm未満、最も好ましくは、10ppm未満であることも好ましい。鉄含有量は、本明細書で開示される試験方法(試験方法「鉄含有量」)によって決定される。
ガラス基板をコーティング組成物A)でコーティングし、こうして得られた層構造をホットプレート上において200℃で3分間乾燥させることによって作製される導電層の導電性は、好ましくは、少なくとも0.2S/cm、より好ましくは、1S/cm、最も好ましくは、少なくとも5S/cmである。
プロセス工程II)においてコーティング組成物A)で光活性層を重畳することは、既知の方法によって、例えば、0.1μm〜250μmの湿潤フィルム厚さ、好ましくは、0.5μm〜50μmの湿潤フィルム厚さにおいて、スピンコーティング、浸漬、注入、滴下、注射、スプレー、拡散、塗布によって、又は印刷、例えばインクジェット、スクリーン、凹版、オフセット、又はパッド印刷によって達成することができる。
本発明によるプロセスの特定の一実施形態によれば、コーティング組成物A)は、導電層が光活性層と直接接触するように、光活性層に直接適用される。本発明によるプロセスの更なる特定の一実施形態によれば、コーティング組成物A)は、光活性層に直接適用されない。この特定の実施形態において、光活性層は、プロセス工程II)においてコーティング組成物A)で重畳される前に、1つ又は2つの追加の層で少なくとも部分的に覆うことができる。
この文脈において述べることができる適切な追加の層は、酸化ニッケル、酸化モリブデン、又は酸化タングステンを含む層などの無機正孔輸送層、スピロ−OMeTAD(2,2’,7,7’−テトラ−kis−(N,N−ジ−pメトキシフェニルアミン)−9,9’−スピロビフルオレン))、P3HT(ポリ(3−ヘキシルチオフェン))、PCPDTBT(ポリ[2,1,3−ベンゾチアジアゾール−4,7−ジイル[4,4−ビス(2−エチルヘキシル)−4H−シクロペンタ[2,1−b:3,4−b’]ジチオフェン−2,6−ジイル]])、PVK(ポリ(N−ビニルカルバゾール))、HTM−TFSI(1−ヘキシル−3−メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド)、Li−TFSI(リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド)、tBP(tert−ブチルピリジン)、又はPTTA(ポリ[ビス(4−フェニル)(2,4,6−トリメチルフェニル)アミン])などの層を含む有機正孔輸送層、励起子阻止層、または薄い絶縁層を含む。追加の層はまた、CuI(ヨウ化銅)、ポリアニリン、CuSCN(銅(I)チオシアネート)、4,4’,4’’−トリス[フェニル(m−トリル)アミノ]トリフェニルアミン(m−MTDATA)、ポリ−及びオリゴ−トリアリールアミン(PTAA)、並びにカルバゾール系小分子からなる群から選択される材料に基づくこともできる。
本発明によるプロセスのプロセス工程III)では、有機溶媒b)が、プロセス工程II)において重畳されコーティング組成物A)から少なくとも部分的に除去され、それによって、光活性層上に重畳された導電層が得られる。有機溶媒b)の部分的除去は、単に重畳された光活性層を乾燥させることによって、好ましくは、光活性層を10〜200℃の範囲の温度まで加熱することによって達成することができ、乾燥条件は、当然、有機溶媒b)の沸点に依存する。
上で述べた目的の解決に対する貢献はまた、本発明によるプロセスによって得ることができる層状体によって、好ましくは、本発明によるプロセスによって得られる層状体によっても行われる。この層状体は、導電性ポリマーの層でコーティングされる光活性層を備える。
上で述べた目的の解決に対する貢献はまた、分散物によっても行われ、該分散物は、
a)塩、又はカチオンポリチオフェンと対イオンとの複合体と、
b)5%未満、より好ましくは、2.5%未満、最も好ましくは、1%未満のΔA値を有する有機溶媒と、を含み、ΔAが、式(I)によって算出され、
ΔA=(A−A)/A×100%(I)
式中、Aは、CHNHPbI層が溶媒b)で重畳される前の吸収であり、Aは、30秒にわたって重畳された後の吸収であり、各事例において490nmで決定される。ΔA値は、光活性層としてCHNHPbI層を使用して、本明細書で開示される試験方法によって決定される(試験方法「表面溶解特性」を参照されたい)。
上で述べた目的の解決に対する貢献はまた、分散物によっても行われ、該分散物は、
a)塩、又はカチオンポリチオフェンと対イオンとの複合体と、
b)1×10−30〜20×10−30Cm、より好ましくは、1×10−30〜17×10−30Cm、最も好ましくは、1×10−30〜7×10−30Cmの誘電率を有する有機溶媒と、
c)金属ナノワイヤ、カーボンナノチューブ、グラフェン、及び架橋剤の群から選択される添加物と、を含む。
分散物の導電性を増加させる添加物として使用することができる適切な銀ナノワイヤは、例えば、国際公開第2012/022332(A)号、国際公開第2014/127909(A)号、独国特許出願公開第102010017706(A)号、米国特許第7,585,349号、又は国際公開第2008/073143(A)号において開示されている。この文脈では、分散物中の銀とカチオンポリチオフェン及び対イオンの合計量との重量比が、10:1〜1:10の範囲、特に好ましくは5:1〜1:5の範囲、最も好ましくは、2:1〜1:2の範囲であるような相対量で、銀ナノワイヤ及び導電性重合体b)が分散物中に存在することも好ましい。
上で述べた目的の解決に対する貢献はまた、分散物によっても行われ、該分散物は、
a)塩、又はカチオンポリチオフェンと対イオンとの複合体と、
b)有機溶媒と、
を含み、該分散物は、各事例において、分散物の総重量に基づいて、100ppm未満、より好ましくは、50ppm未満、最も好ましくは、10ppm未満の鉄含有量を有する。鉄含有量は、本明細書で開示される試験方法(試験方法「鉄含有量」)によって決定される。
好ましいカチオンポリチオフェン及び好ましい対イオンは、本発明によるプロセスに関して好ましい実施形態として既に述べたカチオンポリチオフェン及び対イオンである。故に、特に好ましい対イオンは、少なくとも一部がスルホン化された重合スチレンモノマー単位、及び重合非スルホン化モノマー単位を含むコポリマーであり、非スルホン化モノマー単位のモル比は、各事例において、コポリマー中のモノマー単位の総量に基づいて、少なくとも5%、より好ましくは、少なくとも20%、最も好ましくは、少なくとも40%である。対イオンとしては、構造A−B−C−B−Aを有する、水素化又は非水素化の、好ましくは、水素化スチレンイソプレンブロックコポリマーも特に好ましく、該構造において、ブロックAは、tert−ブチル基によって少なくとも部分的に置換されたポリスチレンブロックに対応し、ブロックBは、水素化又は非水素化の、しかしながら好ましくは、水素化ポリイソプレンブロックに対応し(完全水素化ポリイソプレンブロックは、交互共重合されたエチレン−プロピレン単位のブロックに化学的に対応する)、ブロックCは、少なくとも部分的にスルホン化されたポリスチレンブロックに対応する。
本発明による上で述べた分散物の更に好ましい実施形態によれば、ガラス基板を分散物でコーティングし、こうして得られた層構造をホットプレート上において200℃で3分間乾燥させることによって作製される導電層の導電性は、少なくとも0.2S/cm、より好ましくは、少なくとも1S/cm、最も好ましくは、少なくとも5S/mである。
本発明による分散物は、各事例において、分散物の総重量に基づいて、2重量%未満、好ましくは、0.5重量%未満、最も好ましくは、0.3重量%未満の含水量を有することが更に好ましい。含水量は、本明細書で開示される試験方法(試験方法「Karl−Fischer滴定による含水量測定」)によって決定される。
上で述べた目的の解決に対する貢献はまた、本発明による層状体を備える、又は本発明による層状体を調製するためのプロセスに関して説明されたコーティング組成物A)によって調製された、又は本発明による分散物のうちの1つによって調製された導電層を備える、電子デバイスによっても行われ、該電子デバイスは、好ましくは、光起電力デバイスであり、特に好ましくは、逆構造を有する太陽電池である。
いわゆる「従来の構造」を有する太陽電池において、光活性層は、一般に、透明酸化インジウムスズ(ITO)とアルミニウム(Al)電極との間に挟まれ、該Al電極は、電子を収集する。「逆構造」を有する太陽電池において、光活性層は、化学的に安定したn型金属酸化物でコーティングされたITO電極と、金又は銀などの非腐食性金属で作製された電極との間に挟むことができる。この配設において、光活性層の中の光発生電子は、改良されたITOによって収集され、一方で、光発生正孔は、高仕事関数の金属によって収集される。これらのポリマー太陽電池は、電子が従来の太陽電池における電子と反対の方向に流れるので、逆であると説明される。
上で述べた目的の解決に対する貢献はまた、光起電力デバイスを調製するための、好ましくは、逆構造を有する太陽電池を調製するためのプロセスによっても行われ、該プロセスは、
i)
− 第1の電極3と、
− 光活性層5であって、ペロブスカイト型結晶構造を有する材料で作製される、光活性層5と、
− 第1の電極3と光活性層5との間に局在化される電子輸送層4と、を備える多層前駆体を提供するプロセス工程と、
ii)導電性ポリマーa)及び有機溶媒b)を含むコーティング組成物A)で少なくとも部分的に多層前駆体の光活性層5を重畳するプロセス工程と、
iii)プロセス工程ii)において重畳された組成物A)から有機溶媒b)を少なくとも部分的に除去し、それによって、光活性層5上に重畳された正孔輸送層6を得るプロセス工程と、
iv)第2の電極7で正孔輸送層6を少なくとも部分的に重畳するプロセス工程と、を含む。
プロセス工程i)において、第1の電極3、光活性層5、及び第1の電極3と光活性層5の間に局在化される電子輸送層4を備える多層前駆体が提供され、光活性層5は、ペロブスカイト型結晶構造を有する材料で作製される。
第1の電極3及び第2の電極7の材料の好ましい例としては、酸化インジウムスズ(ITO)、酸化インジウム亜鉛(IZO)、酸化スズ(SnO2)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化フルオロスズ(FTO)、及び酸化アンチモンスズ(ATO)などの透明で高導電性の材料が挙げられる。第1の電極3及び第2の電極7の材料の更なる例としては、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、プラチナ(Pt)、銀(Ag)、金(Au)、銅(Cu)、モリブデン(Mo)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、これらのうちの少なくとも2つの組み合わせ(例えば、共堆積層中に存在し得る、これらの合金、アルミニウム−リチウム、カルシウム(Ca)、マグネシウム−インジウム(Mg−In)、又はマグネシウム−銀(Mg−Ag))の極めて薄い層及び薄い金属層、並びに、例えばグラファイト及びカーボンナノチューブなどの、炭素含有材料が挙げられる。この文脈において、上で説明した金属層は、光透過性となるのであれば、極めて薄いもの若しくはストリップグリッドの形態のいずれかとすることもでき、又はナノチューブ、ナノワイヤ、若しくはそれらのネットワークとして覆うために使用することができる。導電性材料を含む導電層、例えば導電性PEDOT:PSS層はなお更に、とりわけ、第1の電極3及び第2の電極7のための透明材料としても可能である。第1の電極3及び第2の電極7の厚さは、従来は、2〜500nmの範囲、特に好ましくは、50〜200nmの範囲である。極めて薄い透明又は半透明の金属層が特に好ましく、2〜20nmの範囲の厚さを有する。
第1の電極3は、適切な基板2の上へ適用することができる。好ましくは、基板2は、実質的に透明(無色で透明、有色で透明、又はクリアで透明)であり、具体的には、活性材料(電子供与体及び受容体材料)の吸収スペクトルの波長範囲内であり、例えば太陽光などの外部の光の通過を可能にする。基板2の例としては、ガラス基板及びポリマー基板が挙げられる。基板のためのポリマーの非限定的な例としては、ポリエーテルスルホン(PES)、ポリアクリレート(PAR)、ポリエーテルイミド(PEI)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、ポリアリレート、ポリイミド、ポリカーボネート(PC)、セルローストリアセテート(TAC)、及びセルロースアセテートプロピオネート(CAP)が挙げられる。適当な基材2を選択するときには、これらが、層状体のリールツーリール生成プロセスに適した基材が好ましい。基板2は、追加の機能性コーティングをなお更に装備することができる。ここでは、反射防止仕上げ剤、反射防止剤、UV遮断剤、並びにガス及び水分バリアが好ましい。基板2は、少なくとも1つの材料の混合物を含む単層構造を有することができる。別の実施形態において、この基板は、多層構造を有することができ、該多層構造は、上下に配設された層を備え、該層の各々は、少なくとも2つのタイプの材料を含む。
電子輸送層4は、好ましくは、チタン、TiO、TiO、ZnO、SnO、MoO、WO、Fe、ZnSnO、BaTiO、及びBaSnOなどのn型半導性金属酸化物、又はフェニル−C61−酪酸メチルエステル(PCBM)に基づくもののような有機半導体からなる群から選択される少なくとも1つの材料で形成され、ITOに基づく第1の電極3の事例では、TiOを含む電子輸送層4が特に好ましく、Alに基づく第1の電極3の事例では、チタンを含む電子輸送層4が特に好ましい。電子輸送層4の厚さは、従来は、2nm〜500nmの範囲、特に好ましくは、10〜200nmの範囲である。
プロセス工程i)において提供される前駆体の光活性層5は、ペロブスカイト型結晶構造を有する材料で作製される。好ましい光活性層は、本発明による層状体を調製するためのプロセスに関して既に上で述べた層である。特に好ましい光活性層5は、ペロブスカイト型結晶構造を有する材料がコーティングされる多孔質誘電体骨格材料を含む。そのような多孔質材料は、本発明による層状体を生成するためのプロセスに関連して既に説明されている。
プロセス工程ii)において、多層前駆体の光活性層5が、導電性重合体a)及び有機溶媒b)を含むコーティング組成物A)によって少なくとも部分的に重畳され、プロセス工程iii)において、有機溶媒b)が、プロセス工程ii)において重畳された組成物A)から少なくとも部分的に除去され、それによって、光活性層5に重畳された導電性正孔輸送層6が得られる。光起電力デバイスを調製するためのプロセスのプロセス工程ii)及びiii)は、基本的に、本発明による層状体を調製するためのプロセスのプロセス工程II)及びIII)に対応する。好ましいコーティング組成物A)は、プロセス工程II)に関して既に述べたものであり、プロセス工程ii)においてコーティング組成物A)で光活性層5を重畳する好ましい条件、及びプロセス工程iii)において有機溶媒b)を除去する方法は、プロセス工程II)及びIII)に関して既に述べた好ましい条件に対応する。
プロセス工程iv)において、正孔輸送層6は、第2の電極7で少なくとも部分的に重畳され、第2の電極7は、第1の電極3及び第2の電極7の適切な材料として上で述べた材料のいずれかで作製することができる。
上で述べた目的の解決に対する貢献はまた、光起電力デバイスを調製するための本発明によるプロセスによって得ることができる光起電力デバイスによって、このプロセスによって得られる光起電力デバイスによっても行われ、該光起電力デバイスは、好ましくは、逆構造を有する太陽電池である。
以下、本発明は、試験方法、並びに非限定的な図面及び例を用いて、より詳細に説明される。
試験方法
光活性層に対する本発明によるプロセスにおいて用いられる組成物の層の機能的性質を評価するための手順は、以下の通りである。
基板の洗浄
使用前に、以下のプロセスによってITOをプレコートしたガラス基板(5cm×5cm)を洗浄した。
1.アセトン、イソプロパノール、及び水で入念にリンスする
2.0.3%濃度のMucasol溶液(Merz)の槽の中で、70℃で15分間超音波処理する
3.水で入念にリンスする
4.遠心分離機での回転分離によって乾燥させる
5.使用直前に15分間UV/オゾン処理(PR−100、UVP Inc.,Cambridge、英国)を行う
TiO平面層(文献:Docampo他、Nature Comm.2013による)
亜酸化チタン(TiO)平面層を溶液処理する。このプロセスは、4つの溶液の適用を含む。
a)塩酸(HCl)ストック溶液1:
0.5gの濃縮HCl(37重量%、工業用、AppliChem)を、1.55gのイソプロパノール(無水、99.5%、Sigma−Aldrich)に加え、空気中において15分間撹拌し、2MのHClストック溶液に至る。
b)HClストック溶液2:
600μLのHClストック溶液1を、34.5gのイソプロパノール(無水、99.5%、Sigma−Aldrich)で希釈し、そして、窒素下で約12時間撹拌し、0.026MのHClストック溶液に至る。
c)TiO前駆体溶液1:
554μLのチタン(IV)イソプロポキシド(99.99%、微量金属ベース、Sigma−Aldrich)を、マイクロピペットを使用して、3.00gのイソプロパノールに加え、続いて、15分間撹拌する。全ての取り扱いは、グローブボックスにおいて窒素下で行われる。
d)TiO前駆体溶液2:
3.00gのHClストック溶液2を、激しく撹拌しながら、滴下によって3.00gのTiO前駆体溶液1にゆっくりと加える。溶液は、0.45μmのPTFEシリンジフィルタを通して濾過する前に、15分間撹拌した。溶液は、新しいものを使用しなければならない。
次いで、溶液を、2000rpmで60秒間のスピンコーティングによって、洗浄したITO基板に適用し、次いで、ホットプレート上で空気中において300℃で30分間乾燥させ、乾燥前に、縁部のTiOを洗浄して、後で製作されるデバイスの良好な接触を可能にした。このITOの熱処理は、その初期導電性を損なわなかった。
活性層(Jeng他、adv.Mat.2013による)
ペロブスカイト前駆体溶液:
0.56gのヨウ化鉛(II)(PbI、99%、Sigma−Aldrich)、及び0.19gのヨウ化メチルアンモニウム(CHNHI、Solaronix)を、スクリューキャップ式の薬瓶において、1:1の等モル比(30重量%)で、2.5gのN,N−ジメチルホルムアミド(DMF、無水、99.8%、Sigma−Aldrich)中に溶解し、そして、12時間又は全ての材料が溶解するまで60℃で撹拌した。全ての取り扱い及び処理は、グローブボックスにおいて窒素下で行われる。
ペロブスカイト光活性層デバイスの調製:
この時点で、ペロブスカイト前駆体溶液をITO/TiO基板の上へ滴下し、そして、余分な溶液を、200rpm/秒のスピン加速を使用して、3000rpmで30秒間のスピンコーティングによって回転液切りする。コーティングプロセス中に、及び特に高温での乾燥工程中に、深紫光吸収ペロブスカイトCHNHPbIが形成される。次いで、この層を、ホットプレート上において100℃で15分間直接乾燥させ、続いて、空気中において130℃で2分間乾燥させる。
導電性PEDOT:対イオン層の堆積
PEDOT:対イオン層(正孔輸送層)を生成するために、分散物を上で述べた光活性層の上へ適用する(層のシーケンスは、ガラス基板/ITO/TiO/前駆体としてのCHNHPbI(試料の調製を参照されたい))。コーティング組成物は、領域を完全に覆うために、前駆体のCHNHPbI層の上へピペットによって適用した。余分な分散物は、スピンコーティング(条件:空気中において約1,000rpmで20秒)によって回転液切りした。その後に、ホットプレート上における乾燥工程を、空気中において80℃で5分、続いて、窒素下において130℃で10分の2つの工程において行った。
OPVセル
コーティング組成物の更なる試験のために、以下の逆の層構造、ガラス基板/ITO/TiO/CHNHPbI/導電性PEDOT:対イオン層/銀を有するOPVセルを生成し、既に上で説明した指示に従って、所与の順序で、TiOを約70nmの層厚さで、CHNHPbIを約200〜250nmの層厚さで、PEDOT:対イオンを約100nmで適用した。300nmの層厚さを有する銀電極を、約10Å/sの蒸着速度を有するシャドウマスクを通して、5×10−6mbar未満で、減圧蒸着ユニット(Edwards)を使用して蒸着させた。シャドウマスクは、0.28cmの光活性領域を画定する。正確な光電流測定のために、個々のセルは、導電性PEDOT:対イオン又はCHNHPbIのために更に電流が収集されるエッジ効果を回避するために、小刀で慎重にけがき、したがって、正確に画定した領域まで低減させた。測定のために、画素マスクを適用して、測定の正確な活性領域を画定した。更に、デバイスの測定のために、基板縁部において全ての層を除去し、液体の銀塗料を塗って、ITOに対する良好な接触を可能にした。この時点で、デバイスの電流−電圧測定及び光起電力性能の特徴付けの準備ができている。
表面溶解特性
光活性層(CH3NH3PbI3層など)の表面溶解は、以下のプロセスによって確認する。
a)有機溶媒b)の固定フィルムを、光活性層の上へ30秒間適用し、該光活性層は、100〜300nmの範囲の厚さを有する(液体フィルムは、ピペットで、活性層の広い領域にわたって適用した)
b)固定フィルムをトルエンによって洗浄する
c)洗浄したフィルムを2000rpmで30秒間回転させる
d)回転させたフィルムをホットプレート上において80℃で1分間乾燥させる
覆っている間に表面溶解が起こった場合、これは、フィルムの接点領域の色合い又は強度の目に見える変化に至る。組成物による表面溶解効果は、UV/Vis分光法(PerkinElmer Lambda900)によって測定した。この文脈において、無処理の活性層の吸収を測定し、正確に同じ場所で、液体フィルムの適用前と、洗浄し、乾燥させた後とを比較した。比較には、490nmの波長を選択した。次いで、波長での吸収の変化が、材料の吸収及び関連付けられる剥離の低減を表す。液体フィルムがいかなる表面溶解にも至らなかった場合、表面は、変化しないままであり、溶解が完了した場合は、フィルムが接触領域から外れる。490nmでの吸収の変化ΔAは、以下の式に従って算出した。
ΔA=(A−A)/A×100%
式中、Aは、溶解前の吸収であり、Aは、溶解後の吸収である。A値及びA値を決定するときには、光活性層が適用される基板の吸収を減算しなければならない(A=A0決定−A基板、A=AD決定−A基板)。
セルの特徴付け
生成されるペロブスカイトPVセルは、1.5AMのスペクトルを有するソーラーシミュレータ(1,000Wのクォーツ−ハロゲン−タングステンランプ、Atlas Solar Celltest575)で測定した。光強度は、格子フィルタを挿入することによって減衰させることができる。試料平面での強度は、Si光電セルで測定され、約1,000W/mである。Si光電セルは、事前に全天日射計(CM10)によって調整した。試料ホルダーの温度は、熱センサ(PT100+testtherm9010)で決定し、測定中、最高40℃である。OPVセルの2つの接点は、ケーブルを介して電流/電圧源(Keithley2800)に接続される。測定する前に、セルは、5分間光浸漬してTiOを活性化させ、完全な機能性及び再現性を可能にした。測定について、セルは、−1.0V〜1.5Vの電圧範囲で走査し、−1.0Vに戻し、そして、光電流を測定した。測定ステップは、完全な電荷平衡を可能にし、ヒステリシス効果sを回避するために、5秒毎に0.01Vであった。測定は、セルの照明後の完全な機能性を保証するために、セル1つあたり合計で3回行い、最初に暗所で行い、次いで照明下で行い、最後に再度暗所で行った。データは、コンピュータに基づくLabviewプログラムを介して記録した。これは、ダイオードの典型的な電流密度/電圧特性線に至り、そこから、直接又は欧州規格EN60904−3に従う算出によって、「開回路電圧」(Voc)、「短絡電流密度」(Jsc)、充填率(FF)、及び効率又は有効性(Eff.)などのOPV特性データを決定することができる。次いで、充填率を式1に従って算出する。
式中、Vmppは、電圧であり、Jmppは、照明下にあるセルの特性線上の「最大出力点」(mmp)での電流密度である。
導電性:
導電性は、比抵抗の逆数を意味する。比抵抗は、表面抵抗と導電性ポリマー層の層厚さとの積から算出される。表面抵抗は、導電性ポリマーの場合、DIN EN ISO3915に従って決定される。具体的には、上記の基板洗浄プロセスによって入念に洗浄にした50mm×50mmのサイズのガラス基板に、スピンコーターによって均一なフィルムとして、調査されるポリマーを適用する。この手順において、コーティング組成物は、ピペットによって領域を完全に覆うように基板に適用し、そして、スピンコーティングによって直接回転液切りする。コーティング組成物のスピン条件は、空気中において約1,000rpmで20秒であった。その後に、ホットプレート上において乾燥工程(空気中において200℃で3分)を行った。実施例6及び7(比較実施例)の試験のために、ホットプレート上における乾燥工程は、空気中において130℃で15分間行った。全ての事例において、2.0cmの距離で長さ2.0cmの銀電極が、シャドウマスクを介してポリマー層上に蒸着される。次いで、小刀によって2本の線をけがくことによって、電極間の層の正方形領域を層の残部から電気的に分離させる。表面抵抗は、抵抗計(Keithley614)を用いて、Ag電極間で測定する。ポリマー層の厚さは、けがいて分離させた場所において、スタイラスプロフィロメーター(Dektac150、Veeco)を用いて決定する。
固体含有量:
固体含有量は、精密スケール(Mettler AE240)を使用して重量測定によって決定した。最初に、蓋を含む空の秤量瓶の自重を計量する(重量A)。次いで、約3gの分析される分散物を瓶の中へ素早く充填し、蓋を閉じ、再度計量して、正確な総重量Bを決定する。次いで、瓶を、蓋(lit)なしで、ヒュームフードの中に約3時間配置して、室温での揮発性溶媒の蒸発を可能にする。第2の工程では、瓶を、100℃で16〜17時間、換気付きの乾燥オーブン(Memmert UNB200)の中に配置する。試料瓶をオーブンから取り出すときには、乾燥した分散物材料の吸湿性の性質のため、ガラス蓋によって即座に覆うことが重要である。10〜15分の冷却期間の後に、蓋を含む瓶を再度計量して、重量Cを決定する。常時、2つの試料の決定を繰り返し行う。
固体含有量の算出:重量%の固体含有量=100×(C−A)/(B−A)
カールフィッシャー滴定による含水量の測定:
含水量は、カールフィッシャー滴定によって決定する。この目的のために、703滴定スタンドを有するMetrohm787KF Titrinoを使用する。滴定容器には、約1cmのプラチナ電極が浸るように、分析用メタノールを充填する。次いで、約5mlのHydranal緩衝酸を、ピペットで加える。滴定セルは、KFTプログラムを始動することによって自動的に乾燥させる。調製が完了すると、「KFT調整済」というメッセージが現れる。次いで、約5mlの分析される分散物を、シリンジを使用して滴定容器の中へ導入し、そして、シリンジを逆計量することによって、使用する分散物の正確な質量が決定される。次いで、滴定を開始する。測定値は、3つの個々の測定値の平均として決定される。
鉄含有量:
鉄含有量は、Autosamples Cetac ASX−520及びSmart−Analyser−Visionソフトウェアを装備したICP−OES Spectroblueを使用して、誘導結合プラズマ発光分光分析法(ICP−OES)によって決定した。
実施例1
機械式撹拌機を備える1Lの三つ口丸底フラスコにおいて、7.9gの3,4−エチレンジオキシチオフェン(Heraeus Precious Metals GmbH&Co KG、ドイツ)を、130gのtert−ブチルメチルエーテル、215gのシクロヘキサン/ヘプタン混合物中のスルホン化ブロックコポリマーの溶液(Kraton Nexar MD9150、11.0%の固体)、及び9gのパラ−トルエンスルホン酸(Aldrich)の混合物に加えて、30分間撹拌した。15gの過酸化ジベンゾイル(Aldrich)を加え、混合物を還流まで加熱した。6時間後、混合物を室温まで冷却させ、1175gのtert−ブチルメチルエーテルで希釈した。2日後、50nm未満の低分子量の不純物を除去するために、残留固体を濾過し、濾過物は、ダイアフィルトレーション(セラミック膜フィルタ)(Pall Schumasiv、ポアサイズ50nm、部品番号88519721)によって精製した。精製後に、固体含有量は、2.1%であると決定された。
分析
固体含有量: 2.1%(重量)
含水量: 0.2%(カールフィッシャー滴定)
溶媒組成物: 88%のメチルtert−ブチルエーテル、6%のシクロヘキサン、6%のn−ヘプタン
PEDOT:対イオンの比率: 1:3(w/w)
鉄含有量: 10ppm未満
実施例2:
機械撹拌機を備える3Lの三つ口丸底フラスコに、1233gのトルエン、19.1gの過酸化ジベンゾイル(dipenzoylperoxide)(158mmol、Aldrich)、282gのシクロヘキサン/ヘプタン混合物中のスルホン化ブロックコポリマーの溶液(Kraton Nexar MD9150、11.0%の固体)、及び46gのパラ−トルエンスルホン酸(240mmol、Aldrich)を充填した。撹拌の間、混合物は、30分間、窒素ガスでパージした。60℃に加熱した後に、137gのトルエン中に溶解した10gの3,4−エチレンジオキシチオフェン(70mmol、Clevios M V2、Heraeus Precious Metals GmbH&Co KG、ドイツ)を1時間にわたって滴下で加えた。分散物は、60℃で更に4時間にわたって撹拌した。室温まで冷却した後、分散物は、濾過によって固体を取り出す前に、1週間にわたって立てたままにした。
分析:
固体含有量: 2.6%(重量)
残留水分: 0.1%(カールフィッシャー滴定)
導電性: 0.2S/cm
溶媒組成物: 86%のトルエン、7%のシクロヘキサン、7%のn−ヘプタン
PEDOT:対イオンの比率: 1:3
鉄含有量: 10ppm未満
実施例3:
重合は、ヘプタンを溶媒として使用したことを除いて、実施例2に類似して調製した。
分析:
固体含有量: 2.6%(重量)
残留水分: 0.2%(カールフィッシャー滴定)
導電性: 0.2S/cm
鉄含有量: 10ppm未満
実施例4:
重合は、メチル−tert−ブチルエーテル及び酢酸エチル(50:50のw/w)の混合物を溶媒として使用したことを除いて、実施例2に類似して調製した。
分析:
固体含有量: 2.6%(重量)
残留水分: 0.2%(カールフィッシャー滴定)
導電性: 2.0S/cm
鉄含有量: 10ppm未満
比較実施例1
PEDOT:PSS分散物は、独国特許出願公開第102007041722(A1)号の実施例2に従って調製した。
分析:
固体含有量: 1.3%(重量)
含水量: 98.7%
導電性: 0.1S/cm(ジメチルスルホキシドなし)
PEDOT:PSSの比率 1:2.5
鉄含有量: 10ppm未満
比較実施例2
分散物は、国際公開第2014/154360(A2)号の組成物1aに従って調製した。
分析:
固体含有量: 0.7%(重量)
含水量: 6%の水
導電性: 100S/cm
PEDOT:PSSの比率 1:2.66
溶媒: 水、エチレングリコール、プロピレングリコール、エタノール、イソプロパノール、ジクロロベンゼン
鉄含有量: 10ppm未満
実施例5
この実施例は、更なる特徴付け及び溶媒系PEDOT分散物のコーティング特性のための実験を含む。
表面溶解特性の調査において、本発明によるコーティング組成物の一部としての可能な溶媒について、30秒の溶媒露出の後に、CHNHPbI層(490nm)のいかなる表面溶解も見られなかった(表2を参照されたい)。5%を超える吸収の低減を表面溶解プロセスとして評価した。50%を超える事例では、層の完全な除去を示す色合い及び強度の明白な変化が肉眼でも分かり、したがって、明らかに吸収の50%の低減を超えた状態である。水、エチレングリコール、ジエチレングリコール、及びイソプロパノール(任意の極性アルコール)は、活性層を完全に溶解する。一方で、非極性有機溶媒に基づくコーティング組成物は、いかなる表面溶解特性も示さなかった。
表3は、本発明によるコーティング組成物が全て、比較実施例のコーティング組成物よりも良好な活性層CHNHPbIの頂部のフィルム形成を実証することを示す。非常に良好な湿潤が観察され、これは、下にある活性層との良好な適合性を示す。
++=欠陥のない均一な層、+=層の中に30面積%未満の正孔不良を有する均一な層、0=層の中に30〜60面積%の正孔不良を有する均一な層、−=層の中に60面積%を超える正孔不良を有する、−−=層形成/ビーディングなし
実施例6
実施例6は、比較実施例1及び2で調製した分散物と比較して、実施例2において調製した分散物を使用したペロブスカイト型太陽電池のデバイス性能を示す。
比較実施例1の水性分散物、又は前駆体と同じガラス基板/ITO/TiO/CHNHPbIの層順序の比較実施例2の溶媒系分散物に基づく比較実施例の試験のために、導電性ポリマー層を順にCHNHPbI層上に形成した。分散物は、ピペットによって前駆体のCHNHPbI層に適用して、領域を完全に覆い、スピンコーティング(条件:空気中において約1500rpmで30秒)によって直ちに回転液切りした。その後に、ホットプレート上における乾燥工程を、空気中において80℃で5分、続いて、窒素下において130℃で10分の2つの工程において行った。
機能するペロブスカイトPVセルは、本発明による実施例2から生成することができる。7.10mA・cm−2のJSC、0.45のFF、及び0%を超える効率によって、デバイスは、光起電力セルの定義に従って機能する。0mA・cm−2を超えるJscは、光応答及び入射光から生成された電流を示す。比較実施例1及び2において得られたコーティング組成物の基準材料は、完全な溶解による溶媒系と活性材料ペロブスカイトとの不適合性のため、ペロブスカイトPVセルの生成に適さなかった。

Claims (25)

  1. 層状体を生成するためのプロセスであって、
    I)ペロブスカイト型結晶構造を有する材料を含む光活性層を提供するプロセス工程と、
    II)導電性ポリマーa)及び有機溶媒b)を含むコーティング組成物A)で少なくとも部分的に前記光活性層を重畳するプロセス工程と、
    III)プロセス工程II)において重畳された前記コーティング組成物A)から前記有機溶媒b)を少なくとも部分的に除去し、それによって、前記光活性層に重畳された導電層を得るプロセス工程と、
    を少なくとも含む、プロセス。
  2. ペロブスカイト型結晶構造を有する前記材料が、式R’MXを有し、
    式中、R’が、N含有ヘテロ環及び環系を含む、第一級、第二級、第三級、又は第四級有機アンモニウム化合物から選択される有機一価のカチオンであり、R’が、1〜15個の炭素及び1〜20個のヘテロ原子、又はCsを有し、
    Mが、Cu2+、Ni2+、Co2+、Fe2+、Mn2+、Cr2+、Pd2+、Cd2+、Ge2+、Sn2+、Pb2+、Eu2+、及びYb2+からなる群から選択される二価の金属カチオンであり、
    Xが、F、Cl、Br、I、NCS、CN、及びNCOからなる群から独立に選択される、請求項1に記載のプロセス。
  3. R’が、CHNH であり、
    Mが、Pb2+であり、
    Xが、F、Cl、I、及びBrからなる群から独立に選択される、請求項2に記載のプロセス。
  4. 前記導電性ポリマーa)が、カチオンポリチオフェンを含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載のプロセス。
  5. 前記導電性ポリマーa)が、塩、又はカチオンポリチオフェン及び対イオンの複合体である、請求項4に記載のプロセス。
  6. 前記対イオンが、少なくとも一部がスルホン化された重合スチレンモノマー単位、及び重合非スルホン化モノマー単位を含むコポリマーであり、前記非スルホン化モノマー単位のモル比が、前記コポリマー中のモノマー単位の総量に基づいて、少なくとも5%である、請求項5に記載のプロセス。
  7. 前記対イオンが、構造A−B−C−B−Aを有する水素化スチレンイソプレンブロックコポリマーであり、該構造において、ブロックAが、tert−ブチル基によって少なくとも部分的に置換されたポリスチレンブロックに対応し、ブロックBが、交互共重合エチレン−プロピレン単位のブロックに対応し、ブロックCが、スルホン化ポリスチレンブロックに対応する、請求項5に記載のプロセス。
  8. プロセス工程II)において前記光活性層が少なくとも部分的に重畳される前記組成物A)の含水量が、各事例において、組成物A)の総重量に基づいて、2重量%未満、好ましくは0.5重量%未満である、請求項1〜7のいずれか一項に記載のプロセス。
  9. 前記有機溶媒b)が、非極性の非プロトン溶媒である、請求項1〜8のいずれか一項に記載のプロセス。
  10. 前記有機溶媒b)の誘電率が、1×10−30〜20×10−30Cmである、請求項1〜9のいずれか一項に記載のプロセス。
  11. 前記有機溶媒b)が、7D未満の双極子モーメントを有する、請求項1〜10のいずれか一項に記載のプロセス。
  12. 前記有機溶媒b)が、前記光活性層の表面に重畳されたときに、5%未満のΔA値を示す溶媒であり、前記ΔA値が、式(I)によって算出され、
    ΔA=(A−A)/A×100%(I)
    式中、Aは、前記光活性層が前記有機溶媒b)で重畳される前の前記光活性層の吸収であり、Aは、30秒にわたって重畳された後の前記光活性層の吸収であり、各事例において490nmで決定される、請求項1〜11のいずれか一項に記載のプロセス。
  13. 前記光活性層が、プロセス工程II)においてコーティング組成物A)で重畳される前に、1つ又は2つの追加の層で少なくとも部分的に覆われる、請求項1〜12のいずれか一項に記載のプロセス。
  14. 請求項1〜13のいずれか一項によるプロセスによって得ることができる層状体。
  15. 分散物であって、
    a)塩、又はカチオンポリチオフェンと対イオンとの複合体と、
    b)5%未満のΔA値を有する有機溶媒であって、前記ΔA値が、式(I)によって算出され、
    ΔA=(A−A)/A×100%(I)
    式中、Aは、CHNHPbI層が前記有機溶媒bで重畳される前の吸収であり、Aは、30秒にわたって重畳された後の吸収であり、各事例において490nmで決定される、有機溶媒と、
    を含む、分散物。
  16. 分散物であって、
    a)塩、又はカチオンポリチオフェンと対イオンとの複合体と、
    b)1×10−30〜20×10−30Cmの誘電率を有する有機溶媒と、
    c)金属ナノワイヤ、カーボンナノチューブ、グラフェン、及び架橋剤の群から選択される添加物と、
    を含む、分散物。
  17. 分散物であって、
    a)塩、又はカチオンポリチオフェンと対イオンとの複合体と、
    b)有機溶媒と、
    を含み、前記分散物が、前記分散物の総重量に基づいて、100ppm未満の鉄含有量を有する、分散物。
  18. 前記ポリマー対イオンが、少なくとも一部がスルホン化された重合スチレンモノマー単位、及び重合非スルホン化モノマー単位を含むコポリマーであり、前記非スルホン化モノマー単位のモル比が、前記コポリマー中のモノマー単位の総量に基づいて、少なくとも5%である、請求項15〜17のいずれか一項に記載の分散物。
  19. 前記対イオンが、構造A−B−C−B−Aを有する水素化スチレンイソプレンブロックコポリマーであり、該構造において、ブロックAが、tert−ブチル基によって少なくとも部分的に置換されたポリスチレンブロックに対応し、ブロックBが、交互共重合エチレン−プロピレン単位のブロックに対応し、ブロックCが、スルホン化ポリスチレンブロックに対応する、請求項15〜17のいずれか一項に記載の分散物。
  20. ガラス基板を前記分散物でコーティングし、こうして得られた層構造をホットプレート上において200℃で3分間乾燥させることによって作製される導電層の導電率が、少なくとも0.2S/cm、好ましくは、少なくとも1S/cmである、請求項15〜19のいずれか一項に記載の分散物。
  21. 前記分散物の含水量が、各事例において、前記分散物の総重量に基づいて、2重量%未満、好ましくは0.5重量%未満である、請求項15〜20のいずれか一項に記載の分散物。
  22. 請求項14による層状体を含む、又は請求項1及び4〜12のいずれか一項において定義されるコーティング組成物A)によって、若しくは請求項15〜21のいずれか一項による分散物によって調製された導電層を含む、電子デバイス。
  23. 前記電子デバイスが、光起電力デバイス(1)である、請求項22に記載の電子デバイス。
  24. 光起電力デバイス(1)を作製するためのプロセスであって、
    i)
    第1の電極(3)と、
    光活性層(5)であって、ペロブスカイト型結晶構造を有する材料で作製される、光活性層(5)と、
    前記第1の電極(3)と前記光活性層(5)との間に局在化される電子輸送層(4)と、
    を備える多層前駆体を提供するプロセス工程と、
    ii)導電性ポリマーa)及び有機溶媒b)を含むコーティング組成物A)で少なくとも部分的に前記多層前駆体の前記光活性層(5)を重畳するプロセス工程と、
    iii)プロセス工程ii)において重畳された前記コーティング組成物A)から前記有機溶媒b)を少なくとも部分的に除去し、それによって、前記光活性層(5)上に重畳された導電正孔輸送層(6)を得るプロセス工程と、
    iv)第2の電極(7)で前記正孔輸送層(6)を少なくとも部分的に重畳するプロセス工程と、
    を含む、プロセス。
  25. 請求項24に記載のプロセスによって得ることができる光起電力デバイス(1)。

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