JP7034124B2 - ペルブスカイト材料の二層及び三層の界面層 - Google Patents
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Description
有機PV、非有機PV、及び/又はハイブリッドPVと互換性のある(compatible)PV技術の様々な態様の改善は、有機PV及び他のPVのコストをさらに下げることを約束する。例えば、固体状態の(solid-state)色素増感太陽電池(dye-sensitized solar cells)のようないくつかの太陽電池は、固体状態の電荷輸送材料(又は、口語表現に言い換えれば「固体状態電解質」)のような新規な費用対効果の高い高安定性代替構成要素を利用することができる。さらに、様々な種類の太陽電池(solar cells)は、有利には、他の利点の中で現在存在する従来の選択肢よりもコスト効率が高く、且つ、耐久性のある界面(interfacial)材料及び他の材料を含むことができる。
Cは1以上のカチオン(例えば、アミン、アンモニウム、1族金属、2族金属、及び/又は他のカチオン又はカチオン様(cation-like)化合物)を含み;
Mは、1以上の金属(Fe、Co、Ni、Cu、Sn、Pb、Bi、Ge、Ti及びZrを含む例)を含み;且つ、
Xは1以上のアニオンを含む。種々の実施形態によるペロブスカイト材料は、以下により詳細に論じられる。
いくつかのPV実施形態は、図1、3、4及び5に示すような太陽電池の様々な例示的描写を参照して説明することができる。例えば、いくつかの実施形態による例示的なPVアーキテクチャは、実質的に基板(substrate)-アノード-IFL-活性層(active layer)-IFL-カソードの形態であってもよい。いくつかの実施形態の活性層は光活性であってもよく、及び/又は光活性材料(photoactive material)を含んでいてもよい。他の層及び材料は、当該技術分野において知られているように、セル内で利用されてもよい。さらに、用語「活性層」の使用は、決して他の層の特性を明示的又は暗示的に限定することを意味するものではないことに留意すべきである。例えば、いくつかの実施形態では、片方のもしくは両方のIFLは、それらが半導電性(semiconducting)である限り、活性でもよい。特に図4を参照すると、様式化された一般的なPVセル2610が描かれ、PV内のいくつかの層の高度に界面的性質を示している。PV2610は、いくつかのPVデバイス、例えばペロブスカイト材料PV実施形態などに適用可能な一般的なアーキテクチャを表す。PVセル2610は、太陽放射2614がその層を透過することを可能にするガラス(又は、太陽放射に同様に透明な材料)の透明層2612を含む。いくつかの実施形態の透明層は、基板とも呼ばれ(例えば、図1の基板層1507と同様に)、且つ、多様な硬質または可撓性材料、例えばガラス、ポリエチレン、PET、Kapton、石英、アルミニウムホイル、金箔、又はスチールなどのいずれか1以上を含んでよい。光活性層2616は、電子ドナー又はp型材料2618、及び/又は電子アクセプタ又はn型材料2620、及び/又はp型及びn型材料特性の両方を示す両極性(ambipolar)半導体から構成される。活性層又は、図4に示されるように、光活性層2616は、2つの導電性電極層2622及び2624の間に挟まれている。図4では、電極層2622は、錫ドープド(tin-doped)酸化インジウム(ITO材料)である。前述のように、いくつかの実施形態の活性層は、必ずしも光活性である必要はないが、図4に示すデバイスでは、それである。電極層2624はアルミニウム材料である。当技術分野で知られているように、他の材料を使用することができる。セル2610はまた、ZnO材料として図4の例に示される界面層(interfacial layer,IFL)2626を含む。IFLは、電荷分離をアシストすることができる。いくつかの実施形態では、IFL2626は、自己組織化単分子膜(self-assembled monolayer,SAM)として、又は薄膜として、本開示による有機化合物を含むことができる。他の実施形態では、IFL2626は多層IFLを含むことができ、これについては後に詳述する。電極2624に隣接してIFL2627が存在してもよい。いくつかの実施形態では、電極2624に隣接するIFL2627はまた、自己組織化単分子膜(SAM)として、又は薄膜として本開示による有機化合物を含んでよいし、またはその代わりに(instead)有機化合物を含むことができる。他の実施形態では、電極2624に隣接するIFL2627は、多層IFLを含んでよいし、またはその代わりに(instead)多層IFLを含むことができる(やはり以下に詳述する)。いくつかの実施形態によるIFLは、特性において半導電性であってもよく、且つ、p型又はn型のいずれかであってもよく、又はそれは特性において誘電性であってもよい。いくつかの実施形態では、デバイスのカソード側のIFL(例えば、図4に示すIFL2627)は、p型であってよく、且つ、デバイスのアノード側のIFL(例えば、図4に示すIFL2626)は、n型であってもよい。しかしながら、他の実施形態では、カソード側IFLをn型とし、且つ、アノード側IFLをp型とすることができる。セル2610は、リード2630及び放電ユニット2632、例えば電池(battery)など、に取り付けられている。
本開示は、いくつかの実施形態において、薄膜コート(thin-coat)IFLを含む、PV内の1以上の界面層の有利な材料及び設計を提供する。薄膜コートIFLは、本明細書で論じる様々な実施形態によるPVの1以上のIFLにおいて利用することができる。
Al;Bi;Co;Cu;Fe;In;Mn;Mo;Ni;白金(Pt);Si;Sn;Ta;Ti;V;W;Nb;Zn;Zr;前記金属のいずれかの酸化物(例えば、アルミナ、シリカ、チタニア);前記金属のいずれかの硫化物;前記金属のいずれかの窒化物;官能化又は非官能化アルキルシリル基;グラファイト;グラフェン;フラーレン;カーボンナノチューブ;本明細書の他の箇所で議論されるいずれのメソポーラス材料及び/又は界面材料;及びそれらの組み合わせ(いくつかの実施形態では、組み合わされた材料の二重層(bilayers)を含む);
のいずれか1以上を含むことができる。いくつかの実施形態では、界面層は、ペロブスカイト(perovskite)材料を含むことができる。さらに、界面層は、本明細書で言及されるいずれの界面材料のドープされた(doped,ドープド)実施形態を含むことができる(例えば、YドープドZnO、Nドープド単層(single-wall)カーボンナノチューブ)。
固体正孔輸送物質、例えば活物質及び添加剤など(例えば、いくつかの実施形態では、ケノデオキシコール酸又は1,8-ジヨードオクタンなど)、
のいずれか1以上を含む(但し、これらに限定されない)、本開示で論じられる他の化合物と組み合わせて様々なデバイスのいずれかにおいて利用することができる。
ITO層、Al2O3層、ZnO層、及び第2のAl2O3層を有するIFL;
ITO層、Al2O3層、ZnO層、第2のAl2O3層、及び第2のZnO層を有するIFL;
ITO層、Al2O3層、ZnO層、第2のAl2O3層、第2のZnO層、及び第3のAl2O3層を有するIFL;及び
所望の性能特性を達成するのに必要な数の層を有するIFL;
を含む。先に論じたように、特定の化学量論比への言及は、様々な実施形態によるIFL層における構成元素の比率を制限することを意図するものではない。
ペロブスカイト材料は、PV又は他のデバイスの1以上の様々な態様に組み込むことができる。いくつかの実施形態によるペロブスカイト材料は、一般式CMX3のものであってもよく、式中、:
Cは1以上のカチオン(例えば、アミン、アンモニウム、第1族金属、第2族金属、及び/又は他のカチオン又はカチオン様化合物)を含み;
Mは、1以上の金属(Fe、Co、Ni、Cu、Sn、Pb、Bi、Ge、Ti及びZrを含む例)を含み;且つ、
Xは1以上のアニオンを含む。いくつかの実施形態において、Cは、1以上の有機カチオンを含み得る。
メチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチル基又はそれらの異性体;
いずれのアルカン、アルケン又はアルキンCxHy(式中、x=1~20、y=1~42、環式、分枝状又は直鎖);
アルキルハライド、CxHyXz(式中、x=1~20、y=0~42、z=1~42、X=F、Cl、Br又はI);
いずれの芳香族基(例えば、フェニル、アルキルフェニル、アルコキシフェニル、ピリジン、ナフタレン);
少なくとも1つの窒素が環内に含まれる、環状錯体(例えば、ピリジン、ピロール、ピロリジン、ピペリジン、テトラヒドロキノリン);
いずれの硫黄含有基(例えば、スルホキシド、チオール、アルキルスルフィド);
いずれの窒素含有基(ニトロキシド、アミン);
いずれの亜リン酸(phosphorous)含有基(ホスフェート(phosphate,リン酸エステル));
いずれのホウ素含有基(例えば、ボロン酸);
いずれの有機酸(例えば、酢酸、プロパン酸)、及びそのエステル又はアミド誘導体;
アルファ、ベータ、ガンマ、及びより大きな誘導体を含むいずれのアミノ酸(例えば、グリシン、システイン、プロリン、グルタミン酸、アルギニン、セリン、ヒスチジン、5-アンモニウム吉草酸);
いずれのケイ素含有基(例えば、シロキサン);及び
いずれのアルコキシ又は-OCxHy基、(式中、x=0~20、y=1~42);
を含む(ただし、これらに限定されない)。
水素、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチル基又はそれらの異性体;
いずれのアルカン、アルケン、又はアルキンCxHy(式中、x=1~20、y=1~42、環式、分枝状又は直鎖);
アルキルハライド、CxHyXz(式中、x=1~20、y=0~42、z=1~42、X=F、Cl、Br又はI);
いずれの芳香族基(例えば、フェニル、アルキルフェニル、アルコキシフェニル、ピリジン、ナフタレン);
少なくとも1つの窒素が環内に含まれる、環状錯体(例えば、イミダゾール、ベンズイミダゾール、ジヒドロピリミジン、(アゾリジニリデンメチル)ピロリジン、トリアゾール);
いずれの硫黄含有基(例えば、スルホキシド、チオール、アルキルスルフィド);
いずれの窒素含有基(ニトロキシド、アミン);
いずれの亜リン酸(phosphorous)含有基(ホスフェート(phosphate,リン酸エステル));
いずれのホウ素含有基(例えば、ボロン酸);
いずれの有機酸(例えば、酢酸、プロパン酸)、及びそのエステル又はアミド誘導体;
アルファ、ベータ、ガンマ、及びより大きな誘導体を含むいずれのアミノ酸(例えば、グリシン、システイン、プロリン、グルタミン酸、アルギニン、セリン、ヒスチジン、5-アンモニウム吉草酸);
いずれのケイ素含有基(例えば、シロキサン);及び
いずれのアルコキシ又は-OCxHy基、(式中、x=0~20、y=1~42);
を含む(ただし、これらに限定されない)。
水素、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチル基又はそれらの異性体;
いずれのアルカン、アルケン、又はアルキンCxHy(式中、x=1~20、y=1~42、環式、分枝状又は直鎖);
アルキルハライド、CxHyXz(式中、x=1~20、y=0~42、z=1~42、X=F、Cl、Br又はI);
いずれの芳香族基(例えば、フェニル、アルキルフェニル、アルコキシフェニル、ピリジン、ナフタレン);
少なくとも1つの窒素が環内に含まれる、環状錯体(例えば、オクタヒドロピリミド[1,2-a]ピリミジン、ピリミド[1,2-a]ピリミジン、ヘキサヒドロイミダゾ[1,2-a]イミダゾール、ヘキサヒドロピリミジン-2-イミン);
いずれの硫黄含有基(例えば、スルホキシド、チオール、アルキルスルフィド);
いずれの窒素含有基(ニトロキシド、アミン);
いずれの亜リン酸(phosphorous)含有基(ホスフェート(phosphate,リン酸エステル));
いずれのホウ素含有基(例えば、ボロン酸);
いずれの有機酸(例えば、酢酸、プロパン酸)、及びそのエステル又はアミド誘導体;
アルファ、ベータ、ガンマ、及びより大きな誘導体を含むいずれのアミノ酸(例えば、グリシン、システイン、プロリン、グルタミン酸、アルギニン、セリン、ヒスチジン、5-アンモニウム吉草酸);
いずれのケイ素含有基(例えば、シロキサン);及び
いずれのアルコキシ又は-OCxHy基、(式中、x=0~20、y=1~42);
を含む(ただし、これらに限定されない)。
水素、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチル基又はそれらの異性体;
いずれのアルカン、アルケン、又はアルキンCxHy(式中、x=1~20、y=1~42、環式、分枝状又は直鎖);
アルキルハライド、CxHyXz(式中、x=1~20、y=0~42、z=1~42、X=F、Cl、Br又はI);
いずれの芳香族基(例えば、フェニル、アルキルフェニル、アルコキシフェニル、ピリジン、ナフタレン);
少なくとも1つの窒素が環内に含まれる、環状錯体(例えば、2-ヘキサヒドロピリミジン-2-イリデンヘキサヒドロピリミジン、オクタヒドロピラジノ[2,3-b]ピラジン、ピラジノ[2,3-b]ピラジン、キノキサリノ[2,3-b]キノキサリン);
いずれの硫黄含有基(例えば、スルホキシド、チオール、アルキルスルフィド);
いずれの窒素含有基(ニトロキシド、アミン);
いずれの亜リン酸(phosphorous)含有基(ホスフェート(phosphate,リン酸エステル));
いずれのホウ素含有基(例えば、ボロン酸);
いずれの有機酸(例えば、酢酸、プロパン酸)、及びそのエステル又はアミド誘導体;
アルファ、ベータ、ガンマ、及びより大きな誘導体を含むいずれのアミノ酸(例えば、グリシン、システイン、プロリン、グルタミン酸、アルギニン、セリン、ヒスチジン、5-アンモニウム吉草酸);
いずれのケイ素含有基(例えば、シロキサン);及び
いずれのアルコキシ又は-OCxHy基、(式中、x=0~20、y=1~42);
を含む(ただし、これらに限定されない)。
水素、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチル基又はそれらの異性体;
いずれのアルカン、アルケン、又はアルキンCxHy(式中、x=1~20、y=1~42、環式、分枝状又は直鎖);
アルキルハライド、CxHyXz(式中、x=1~20、y=0~42、z=1~42、X=F、Cl、Br又はI);
いずれの芳香族基(例えば、フェニル、アルキルフェニル、アルコキシフェニル、ピリジン、ナフタレン);
少なくとも1つの窒素が環内に含まれる、環状錯体(例えば、2-ヘキサヒドロピリミジン-2-イリデンヘキサヒドロピリミジン、オクタヒドロピラジノ[2,3-b]ピラジン、ピラジノ[2,3-b]ピラジン、キノキサリノ[2,3-b]キノキサリン);
いずれの硫黄含有基(例えば、スルホキシド、チオール、アルキルスルフィド);
いずれの窒素含有基(ニトロキシド、アミン);
いずれの亜リン酸(phosphorous)含有基(ホスフェート(phosphate,リン酸エステル));
いずれのホウ素含有基(例えば、ボロン酸);
いずれの有機酸(例えば、酢酸、プロパン酸)、及びそのエステル又はアミド誘導体;
アルファ、ベータ、ガンマ、及びより大きな誘導体を含むいずれのアミノ酸(例えば、グリシン、システイン、プロリン、グルタミン酸、アルギニン、セリン、ヒスチジン、5-アンモニウム吉草酸);
いずれのケイ素含有基(例えば、シロキサン);及び
いずれのアルコキシ又は-OCxHy基、(式中、x=0~20、y=1~42);
を含む(ただし、これらに限定されない)。
I3、I2.95F0.05;I2Cl;ICl2;及びCl3;
のいずれか1以上であり得る。他の実施形態では、Xは、Cs及びSnと比較したXの合計比がCsSnX3の一般化学量論をもたらすような量で、I、Cl、F及びBrのいずれか1以上を含むことができる。いくつかの実施形態では、Xを構成する元素(elements)の組み合わせた化学量論は、CsxSnyIzに関して先に論じたI z と同じ規則に従うことができる。さらに他の例は、一般式RNH3PbX3を含み、式中、RはCnH2n+1であり得、nは0~10の範囲であり、且つ、Xは、カチオンRNH3及び金属Pbと比較したXの合計比がRNH3PbX3の一般化学量論をもたらすような量で、F、Cl、Br及びIのいずれか1以上を含むことができる。さらに、Rのいくつかの具体例は、H、アルキル鎖(例えば、CH3、CH3CH2、CH3CH2CH2など)及び、アルファ、ベータ、ガンマ、及びより大きな誘導体を含むアミノ酸(例えば、グリシン、システイン、プロリン、グルタミン酸、アルギニン、セリン、ヒスチジン、5-アンモニウム吉草酸)を含む。
いくつかの実施形態では、本開示は、1以上のペロブスカイト材料を含むPV及び他の同様のデバイス(例えば、バッテリ、ハイブリッドPVバッテリ、FET、LEDなど)の複合設計を提供することができる。例えば、1以上のペロブスカイト材料は、いくつかの実施形態の第1の活物質及び第2の活物質(例えば、図5の活物質2810及び2815)のいずれか又は両方として役立ち得る。より一般的に言えば、本開示のいくつかの実施形態は、1以上のペロブスカイト材料を含む活性層を有するPV又は他のデバイスを提供する。そのような実施形態では、ペロブスカイト材料(すなわち、いずれの1以上のペロブスカイト材料(複数可)を含む材料)を様々な構造の活性層に利用することができる。さらに、ペロブスカイト材料は、活性層(例えば、電荷輸送材料、メソポーラス材料、光活性材料、及び/又は界面材料であって、これらの各々は以下により詳しく論ずる)のいずれか1以上の構成成分の機能(複数可)を果たすことができる。いくつかの実施形態では、同一のペロブスカイト材料が複数の(multiple)このような機能を果たすことができるが、他の実施形態では、複数の(a plurality of)ペロブスカイト材料がデバイスに含まれてもよく、各ペロブスカイト材料が1以上のこのような機能を果たす。特定の実施形態では、ペロブスカイト材料がどのような役割を果たすことができるかにかかわらず、ペロブスカイト材料(it)は、様々な状態のデバイス内で調製され、及び/又は存在することができる。例えば、いくつかの実施形態では、それは実質的に固体(solid、ソリッド)であってもよい。他の実施形態では、それは、溶液であってもよい(例えば、ペロブスカイト材料を液体に溶解し、且つ、その前記液体中に個々のイオン亜種(ionic subspecies)で存在させることができる)。又はそれは懸濁液であってもよい(例えば、ペロブスカイト材料粒子)。溶液又は懸濁液は、デバイス内でコーティングされ又は他の方法で堆積されてもよい(例えば、当該デバイスの別の構成要素(component)、例えばメソポーラス、界面、電荷輸送、光活性、又は他の層など、の上に、及び/又は電極の上に)。いくつかの実施形態におけるペロブスカイト材料は、デバイスの別の構成要素の表面上にin situで形成されてもよい(例えば、薄膜固体として蒸着することによって)。ペロブスカイト材料を含む固体又は液体層を形成するいずれの他の好適な手段を利用することができる。
電荷輸送材料;液体電解質;メソポーラス材料;光活性材料(例えば、色素(dye)、ケイ素、テルル化カドミウム、硫化カドミウム、セレン化カドミウム、セレン化銅インジウムガリウム、ヒ化ガリウム、リン化ゲルマニウムインジウム、半導電性ポリマー、他の光活性材料);及び界面材料;
のいずれか1以上を含む、いずれの1つ以上の活性層成分を含むことができる。これらの活性層成分のいずれか1以上は、1以上のペロブスカイト材料を含むことができる。いくつかの実施形態では、活性層成分の一部又は全部は、全体又は部分的にサブ層内に配置されてもよい。例えば、活性層は、:
界面材料を含む界面層;メソポーラス材料を含むメソポーラス層;及び電荷輸送材料を含む電荷輸送層;
のいずれか1以上を含むことができる。いくつかの実施形態では、色素などの光活性材料は、これらの層のいずれか1以上の上にコーティングされてもよく、又は他の方法で配置されてもよい。特定の実施形態では、いずれの1つ以上の層を液体電解質で被覆することができる。さらに、界面層は、
いくつかの実施形態によれば、活性層のいずれか2つ以上の他の層の間に、及び/又は
1つの層と1つのコーティングとの間に(例えば、色素とメソポーラス層との間に)、及び/又は
2つコーティングの間に(例えば、液体電解質と色素との間に)、及び/又は
活性層成分と電極との間に、
含めることができる。本書における複数層(layers)への言及は、どちらか一方の(either)最終的な配置(arrangement)(例えば、装置内に別個に規定可能な各材料の実質的に別個の部分)を含むことができ、及び/又は単数層(a layer)への言及は、各層における材料(複数可)のその後の混合(intermixing)の可能性にもかかわらず、デバイスの構築中の配置(arrangement)を意味することができる。いくつかの実施形態では、複数層は別個で(discrete)あり得、且つ、実質的に連続した(contiguous)材料を含むことができる(例えば、複数層は、図1に様式的に示されているようにすることができる)。他の実施形態では、複数層は、実質的に混合されてもよい(例えば、BHJ、ハイブリッド及びいくつかのDSSCセルの場合のように)。その一例は、図4における光活性層2616内の第1の活物質及び第2の活物質、2618及び2620、によって示される。いくつかの実施形態では、デバイスは、図4のデバイスによっても示されるように、これらの2種類の層の混合物を含むことができる。図4のデバイス(which)は、第1の活物質及び第2の活物質、2618及び2620、の混合層(intermixed layers)を含む光活性層2616に加えて、別個の連続層(discrete contiguous layers)2627,2626、及び2622を含む。いずれにせよ、特定の実施形態では、いずれの種類のいずれか2つ以上の層が、高い接触表面積を達成するような方法で互いに隣接して(及び/又は互いに混合して)配置されてもよい。特定の実施形態では、ペロブスカイト材料を含む層は、高い接触表面積を達成するように、1つ以上の他の層に隣接して配置されてもよい(例えば、ペロブスカイト材料が低い電荷移動度を示す場合)。他の実施形態では、高い接触表面積は必要でなくてもよい(例えば、ペロブスカイト材料が高い電荷移動度を示す場合)。
(i)第1の電極3902とメソポーラス層3904との間に;及び、
(ii)電荷輸送層3910と第2の電極3912との間に;
配置される。従って、図7に描かれた例示的デバイスの構造は、:
基板-電極-活性層-電極-基板
として特徴付けることができる。活性層3950の構造は、:
界面層-メソポーラス層-界面層-光活性材料-界面層-光活性材料-界面層-電荷輸送層-界面層
として特徴付けることができる。前述のように、いくつかの実施形態では、界面層が存在する必要はない。又は、1以上の界面層は、活性層の及び/又はデバイスの、特定の、但しすべてではない構成成分の間にのみ含まれていてもよい。
ガラス;サファイア;酸化マグネシウム(MgO);雲母;ポリマー(例えば、PET、PEG、ポリプロピレン、ポリエチレンなど);セラミックス;布地(fabrics)(例えば、綿、絹、羊毛);木材;ドライウォール(drywall);金属;及びそれらの組み合わせ;
のいずれか1以上を含む。
インジウムスズ酸化物又はスズドープド酸化インジウム(ITO);フッ素ドープド酸化スズ(FTO);酸化カドミウム(CdO);亜鉛インジウムスズ酸化物(ZITO);アルミニウム亜鉛酸化物(AZO);アルミニウム(Al);金(Au);カルシウム(Ca);マグネシウム(Mg);チタン(Ti);鋼;炭素(及びその同素体);およびそれらの組み合わせ;
のいずれか1以上を含むことができる。
本明細書の他の箇所で論じられているいずれの界面材料及び/又はメソポーラス材料;アルミニウム(Al);ビスマス(Bi);インジウム(In);モリブデン(Mo);ニオブ(Nb);ニッケル(Ni);ケイ素(Si);チタン(Ti);バナジウム(V);亜鉛(Zn);ジルコニウム(Zr);上記金属のいずれか1以上の酸化物(例えば、アルミナ、セリア(ceria)、チタニア、酸化亜鉛、ジルコナ(zircona)など);上記金属のいずれか1以上の硫化物;上記金属のいずれか1以上の窒化物;及びそれらの組み合わせ;
のいずれか1以上を含む。
ペロブスカイト材料;I-/I3 -;Co錯体;ポリチオフェン(例えば、ポリ(3-ヘキシルチオフェン)及びその誘導体、又はP3HT);カルバゾール系コポリマー、例えばポリヘプタデカニルカルバゾール ジチエニルベンゾチアジアゾール、及びその誘導体(例えば、PCDTBT);他のコポリマー、例えばポリシクロペンタジチオフェン-ベンゾチアジアゾール及びその誘導体(例えば、PCPDTBT);ポリベンゾジチオフェニル-チエノチオフェンジイル及びその誘導体(例えば、PTB6、PTB7、PTB7-th、PCE-10);ポリ(トリアリールアミン)化合物及びその誘導体(例えば、PTAA);Spiro-OMeTAD;ポリフェニレンビニレン類及びそれらの誘導体(例えば、MDMO-PPV、MEH-PPV);フラーレン及び/又はフラーレン誘導体(例えば、C60、PCBM);及びそれらの組み合わせ;
のいずれか1以上を含むことができる。特定の実施形態において、電荷輸送材料は、(電子又は正孔)を収集することができる、及び/又は電荷キャリアを輸送することができるいずれの材料、固体もしくは液体、を含むことができる。従って、いくつかの実施形態の電荷輸送材料は、n型もしくはp型活物質及び/又は半導電性材料であってもよい。電荷輸送材料は、デバイスの電極の一方に近接して配置されてもよい。いくつかの実施形態では、電極(an electrode)に隣接して配置することができるが、他の実施形態では、電荷輸送材料と電極との間に界面層を配置することができる(例えば図7において示すように、第5の界面層3911)。特定の実施形態では、電荷輸送材料のタイプは、それが近接している電極に基づいて選択することができる。例えば、電荷輸送材料が正孔を収集及び/又は輸送する場合、正孔をアノードに輸送するために、電荷輸送材料(it)は、アノードに近接していてもよい。しかし、それよりも、電荷輸送材料をカソードに近接して配置し、且つ、電子をカソードに輸送するように選択又は構成することができる。
本明細書の他の箇所で議論されるいずれのメソポーラス材料及び/又は界面材料;
Al;Bi;Co;Cu;Fe;In;Mn;Mo;Ni;白金(Pt);Si;Sn;Ta;Ti;V;W;Nb;Zn;Zr;前記金属のいずれかの酸化物(例えば、アルミナ、シリカ、チタニア);前記金属のいずれかの硫化物;前記金属のいずれかの窒化物;官能化又は非官能化アルキルシリル基;グラファイト;グラフェン;フラーレン;カーボンナノチューブ;及びそれらの組み合わせ(いくつかの実施形態では、組み合わされた材料の二重層(bilayers)を含む);
のいずれか1以上を含むことができる。いくつかの実施形態では、界面層は、ペロブスカイト材料を含むことができる。
メソポーラス層4104(TiO2を含む);光活性材料4105(ペロブスカイト材料MAPbI3を含む);及び電荷輸送層4106(ここではCsSnI3を含む);
が挟まれている。
他の例示的ペロブスカイト材料デバイスアーキテクチャは、本開示の恩恵を受ける当業者には明らかであろう。例は、以下のアーキテクチャ:
(1)液体電解質-ペロブスカイト材料-メソポーラス層;
(2)ペロブスカイト材料-色素-メソポーラス層;
(3)第1のペロブスカイト材料-第2のペロブスカイト材料-メソポーラス層;
(4)第1のペロブスカイト材料-第2のペロブスカイト材料;
(5)第1のペロブスカイト材料-色素-第2のペロブスカイト材料;
(6)固体状態の電荷輸送材料-ペロブスカイト材料;
(7)固体状態の電荷輸送材料-色素-ペロブスカイト材料-メソポーラス層;
(8)固体状態の電荷輸送材料-ペロブスカイト材料-色素-メソポーラス層;
(9)固体状態の電荷輸送材料-色素-ペロブスカイト材料-メソポーラス層;及び
(10)固体状態の電荷輸送材料-ペロブスカイト材料-色素-メソポーラス層;
のいずれかを有する活性層を含むデバイスが挙げられるが、これらに限定されない。各例示アーキテクチャの個々の成分(例えば、メソポーラス層、電荷輸送材料など)は、各成分について上の考察に従うことができる。さらに、各例示的なアーキテクチャについては、以下でより詳細に論ずる。
前述のように、いくつかの実施形態では、活性層中のペロブスカイト材料は、配合(formulation) CMX3-yX’y(0≧y≧3)を有してもよく、
式中、Cは、1以上のカチオン(例えば、アミン、第1族金属、第2族金属、ホルムアミジニウム、グアニジニウム、エテンテトラミン及び/又は他のカチオン又はカチオン様化合物)を含み;
Mは、1以上の金属(例えばFe、Cd、Co、Ni、Cu、Hg、Sn、Pb、Bi、Ge、Ti、Zn及びZr)を含み;且つ、
X及びX’は、1以上のアニオンを含む。
一実施形態では、ペロブスカイト材料はCPbI3-yClyを含むことができる。特定の実施形態では、ペロブスカイト材料は、以下に記載されたステップを使用して、基板層上に、例えばドロップキャスティング、スピンキャスティング、スロットダイ印刷、スクリーン印刷、又はインクジェット印刷によって、PVデバイスにおける活性層として堆積され得る。
硝酸塩、亜硝酸塩、カルボン酸塩、酢酸塩、ギ酸塩、オキシ酸塩(oxylate,オキシレート)、硫酸塩、亜硫酸塩、チオ硫酸塩、リン酸塩、テトラフルオロホウ酸塩、ヘキサフルオロリン酸塩、テトラ(ペルフルオロフェニル)ホウ酸塩、水素化物(hydride)、酸化物、過酸化物、水酸化物、窒化物、ヒ酸塩、亜ヒ酸塩、過塩素酸塩、炭酸塩、重炭酸塩、クロム酸塩、重クロム酸塩、ヨウ素酸塩、臭素酸塩、塩素酸塩、亜塩素酸塩、次亜塩素酸塩、次亜臭素酸塩、シアン化物、シアン酸塩、イソシアン酸塩、雷酸塩(fulminate)、チオシアン酸塩、イソチオシアン酸塩、アジド、テトラカルボニルコバルト酸塩、カルバモイルジシアノメタニド、ジシアノニトロソメタニド、ジシアンアミド、トリシアノメタニド、アミド、および過マンガン酸塩、
とのいずれの組み合わせを含むことができる。
[請求項1]
光起電力デバイスであって、
第1の電極と、
第2の電極と、
前記第1の電極と前記第2の電極との間に少なくとも部分的に配置された活性層であって、前記活性層は、
ペロブスカイト材料を含む光活性材料と、
第2の界面層に隣接して配置された第1の界面層であって、前記第2の界面層とは異なる材料を含む、前記第1の界面層と、
を含む、前記活性層と、
を含む、光起電力デバイス。
[請求項2]
前記ペロブスカイト材料が、化学式CMX3(式中、Cは、1族金属、2族金属、有機カチオン、及びそれらの組み合わせからなる群から各々選択される1以上のカチオンを含む)を有し、
Mは、Fe、Co、Ni、Cu、Sn、Pb、Bi、Ge、Ti、Zn及びこれらの組み合わせからなる群から各々選択される1以上の金属を含み、且つ、
Xは、ハロゲン化物、擬ハロゲン化物、硫化物、セレン化物、及びこれらの組み合わせからなる群から各々選択される1以上のアニオンを含む、
請求項1に記載の光起電力デバイス。
[請求項3]
前記第1の界面層がZnOを含む、請求項1に記載の光起電力デバイス。
[請求項4]
前記第2の界面層がAl2O3を含む、請求項1に記載の光起電力デバイス。
[請求項5]
前記第1の界面層がZnOを含み、且つ、前記第2の界面層がA12O3を含む、請求項1に記載の光起電力デバイス。
[請求項6]
前記活性層が、前記第1の界面層又は前記第2の界面層に隣接して配置された第3の界面層をさらに含む、請求項1に記載の光起電力デバイス。
[請求項7]
前記第1の界面層がA12O3を含み、前記第2の界面層がZnOを含み、前記第3の界面層がA12O3を含む、請求項6に記載の光起電力デバイス。
[請求項8]
前記活性層がメソポーラス材料をさらに含む、請求項1に記載の光起電力デバイス。
[請求項9]
前記活性層は、
前記第1の界面層又は前記第2の界面層に隣接して配置された第3の界面層と、
前記第1の界面層、前記第2の界面層、又は前記第3の界面層に隣接して配置された第4の界面層と、
をさらに含む、請求項1に記載の光起電力デバイス。
[請求項10]
前記活性層は、
前記第1の界面層又は前記第2の界面層に隣接して配置された第3の界面層と、
前記第1の界面層、前記第2の界面層、又は前記第3の界面層に隣接して配置された第4の界面層と、
前記第1の界面層、前記第2の界面層、前記第3の界面層、又は前記第4の界面層に隣接して配置された第5の界面層と、
をさらに含む、請求項1に記載の光起電力デバイス。
[請求項11]
前記第1の電極はアノードをさらに含み、
前記第2の電極はカソードをさらに含み、且つ、
前記第1の界面層及び前記第2の界面層は、前記光活性層と前記第1の電極との間に配置される、
請求項1に記載の光起電力デバイス。
[請求項12]
前記第1の電極はアノードをさらに含み、
前記第2の電極はカソードをさらに含み、且つ、
前記第1の界面層及び前記第2の界面層は、前記光活性層と前記第2の電極との間に配置される、
請求項1に記載の光起電力デバイス。
[請求項13]
前記第1及び第2の界面層は、Al、Bi、Co、Cu、Fe、In、Mn、Mo、Ni、Pt、Si、Sn、Ta、Ti、V、W、Nb、Zn、Zr、前記金属のいずれかの酸化物、前記金属のいずれかの硫化物、前記金属のいずれかの窒化物、アルキルシリル基、グラファイト、グラフェン、フラーレン、カーボンナノチューブ、メソポーラス材料、及びそれらの組み合わせからなる群から各々選択される1以上の化合物を含む、請求項1に記載の光起電力デバイス。
[請求項14]
前記第1及び第2の界面層が、NiO、TiO2、SrTiO3、Al2O3、ZrO2、WO3、V2O5、MO3、ZnO、グラフェン、カーボンブラック、及びそれらの組み合わせからなる群から各々選択される1以上の化合物を含む、請求項1に記載の光起電力デバイス。
[請求項15]
前記第1の界面層は、Al、In、B、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、Nb及びそれらの組み合わせからなる群から選択される1以上の化合物でドープされたZnOを含む、請求項1に記載の光起電力デバイス。
[請求項16]
前記第1の界面層が、Al、In、B、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、Nb及びそれらの組み合わせからなる群から選択される1以上の化合物でドープされたTiO2を含む、請求項1に記載の光起電力デバイス。
[請求項17]
光起電力デバイスであって、
第1の電極と、
第2の電極と、
前記第1の電極と前記第2の電極との間に少なくとも部分的に配置された活性層であって、前記活性層は、
ペロブスカイト材料と、
複数の隣接する界面層と、
を含み、
各界面層は、その隣接する界面層とは異なる材料を含み、
前記ペロブスカイト材料は式CMX3を有し、
Cは、第1族金属、第2族金属、有機カチオン、及びそれらの組み合わせからなる群から各々選択される1以上のカチオンを含み、
Mは、Fe、Co、Ni、Cu、Sn、Pb、Bi、Ge、Ti、Zn及びそれらの組み合わせからなる群から各々選択される1以上の金属を含み、且つ、
Xは、ハロゲン化物、擬ハロゲン化物、硫化物、セレン化物、及びそれらの組み合わせからなる群から各々選択される1以上のアニオンを含む、光起電力デバイス。
[請求項18]
Cがメチルアンモニウムであり、MがPbであり、且つ、Xが1以上のハロゲン化物を含む、請求項13に記載の光起電力デバイス。
[請求項19]
Cがメチルアンモニウムであり、MがSnであり、且つ、Xが1以上のハロゲン化物を含む、請求項13に記載の光起電力デバイス。
[請求項20]
Cがホルムアミジニウムであり、MがPbであり、且つ、Xが1以上のハロゲン化物を含む、請求項13に記載の光起電力デバイス。
[請求項21]
Cがホルムアミジニウムであり、MがSnであり、且つ、Xが1以上のハロゲン化物を含む、請求項13に記載の光起電力デバイス。
[請求項22]
前記複数の界面層の少なくとも1つがZnOを含み、且つ、前記複数の界面層の少なくとも1つがAl2O3を含む、請求項17に記載の光起電力デバイス。
[請求項23]
前記ZnOが、AlドープドZnO、InドープドZnO、BドープドZnO、BeドープドZnO、MgドープドZnO、CaドープドZnO、SrドープドZnO、BaドープドZnO、ScドープドZnO、YドープドZnO、NbドープドZnO、及びそれらの組み合わせからなる群から選択された1以上の化合物を含むドープドZnOを含む、請求項22に記載の光起電力デバイス。
[請求項24]
前記複数の界面層の少なくとも1つがTiO2を含み、且つ、前記複数の界面層の少なくとも1つがAl2O3を含む、請求項17に記載の光起電力デバイス。
[請求項25]
前記TiO2は、AlドープドTiO2、InドープドTiO2、BドープドTiO2、BeドープドTiO2、MgドープドTiO2、CaドープドTiO2、SrドープドTiO2、BaドープドTiO2、ScドープドTiO2、YドープドTiO2、NbドープドTiO2、それらの組み合わせからなる群から選択された1以上の化合物を含むドープドTiO2を含む、請求項24に記載の光起電力デバイス。
[請求項26]
前記複数の界面層は、
A12O3を含む第1の界面層と、
ZnOを含む第2の界面層と、
A12O3を含む第3の界面層と、
ZnOを含む第4の界面層と、
A12O3を含む第5の界面層と、
を含む、請求項17に記載の光起電力デバイス。
[請求項27]
前記第1の電極はアノードをさらに含み、
前記第2の電極はカソードをさらに含み、且つ、
前記複数の界面層は、前記ペロブスカイト材料と前記第1の電極との間に配置される、
請求項17に記載の光起電力デバイス。
[請求項28]
前記第1の電極はアノードをさらに含み、
前記第2の電極はカソードをさらに含み、且つ、
前記複数の界面層は、前記ペロブスカイト材料と前記第2の電極との間に配置される、
請求項17に記載の光起電力デバイス。
[請求項29]
前記複数の界面層の各々は、Al、Bi、Co、Cu、Fe、In、Mn、Mo、Ni、Pt、Si、Sn、Ta、Ti、V、W、Nb、Zn、Zr、前記金属のいずれかの酸化物、前記金属のいずれかの硫化物、前記金属のいずれかの窒化物、アルキルシリル基、グラファイト、グラフェン、フラーレン、カーボンナノチューブ、メソポーラス材料、及びそれらの組み合わせからなる群から各々選択される1以上の化合物を含む、請求項17に記載の光起電力デバイス。
[請求項30]
前記複数の界面層の各々は、NiO、TiO2、SrTiO3、Al2O3、ZrO2、WO3、V2O5、MO3、ZnO、グラフェン、カーボンブラック、及びそれらの組み合わせからなる群から各々選択される1以上の化合物を含む、請求項17に記載の光起電力デバイス。
4501 第1の基板
4502 第1の電極(ITO)
4504 第2のIFL(例えば、ZnO)
4505 光活性材料(例えば、MAPbI3)
4506 電荷輸送層(例えば、Spiro-OMeTAD)
4507 第2の基板
Claims (7)
- 光起電力デバイスであって、
第1の電極と、
第2の電極と、
前記第1の電極と前記第2の電極との間に少なくとも部分的に配置された活性層であって、前記活性層は、
ペロブスカイト材料を含む光活性材料層と、
前記第1の電極の上に、隣接し、且つ、接触して配置され、且つ、第2の界面層の下に、隣接し、且つ、接触して配置された第1の界面層と、
前記第1の界面層の上に、隣接し、且つ、接触して配置され、且つ、第3の界面層の下に、隣接し、且つ、接触して配置された前記第2の界面層と、
前記第2の界面層の上に、隣接し、且つ、接触して配置された前記第3の界面層と、
を含み、ここで前記第1の界面層及び前記第3の界面層は、前記第2の界面層とは異なる材料を含む、
前記活性層と、
を含み、
ここで、前記第1の界面層がAl2O3を含み、前記第2の界面層がZnOを含み、前記第3の界面層がAl2O3を含む、光起電力デバイス。 - 前記ペロブスカイト材料が、化学式CMX3
(式中、Cは、1族金属、2族金属、有機カチオン、及びそれらの組み合わせからなる群から各々選択される1以上のカチオンを含み、
Mは、Fe、Co、Ni、Cu、Sn、Pb、Bi、Ge、Ti、Zn及びこれらの組み合わせからなる群から各々選択される1以上の金属を含み、且つ、
Xは、ハロゲン化物、擬ハロゲン化物、硫化物、セレン化物、及びこれらの組み合わせからなる群から各々選択される1以上のアニオンを含む)
を有する、請求項1に記載の光起電力デバイス。 - 前記活性層がメソポーラス材料をさらに含む、請求項1に記載の光起電力デバイス。
- 前記活性層は、
前記第3の界面層に隣接して配置された第4の界面層、
をさらに含む、請求項1に記載の光起電力デバイス。 - 前記活性層は、
前記第4の界面層に隣接して配置された第5の界面層、
をさらに含む、請求項4に記載の光起電力デバイス。 - 前記第1の電極はアノードをさらに含み、
前記第2の電極はカソードをさらに含み、且つ、
前記第1の界面層及び前記第2の界面層は、前記光活性材料層と前記第1の電極との間に配置される、
請求項1に記載の光起電力デバイス。 - Cがメチルアンモニウム又はホルムアミジニウムであり、
MがPb又はSnであり、
Xが1以上のハロゲン化物を含む、
請求項2に記載の光起電力デバイス。
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