JP2021510924A - ペロブスカイト様構造を有する光吸収フィルムを製造するための方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、ペロブスカイト様構造を有する光吸収材料を製造するための方法に関し、これらの材料を節約し、変換器の許容サイズを増大させるための光電池の製造において光吸収層を形成するために使用できる。これらの利点は、基板上に成分Ｂの均一な層を形成することと、所定の条件下で成分Ｂと反応する試薬の混合物及びこれらの条件下でこの反応を抑制する反応阻害剤を調製することと、調製された混合物を、化学量論的量または化学量論的量より多く、成分Ｂの層上に塗布し、次いで、この混合物から反応阻害剤を除去することと、反応混合物と成分Ｂとの間の化学反応を確実に活性化させて、ペロブスカイト様材料を形成することと、によって得られる。【選択図】なし

Description

本発明は、ペロブスカイト様構造を有する光吸収材料を製造するための方法に関し、光電変換器の製造において光吸収層を形成するために使用され得る。

従来技術から、ペロブスカイト様構造を有する光吸収材料を製造するための様々な公知な方法が存在する。

論文［Ｊ．Ｂｕｒｓｃｈｋａ ｅｔ ａｌ．，「Ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｈｉｇｈ−ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ−ｓｅｎｓｉｔｉｚｅｄ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ」，Ｎａｔｕｒｅ，２０１３，Ｔ．４９９，Ｎｏ．７４５８，ｐ．３１６］には、基板上にＰｂＩ_２溶液を塗布し、その平面に対して垂直である軸を中心に高速で回転させる（回転基板法、スピンコート）ことにより基板上に必要な厚さのＰｂＩ_２層を塗布し、次いで、得られたＰｂＩ_２薄層を、ＭＡＩを含むイソプロパノール溶液に浸漬することにより、ペロブスカイトＣＨ_３ＮＨ_３ＰｂＩ_３の薄層を２段階で形成することが記載されている。

論文［Ｓａｌｉｂａ Ｍ． ｅｔ ａｌ．，「Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｕｂｉｄｉｕｍ ｃａｔｉｏｎｓ ｉｎｔｏ ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ」，Ｓｃｉｅｎｃｅ（８０−），２０１６，Ｖｏｌ．３５４，Ｎｏ．６３０９，ｐ．２０６−２０９］には、基板上にペロブスカイト溶液を塗布し、その平面に対して垂直な軸を中心に高速で回転させることにより（回転基板法、スピンコーティング）、必要な厚さのペロブスカイトＣＨ_３ＮＨ_３ＰｂＩ_３薄層を１段階で形成することについて記載している。

上記の方法の欠点は、大面積基板上において溶液からソース成分（ＰｂＩ_２）またはペロブスカイトの層を製造することが困難であることであり、したがって、大面積ペロブスカイト太陽電池を得ることができないことである。

既知の中国特許第１０４２５０７２３号明細書、Ｚｈｉ Ｚｈｅｎｇ，Ｃｈｅｎｇ Ｃａｍｒｙ，Ｌｅｉ Ｙａｎ，Ｊｉａ Ｈｕｉｍｉｎ，Ｈｏ Ｗｅｉ Ｗｅｉ，Ｈｅ Ｙｉｎｇｙｉｎｇ，「Ｃｈｅｍｉｃａｌｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｉｎ−ｓｉｔｕ ｌａｒｇｅ−ａｒｅａ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ ｔｙｐｅ ＣＨ_３ＮＨ_３ＰｂＩ_３ｍｅｍｂｒａｎｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｌｅａｄ ｓｉｍｐｌｅ−ｓｕｂｓｔａｎｃｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ」，２０１４年９月９日には、例えばエタノールなどのヨウ素及びヨウ化メチルアンモニウム／有機溶媒溶液に、大面積において制御された厚さで容易に均一に塗布された属鉛フィルムを浸漬した結果、ペロブスカイトＣＨ_３ＮＨ_３ＰｂＩ_３が製造されるための方法について記載されている。均一な層の形態である金属鉛は、マグネトロンスパッタリングによって電子伝導層の非多孔性表面に噴霧され、次にヨウ素分子及びヨウ化メチルアンモニウムを含む有機溶媒と反応させる。その結果、鉛の連続非多孔質層が、連続した非多孔質ペロブスカイト層となる。

中国特許第１０５３６９２３２号明細書、Ｚｈｉ Ｚｈｅｎｇ、Ｈｅ Ｙｉｎｇｙｉｎｇ、Ｌｅｉ Ｙａｎ、Ｃｈｅｎｇ Ｃａｍｒｙ、Ｊｉａ Ｈｕｉｍｉｎ、Ｈｏ Ｗｅｉ Ｗｅｉ，「Ｌｅａｄ−ｂａｓｅｄ ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ−ｔｙｐｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔａｌ ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ ｉｎ−ｓｉｔｕ ｗｉｄｅ ａｒｅａ ｃｏｎｔｒｏｌ ＣＨ_３ＮＨ_３ＰｂＢｒ_３ｆｉｌｍ ｍａｔｅｒｉａｌ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄ」，２０１５年２月１６日では、ペロブスカイトＣＨ_３ＮＨ_３ＰｂＢｒ_３を製造するための方法は、臭化メチルアンモニウム／有機溶媒（例えば、イソプロパノール）溶液に、大面積において制御された厚さで容易に均一に塗布される金属鉛フィルムを浸漬することに基づいて記載されている。

上記の方法の欠点は、製造されたペロブスカイト層の形態の制御が不十分であることと、基板を試薬溶液に浸漬する必要があるため、有機無機ペロブスカイトを形成する技術プロセスが複雑になり、かつ遅くなり、大面積フィルムの製造が困難になり、かつ製造、健康、及び環境のリスクにつながることである。

Ｐｅｔｒｏｖ Ａｎｄｒｅｙ Ａ．，Ｂｅｌｉｃｈ Ｎｉｋｏｌａｉ Ａ．，Ｇｒｉｓｈｋｏ Ａｌｅｋｓｅｉ Ｙ．，Ｓｔｅｐａｎｏｖ Ｎｉｋｉｔａ Ｍ．，Ｄｏｒｏｆｅｅｖ Ｓｅｒｇｅｙ Ｇ．，Ｍａｋｓｉｍｏｖ Ｅｕｇｅｎｅ Ｇ．，Ｓｈｅｖｅｌｋｏｖ Ａｎｄｒｅｉ Ｖ．，Ｚａｋｅｅｒｕｄｄｉｎ Ｓｈａｉｋ Ｍ．，Ｍｉｃｈａｅｌ Ｇｒａｅｔｚｅｌ，Ｔａｒａｓｏｖ Ａｌｅｘｅｙ Ｂ．，Ｇｏｏｄｉｌｉｎ Ｅｕｇｅｎｅ Ａ．，「Ａ ｎｅｗ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｏｆ ｈｙｂｒｉｄ ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅｓ ｖｉａ ｒｏｏｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｌｙｉｏｄｉｄｅ ｍｅｌｔｓ」Ｍａｔｅｒ．Ｈｏｒｉｚ．，２０１７，４，ｐ．６２５−６３２には、金属鉛層及びそれに塗布された試薬と、一般的な組成物ＭＡＩ_３＋ｘとの反応の結果として、ペロブスカイト層を形成するための無溶媒法について記載している。

既知の方法の欠点は、大面積基板に、粘性があり、かつ高濃度のポリヨウ化物（ポリハロゲン化物）試薬を均一に分布させることが困難であることのほか、制御ができないこと、及び溶融物を成分Ｂに対してこの化学量論的量で塗布できないことであり、これらは、特に、ペロブスカイト内において成分Ｂの変換が不完全であること、または元の溶融物の余剰成分を含む相が形成されることとなり得る。したがって、結果として、得られるフィルムの品質（特に、厚さ及び相組成の均一性）が低下し、これは、得られるフィルム、例えば太陽電池に基づく最終製品の効率に悪影響を及ぼす。

中国特許出願公開第１０４０５１６２９（Ａ）号明細書（２０１４／０９／１７）「Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ ｔｙｐｅ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｐｒａｙｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」では、ペロブスカイト太陽電池、特にАВХ_３組成物の光吸収ペロブスカイト組成物を製造するための技術的方法は、成分ＡＢ及びＢＸ_２を含む有機溶媒溶液の１段階または２段階噴霧によって記載されている。この方法の欠点は、実質的に非平衡結晶化プロセスが原因で、この方法によって得られるペロブスカイト層の厚さ、均一性、及び形態の制御が複雑であることであり、その制御は大面積では実行できない。さらに、この方法は、成分Ｂを含む溶液を噴霧することを意味しており、これは、製造、健康、及び環境のリスクに関連する。

上記の方法の一般的な欠点は、個々のペロブスカイト太陽電池の最大限可能なサイズが制限される大面積基板に必要な特性（厚さ、形態、光学的特性及び電気的特性）を備えたペロブスカイト薄層を形成する能力の基本的な技術的制限であり、したがって、定格容量のモジュール（バッテリー）を製造するための単価が低下する可能性が制限される。

中国特許第１０４２５０７２３号明細書 中国特許第１０５３６９２３２号明細書 中国特許出願公開第１０４０５１６２９（Ａ）号明細書

Ｊ．Ｂｕｒｓｃｈｋａ ｅｔ ａｌ．，「Ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｈｉｇｈ−ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ−ｓｅｎｓｉｔｉｚｅｄ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ」，Ｎａｔｕｒｅ，２０１３，Ｔ．４９９，Ｎｏ．７４５８，ｐ．３１６ Ｓａｌｉｂａ Ｍ． ｅｔ ａｌ．，「Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｕｂｉｄｉｕｍ ｃａｔｉｏｎｓ ｉｎｔｏ ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ」，Ｓｃｉｅｎｃｅ（８０−），２０１６，Ｖｏｌ．３５４，Ｎｏ．６３０９，ｐ．２０６−２０９ Ｚｈｉ Ｚｈｅｎｇ，Ｃｈｅｎｇ Ｃａｍｒｙ，Ｌｅｉ Ｙａｎ，Ｊｉａ Ｈｕｉｍｉｎ，Ｈｏ Ｗｅｉ Ｗｅｉ，Ｈｅ Ｙｉｎｇｙｉｎｇ，「Ｃｈｅｍｉｃａｌｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｉｎ−ｓｉｔｕ ｌａｒｇｅ−ａｒｅａ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ ｔｙｐｅ ＣＨ３ＮＨ３ＰｂＩ３ｍｅｍｂｒａｎｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｌｅａｄ ｓｉｍｐｌｅ−ｓｕｂｓｔａｎｃｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ，２０１４年９月９日 Ｚｈｉ Ｚｈｅｎｇ、Ｈｅ Ｙｉｎｇｙｉｎｇ、Ｌｅｉ Ｙａｎ、Ｃｈｅｎｇ Ｃａｍｒｙ、Ｊｉａ Ｈｕｉｍｉｎ、Ｈｏ Ｗｅｉ Ｗｅｉ，「Ｌｅａｄ−ｂａｓｅｄ ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ−ｔｙｐｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔａｌ ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ ｉｎ−ｓｉｔｕ ｗｉｄｅ ａｒｅａ ｃｏｎｔｒｏｌ ＣＨ３ＮＨ３ＰｂＢｒ３ｆｉｌｍ ｍａｔｅｒｉａｌ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄ」，２０１５年２月１６日 Ｐｅｔｒｏｖ Ａｎｄｒｅｙ Ａ．，Ｂｅｌｉｃｈ Ｎｉｋｏｌａｉ Ａ．，Ｇｒｉｓｈｋｏ Ａｌｅｋｓｅｉ Ｙ．，Ｓｔｅｐａｎｏｖ Ｎｉｋｉｔａ Ｍ．，Ｄｏｒｏｆｅｅｖ Ｓｅｒｇｅｙ Ｇ．，Ｍａｋｓｉｍｏｖ Ｅｕｇｅｎｅ Ｇ．，Ｓｈｅｖｅｌｋｏｖ Ａｎｄｒｅｉ Ｖ．，Ｚａｋｅｅｒｕｄｄｉｎ Ｓｈａｉｋ Ｍ．，Ｍｉｃｈａｅｌ Ｇｒａｅｔｚｅｌ，Ｔａｒａｓｏｖ Ａｌｅｘｅｙ Ｂ．，Ｇｏｏｄｉｌｉｎ Ｅｕｇｅｎｅ Ａ．，「Ａ ｎｅｗ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｏｆ ｈｙｂｒｉｄ ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅｓ ｖｉａ ｒｏｏｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｌｙｉｏｄｉｄｅ ｍｅｌｔｓ」Ｍａｔｅｒ．Ｈｏｒｉｚ．，２０１７，４，ｐ．６２５−６３２

本出願の観点から、ペロブスカイト様構造は、ペロブスカイト鉱物の結晶構造及びより低い特定の構造偏差（歪んだペロブスカイト構造）を有する結晶構造、例えば、格子対称性がより低いなど（例えば、正方晶系（ｔｅｔｒａｇｏｎａｌ ｓｙｎｇｏｎｙ））の両方か、または他の任意の層と交互にペロブスカイト層を含む結晶構造（例えば、Ａｕｒｉｖｉｌｌｉｕｓ相、ルドルスデン＝ポッパー相、Ｄｉｏｎ−Ｊａｃｏｂｓｏｎ相）の両方として理解されるべきである。ペロブスカイト様化合物は、ペロブスカイト様構造を有する化合物の概念である。

特許請求された発明によって解決される技術的問題は、成分Ｂを含む溶液を使用することなく、技術的な方法によって大面積基板に、АВＸ_３（Ａ＝ＣＨ_３ＮＨ_３ ^＋もしくは（ＮＨ_２）_２ＣＨ^＋もしくはＣ（ＮＨ_２）_３ ^＋もしくはＣｓ^＋もしくはＲｂ^＋もしくはそれらの混合物；Ｂ＝Ｂ＝Ｓｎ_２ ^＋もしくはＰｂ_２ ^＋、もしくはそれらの混合物（Ｂｉ添加剤及びＣｕ添加剤の添加など）；Ｘ＝Ｃｌ⁻またはＢｒ⁻またはＩ⁻またはそれらの混合物）の組成を有するペロブスカイト様構造を有する光吸収材料の均質なフィルムを製造するための技術的に進歩した方法を作り出すことである。

本発明の使用により達成される技術的結果は、任意のサイズの表面上に所望の微細構造及び機能特性を有するペロブスカイト層を形成できることである。

特許請求された発明を使用するときに達成された追加の技術的結果は、高い均一性を有する破断（またはピンホール）のない単相フィルムを得る可能性を提供することであり、これにより、得られた材料を大面積の太陽電池において使用できるようになる。この方法は、また、製造可能性、簡易性、及び実施速度によっても特徴付けられ、これにより、工業生産において利用しやすいものとなっている。本発明の実施により達成される別の追加の技術的結果は、前駆体の容量適用の可能性であり、これにより、合成中に試薬が大幅に損失することがなくなり、製造コストが低下する。追加の実現可能な技術的結果は、複雑な形状の基板上、特にフレキシブル基板上でペロブスカイトフィルムを得るための技術的に関連するアプローチを実施する際に本発明を使用することが可能でもある。

特許請求された発明を使用するときに達成される追加の技術的結果は、試薬の反応性を分配し、制御して、半導体材料を形成するプロセスを制御する能力である。

本出願では、反応混合物は、成分Ｂと反応する１つ以上の試薬、ならびに反応阻害剤を含むそれらの混合物を指す。

本出願では、阻害剤は、一般に、化学化合物またはいくつかの化合物の混合物を指し、阻害剤を反応混合物に添加することにより、２つ以上の試薬間での化学反応が抑制される。特定の場合において、溶媒は、阻害剤として作用し得、これにより、１つ以上の試薬の化学的活性が低下する。特定の場合において、阻害剤は、反応混合物のいくつかの成分と成分Ｂとの間の化学反応を阻害する。

技術的結果は、基板上に成分Ｂの均一な層を形成し、所定の条件下で成分Ｂと反応する試薬と、これらの条件下でこの反応を抑制する反応阻害剤との混合物を調製し、この混合物を化学量論的量または化学量論的量より多い量で成分Ｂの層上に塗布し、反応混合物と成分Ｂとの間の化学反応を活性化してペロブスカイト様材料を形成するために、この混合物から反応阻害剤を取り除くことによって達成される。すなわち、ペロブスカイト様構造を有する光吸収材料のフィルムを受け取ると、成分Ｂの均一な層が基板上に形成され、混合物が、所定の条件下で成分Ｂと反応する反応物質、及びこれらの条件下でこの反応を抑制する反応阻害剤から調製され、調製された混合物を化学量論的量または化学量論的量より多い量で成分Ｂの層上に塗布し、反応阻害剤を混合物から除去し、試薬の混合物と成分Ｂとの間の化学反応を確実に活性化させて、ペロブスカイト様フィルム材料を形成する。

特定の場合、本発明の実施において、反応阻害剤は、反応混合物からの蒸発、または混合物からの特定の試薬の凍結または反応阻害剤の昇華によって、反応混合物から除去される。

本発明の特定の場合において、溶媒が、試薬のうちの少なくとも１つを溶解することができ、この反応の阻害剤として使用されるか、または試薬のうちの少なくとも１つと混合できない液体が、反応の阻害剤として使用される。

本発明の特定の場合において、反応阻害剤は、最終機能層の成分（ペロブスカイト様材料のフィルム）がその中で溶けない溶媒により、担体基板を洗浄することにより除去される。

本発明の特定の場合において、構造式ＡВХ_３を有するペロブスカイト様構造を有する光吸収材料の層（またはフィルム）（このフィルムは、元素のＰｂまたはＳｎまたはそれらの混合物のフィルムである）が生成されると、技術的解決策に従って、試薬Ｂの層を基板に塗布し、次に試薬ＡＸ及びＸ_２の混合物を含む有機溶媒溶液が基板上に塗布され（ここでは、有機溶媒により、ＡＸ及びＸ_２と試薬Ｂとの反応が遅くなる）、溶媒を除去するための条件が提供され、このステップでは、反応Ｂ＋ＡＸ＋Ｘ_２＝ＡВХ_３を進行させるための適切な条件が保証されている。この場合、ＣＨ_３ＮＨ_３ ^＋または（ＮＨ_２）_２ＣＨ＋またはＣ（ＮＨ_２）_３ ^＋またはＣｓ^＋またはＲｂ^＋またはそれらの混合物が成分Ａとして使用され、Ｃｌ⁻、Ｂｒ⁻、Ｉ⁻、またはそれらの混合物が成分Ｘとして使用される。

本発明の特定の実施では、有機溶媒は、阻害剤として使用され、試薬ＡＸ及びＸ_２がその中に溶解するが、成分Ｂは、この有機溶媒には溶解しない。成分Ｂは、ペロブスカイト様化合物ＡВХ_３の所定の厚さの最終フィルムをもたらす量で、単位面積あたりで塗布される。成分Ｂは、真空蒸着、電気化学蒸着、溶融金属と冷却させた基板との接触、気相からの化学蒸着、または他の方法によって塗布され得る。試薬ＡＸ及びＸ_２の混合物溶液は、スプレー、プリンティング、またはディッピングによって塗布される。反応の完了時に余剰の試薬ＡＸ及びＸ_２は、必要に応じて、ペロブスカイト層と相互作用しない溶媒内で洗浄し、溶媒を表面上にディッピングし、高温でか焼し、減圧蒸発させることにより除去できる。例えば、乾燥空気、アルゴン及び窒素などのガスは、噴霧中にキャリアガスとして作用し得る。イソプロピルアルコール、エチルアルコールなどの溶媒、及び他の有機溶媒は、АＸ試薬及びＸ_２試薬の溶媒として、また反応終了後の基質の洗浄に使用できる。

本発明の実施の特定の場合において、反応混合物の塗布は、塗布中のそれらの蒸発または昇華により、反応物質の余剰成分が自然な方法で除去される条件下で行われる（反応混合物の成分の「自動投入」が起こる）。

本発明により、インクジェット、噴霧または他の方法により実行される、基板上への成分Ｂの蒸着を事前制御し、ＡＸ及びＸ_２試薬溶液の蒸着をさらに制御することにより、光吸収材料反応のフィルムの形成の化学量論的量を制御することが可能であり、これにより、混合物が基板上に確実に均一に塗布される。ＡＸ及びＸ_２試薬溶液を成分Ｂのフィルムの表面に塗布した後、溶媒の除去が行われ、続いて一般的な組成構造ＡＸ_ｎ（ｎ≧２．５）の試薬ＡＸ及びＸ_２の混合物からなる液体ポリハライド反応溶融物が形成される。これらは、成分Ｂのフィルムの表面全体に均一に分布し、この成分と反応して、ＡВХ_３構造を有するペロブスカイト様化合物を形成し、これにより、工業製造条件下で拡張可能であり、かつ実現可能な方法により、大面積において均一性の高いフィルムを得ることができるようになる。

成分Ｂは、金属、それらの混合物、合金、及び元素組成において対応する金属を示す化合物であると見なされる。

成分Ｂの表面での反応溶融物の均一な分布は、構成成分ＡＸ_ｎのポリハロゲン化物溶融物を有する成分Ｂのフィルム表面のいわゆる「反応性湿潤」によって得られる。このメカニズムでは、成分Ｂに対する反応性が高いことによる成分Ｂの表面での反応の結果として、湿潤の性質が変わる。

提唱された方法では、ＡＸ_ｎ（ｎ≧２．５）反応溶融物をＢ成分フィルムの表面に均一に分布させることにより、ならびに光吸収材料のフィルムを形成するために反応の化学量論的量を制御することにより、技術的結果が達成される、すなわち、光吸収材料の単相であり、均一性の高い大面積フィルムが得られる。技術的結果の達成に影響を与える主なパラメータは、基板に塗布されたＢフィルムの厚さ及び均一性、Ｂフィルムの表面でのＡＸ及びＸ_２の混合溶液の均一な分布、ＡＸ及びＸ_２試薬の濃度、フィルムに塗布された成分Ｂの量、使用した溶媒の組成物、成分Ｂのフィルムの温度、試薬ＡＸ及びＸ_２の溶液中ならびに／または成分Ｂのフィルム中の修飾添加剤の存在である。

提唱された方法では、広範囲の組成物のペロブスカイト構造を有する化合物の連続単相フィルム（ＡВХ_３、ここで、ＣＨ_３ＮＨ_３ ^＋（ＭＡ^＋）、（ＮＨ_２）_２ＣＨ^＋（ＦＡ^＋）、Ｃｓ^＋、Ｒｂ^＋、またはそれらの混合物は、通常Ａ^＋、Ｂ２^＋−Ｐｂ２^＋、Ｓｎ２^＋、またはそれらの混合物として使用され；Ｘ⁻は、Ｉ⁻、Ｂｒ⁻、Ｃｌ⁻またはそれらの混合物として使用される）を得ることができ、これらは、太陽電池、大面積太陽電池、光検出器、ＬＥＤ、及び他の半導体デバイスを作製するために使用できる。

さらに、提唱された方法を使用して、ペロブスカイト様とは異なる構造を有し、Ｐｂ、Ｓｎ以外の元素またはそれらの供給源から作製された材料の使用をベースにしたものなどの半導体の薄膜を得ることが可能である。

例示的な実施では、ハイブリッド有機無機ペロブスカイト組成物ＣＨ_３ＮＨ_３ＰｂＩ_３（ＭＡＰｂＩ_３）を得るために、ヨウ素（Ｉ_２）及びヨウ化メチルアンモニウム（ＭＡＩ）を含むイソプロパノール（ｉ−ＰｒＯＨ）溶液を１２０℃まで加熱した基板に噴霧し、その上に金属鉛（Ｐｂ）の層と共にプレコートした。噴霧されたエアロゾルが加熱された鉛フィルムと接触すると、イソプロパノールが蒸発して鉛の表面にポリヨウ化物組成物が形成され、ＭＡＩ−ｎＩ２（ｎ≧１）が鉛と反応し、その結果、ＣＨ_３ＮＨ_３ＰｂＩ_３フィルムの形成を得た。この反応は、時間遅延により生じる。この時間遅延は、溶媒除去段階により決定し、また、金属鉛フィルムを噴霧に使用される溶液に浸漬させると（特定の濃度範囲で）、金属鉛のペロブスカイトへの変換が遅れるため、この遅延は重要である。提唱された方法でのペロブスカイトの形成は、金属鉛の表面に付着した液滴が乾燥するプロセスにおいて起こり、その結果、鉛と反応するポリヨウ化物組成物が形成される。イソプロパノールが完全に蒸発する前に反応が開始し、組成物中のイソプロパノールの濃度などの反応速度が決定されるため、反応速度は、例えば、基板温度または元の組成物中のイソプロパノールの含有量を変更することにより制御することができる。以下は、技術的結果の達成と共に提唱された方法による連続単相フィルムの調製に使用され得る合成のパラメータ、または合成のパラメータに対する機能の影響の効果である。

溶液を構成する使用済みハロゲン化物の組成は、得られるペロブスカイトの形態及び組成に直接影響する。ＡＸのあらゆる組み合わせが可能である。本方法を実装するときに、次の組み合わせの試験を行った：ＭＡＩ、ＭＡＩ／ＭＡＢｒ。これにより、結果としてＭＡＰｂＩ_３、ＭＡＰｂＩｘＢｒ_３−ｘ；ＭＡＩ／ＦＡＩが使用され、その使用により、ＭＡｘＦＡ_１−ｘＰｂＩ_３を得た。

溶液中のハロゲン化物含有量とＩ_２含有量との合計比率、または金属との反応におけるＡＸ-Ｉ_２比は、最終製品の形態、相組成、及び他の特性に対する直接的な影響となる。ヨウ素及び様々なハロゲン化物は、スパッタリングし、その後の様々な速度でアニーリングしている間に昇華（蒸発）するため、基板表面上の溶融物の最終組成物は、塗布された溶液の組成のみでなく、プロセスの温度及び圧力によっても決定する。ＭＡＰｂＩ_３を得る例を使用して、次の関係の試験を行った：ＭＡＩ：Ｉ_２＝１：１及びＭＡＩ：Ｉ_２＝１：１．５。主な結果は、指定された範囲では、単相ＭＡＰｂＩ_３フィルムを得ることが可能であり、１：１．５溶液を使用して得たフィルムは、最高の機能特性を示すことを示した。これは、ヨウ素の一部が加熱により蒸発するという事実のためであり、反応にはＭＡＩ：Ｉ_２＝１：１を必要とし、この方法を実施する際に、ＭＡＩ：Ｉ_２＝１：１であるこの構成を使用する場合、この反応に関与するヨウ素の実際の含有量は少なく、すなわち、この系では、ヨウ素の不足が存在する。

最終フィルムの機能特性及び安定性を向上させるために、目的であるペロブスカイト構造を形成しない他のハロゲン化物、例えば、アミノ吉草酸ヨウ化水素酸塩、ヨウ化ブチルアンモニウム（一般に、СＨ_３−（ＣＨ_２）_ｎ−ＮＨ_３Ｉ）、ヨウ化フェニルエチルアンモニウム、ＢｉＩ_３などを初期溶液に導入することができる。ＨＩ、ＣＨ_３ＮＨ_３Ｃｌ及び（ＮＨ_２）_２ＣＨＣｌも修飾添加剤として使用できる。

本方法を実施する場合、異なる濃度の試薬を使用することが可能である。この方法では、ヨウ化物の総濃度が２〜１０ｍｇ／ｍｌの範囲で、ペロブスカイトフィルムの均一性及び品質を向上させるという点で優れた結果を示した。

特許請求される方法により得られる半導体材料のフィルムの機能特性を決定する重要な要因は、成分Ｂとそれに塗布される試薬とのモル比である。本発明の方法では、反応混合物のこうした塗布条件を選択することが可能になり、この条件下で、この混合物の余剰成分の除去、すなわちそれらの「自動投入」が達成される。ＭＡＩ−ｎＩ_２反応混合物（ｎ≧１）を含むイソプロパノールを使用する特定の場合は、「自動投入」は、１５０〜２５０℃の温度まで加熱させた金属鉛の表面に反応混合物を噴霧することにより実現でき、これにより、反応混合物の余剰成分が蒸発し、かつ／または昇華する。

金属を含む層として金属フィルムを使用する場合、こうしたフィルムの基板上への蒸着は、真空熱スパッタリング、マグネトロンスパッタリング、電着、溶液またはガス状化合物からの化学還元によって可能である。提唱された方法の実施可能性を確認するとき、金属鉛、スズ、Ｐｂ−Ｓｎ合金、及び合金添加物（例えば、Ｃｕ及びＢｉなど）を含む合金の薄膜の試験を行った。

さらに、ペロブスカイト層の形成に好適である様々な金属の交互積層蒸着を使用して、金属含有層が形成され得る。

実施の具体的な例として、金属銅のフィルムを成分Ｂのフィルムとして使用した。ここで、ＭＡＩ：Ｉ_２＝１：３溶液を１００℃の基板温度で塗布し、その後、余剰のＭＡＩをイソプロピルアルコールで洗浄することにより除去した。

成分Ｂを含む層を形成するために、鉛化合物、例えばＰｂＩ_２及びＰｂＯを使用することもでき、これらは様々な方法、例えば鉛塩溶液を回転している基板上に塗布することにより基板上に蒸着させ得る。

ＭＡＰｂＩ_３、ＭＡＰｂＩ_ｘＢｒ_３−ｘ、ＭＡ_ｘＦＡ_１−ｘＰｂＩ_３の合成には、１２０℃の温度を使用した。さらに、この方法では、ＭＡＰｂＩ_３には少なくとも２０〜１５０℃、ＣｓＰｂＩ_３には２０〜４００℃の温度を使用できることが示された。この方法の実施に最適なのは、基板温度を対応するポリヨウ化物の溶融温度より高く維持することである。予熱した基板、ならびに反応物質の塗布後の基板の段階的な冷却または段階的な加熱を使用することも可能である。０〜１０分の予熱について試験を行った。

基板は、その基板に溶液を塗布し、さらなる処理に供されて、反応が完了した後、ペロブスカイト層を形成することができる。例えば、様々な溶媒またはそれらの混合物、例えばイソプロパノール、エタノール、ジエチルエーテル、クロロベンゼン、トルエンを使用した洗浄を使用することができる。

アニーリングは、高温で行うこともできる。特に、アニーリングの試験は１００℃で１〜１０分間行った。アニーリング時間を６０分以上まで延長しても、ペロブスカイト層の特性が低下することはなかった。この場合、アニーリング温度の選択は特定の化合物の化学組成によって決定され、ＭＡＰｂＩ_３の場合、通常１５０℃を超えることはなく、ＣｓＰｂＩ_３の場合、３５０℃以下である。アニーリングはまた、特殊な雰囲気、例えば、湿った空気、乾燥空気の雰囲気、アルゴン雰囲気、及び溶媒蒸気、例えば、メチルアミン、ジメチルホルムアミド、またはジメチルスルホキシドを含む雰囲気の中で行うこともできる。

対応するヨウ化物ＡＸの蒸気中でのアニーリングは、下からは対応するハロゲン化物の蒸発温度によって制限され、上からはその分解温度によって制限された温度において可能である。例えば、ＭＡＩの場合、典型的な温度範囲は１５０〜２００℃である。

試薬及び溶媒（溶液）の混合物は、次の試験方法：ノズルからの従来のスプレー、超音波スプレー、インクジェットプリンティング、スピンコーティング、エレクトロスプレー、エアロゾルジェットプリンティング、ディップコーティングによって基板に塗布できる。

溶液をスプレーするためのノズルの設計及びスプレーの態様は、単位時間あたりに基板に落下する物質の量及び液滴のサイズに対して直接的な影響を有し、これらが、溶液による基板のコーティングの均一性に影響を及ぼす。最適なパラメータは、実験的に選択できる。ノズルと基板の相互配置の形状もコーティングの品質に影響を及ぼし、かつこれらは、実験的に選択できる。１０ｃｍの距離の試験を行い、ノズルの傾斜角度は、噴霧方向と基板の法線との間で０〜１５°とした。

この方法の実施は、次の態様で試験を行った：溶液の流速約０．５ｍｌ／秒。２秒間循環溶液を供給し、１０秒間休止した。基板の必要な温度を維持し、確実に液滴を完全かつ迅速に乾燥させ、溶液の表面上での望ましくない拡散を回避するために、休止が必要になり得る。

溶液を噴霧する合計時間（休止ありまたは休止なしで噴霧される）は、各組成物について別々に選択した。ＭＡＰｂＩ_３の場合、単相フィルムを得るために、合計蒸着時間の範囲は１４〜１８秒（７ｘ２秒、９ｘ２秒）を用いた。最適範囲の境界を超えると、不純物を有するフィルムが形成された。これは、溶液中の試薬の大幅な過剰または不足によって生じた。窒素及びアルゴンを噴霧用のキャリアガスとして使用した。空気及び他のガスの使用、ならびに特殊な修飾添加剤を含むガスの使用も可能である。

Claims (20)

1. ペロブスカイト様構造を有する光吸収材料のフィルムを製造するための方法であって、基板上に成分Ｂの均一な層を形成することと、所定の条件下で前記成分Ｂと反応する試薬の混合物、及びこれらの条件下でこの反応を抑制する反応の阻害剤を調製することと、調製された前記混合物を化学量論的量または前記化学量論的量よりも多い量で前記成分Ｂの前記層上に置き、前記混合物から反応の前記阻害剤を除去することと、試薬の前記混合物と前記成分Ｂと間の化学反応を確実に活性化させて、ペロブスカイト様材料のフィルムを形成することと、を含む、方法。
2. 前記阻害剤が、以前に特定されたものとは異なる条件下で除去されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記阻害剤が、蒸発または凍結または昇華によって前記混合物から除去されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 溶媒が、前記溶媒中に前記試薬のうちの少なくとも１つを溶解させるために、阻害剤として使用されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
5. 前記阻害剤が、前記試薬のうちの少なくとも１つと混和性でない液体を使用することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
6. 前記ペロブスカイト様材料の前記フィルムの不溶性成分が溶解しない溶媒で前記基板を洗浄することにより、前記阻害剤が除去されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
7. 構造式ＡВХ_３を有する、光吸収特性を有するペロブスカイト様材料のフィルムを得るために、試薬Ｂの層が前記基板に塗布される方法であって、前記フィルムは、元素ＰｂまたはＳｎまたはそれらの混合物のフィルムであり、その後、阻害剤中に試薬ＡＸ及びＸ_２を含む混合物が前記基板に塗布され、ここで、前記阻害剤は、有機溶媒であり、これにより、ＡＸ及びＸ２と試薬Ｂとの間の前記反応が遅くなり、前記有機溶媒を除去するための条件を提供し、前記反応の条件Ｂ＋ＡＸ＋Ｘ_２＝ＡВХ_３を作り出し、ここで、ＣＨ_３ＮＨ_３ ^＋または（ＮＨ_２）_２ＣＨ^＋またはＣ（ＮＨ_２）_３ ^＋またはＣｓ^＋またはＲｂ^＋またはそれらの混合物は、成分Ａとして使用され、これらの混合物が成分Ｘとして使用され、Ｃｌ^―またはＢｒ^―またはＩ^―またはそれらの混合物は、成分Ｘとして使用されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
8. 有機溶媒が阻害剤として使用され、前記有機溶媒に前記試薬ＡＸ及びＸ_２は溶解するが、成分Ｂは溶解しないことを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 成分Ｂが、所定の厚さのペロブスカイト様化合物ＡВХ_３の最終の前記フィルムを提供する単位面積あたりの量で前記基板上に塗布されることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
10. 真空蒸着もしくは電気化学蒸着によって、または溶融した成分Ｂの波を冷却させた基板と接触させることによって、または気相からの化学蒸着によって前記成分Ｂが塗布されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
11. 前記混合物が、スプレーまたはプリンティングまたはディッピングにより塗布されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
12. 前記反応の完了後、余剰の前記試薬ＡＸ及びＸ_２が、前記ペロブスカイト様材料の前記フィルムと相互作用しない溶媒内で洗浄することにより除去されることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
13. 前記反応の完了後、余剰の前記試薬ＡＸ及びＸ_２が、前記基板上に前記ペロブスカイト様材料の前記フィルムと相互作用しない溶媒を落下させることにより除去されることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
14. 前記反応の完了後、余剰の前記試薬ＡＸ及びＸ_２が、高温でのか焼によって除去されることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
15. 前記反応の完了後、余剰の前記試薬ＡＸ及びＸ_２が、減圧蒸発によって除去されることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
16. 蒸着が、乾燥空気またはアルゴンまたは窒素であるキャリアガスを使用して行われることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
17. イソプロピルアルコールまたはエチルアルコールが前記阻害剤として使用されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
18. イソプロピルアルコールまたはエチルアルコールが前記阻害剤として使用されることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
19. イソプロピルアルコールまたはエチルアルコールが溶媒として使用されることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
20. 調製された前記混合物が、前記反応に関与しない余剰成分を除去する条件下で塗布されることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。