KR102112927B1 - Dopant for perovskite material, perovskite material comprising the dopant, and method of forming the same - Google Patents

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Abstract

페로브스카이트 재료용 도펀트, 상기 도펀트를 포함하는 페로브스카이트 재료 및 그 형성 방법이 제공된다.
상기 페로브스카이트 재료용 도펀트는, 할라이드 페로브스카이트 재료에 도입되는 도펀트로서, 화합물 SbX3 및 BiX3 중에서 하나 또는 둘 이상을 포함한다. 상기 화학식 SbX3 및 BiX3에서 X는 F, Cl, Br, 및 I 중에서 적어도 하나 또는 둘 이상을 포함한다.
상기 페로브스카이트 재료는, 할라이드 페로브스카이트 화합물 및 상기 할라이드 페로브스카이트 화합물에 도입되고, 화합물 SbX3 및 BiX3 중에서 하나 또는 둘 이상을 포함하는 도펀트를 포함한다. 상기 화학식 SbX3 및 BiX3에서 X는 F, Cl, Br, 및 I 중에서 적어도 하나 또는 둘 이상을 포함한다.
상기 페로브스카이트 재료의 형성 방법은, CsX, SnX2, 및 도펀트를 혼합하여 가열하는 단계를 포함한다. 상기 도펀트는, 화합물 SbX3 및 BiX3 중에서 하나 또는 둘 이상을 포함하고, 상기 화학식 CsX, SnX2, SbX3, 및 BiX3에서 X는 F, Cl, Br, 및 I 중에서 적어도 하나 또는 둘 이상을 포함한다.
A dopant for a perovskite material, a perovskite material comprising the dopant, and a method of forming the same are provided.
The dopant for the perovskite material is a dopant introduced into the halide perovskite material, and includes one or more of compounds SbX 3 and BiX 3 . In the formulas SbX 3 and BiX 3 , X includes at least one or more of F, Cl, Br, and I.
The perovskite material includes a halide perovskite compound and a dopant introduced into the halide perovskite compound and comprising one or more of compounds SbX 3 and BiX 3 . In the formulas SbX 3 and BiX 3 , X includes at least one or more of F, Cl, Br, and I.
The method of forming the perovskite material includes mixing CsX, SnX 2 , and a dopant to heat the mixture. The dopant includes one or more of compounds SbX 3 and BiX 3 , wherein X in the formulas CsX, SnX 2 , SbX 3 , and BiX 3 is at least one or more of F, Cl, Br, and I Includes.

Description

페로브스카이트 재료용 도펀트, 상기 도펀트를 포함하는 페로브스카이트 재료 및 그 형성 방법{DOPANT FOR PEROVSKITE MATERIAL, PEROVSKITE MATERIAL COMPRISING THE DOPANT, AND METHOD OF FORMING THE SAME}Dopant for a perovskite material, perovskite material containing the dopant and a method for forming the same {DOPANT FOR PEROVSKITE MATERIAL, PEROVSKITE MATERIAL COMPRISING THE DOPANT, AND METHOD OF FORMING THE SAME}

본 발명은 페로브스카이트 재료용 도펀트, 상기 도펀트를 포함하는 페로브스카이트 재료 및 그 형성 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a dopant for a perovskite material, a perovskite material containing the dopant, and a method for forming the same.

페로브스카이트(Perovskite)는 러시아에서 처음 발견된 CaTiO3(Calcium titanium oxide) 광물의 이름으로 이후 이런 결정구조를 갖는 화합물을 통칭해 '페로브스카이트'라고 부른다. 일반적으로 ABX3의 구조를 가지며, A와 B, X에 어떤 원자가 있느냐에 따라 수백 가지 종류가 알려져 있고 전기적 특성도 도체에서 반도체, 부도체까지 다양하게 나타난다.Perovskite (Perovskite) is the name of CaTiO 3 (Calcium titanium oxide) mineral, which was first discovered in Russia. In general, it has the structure of ABX 3 , and there are hundreds of types known depending on which atoms are in A, B, and X, and electrical properties vary from conductors to semiconductors and non-conductors.

페로브스카이트 중 최근 각광받고 있는 물질은 CH3NH3PbI3(Methyl ammonium lead iodide)이며, 이로 태양전지를 만들었을 때 20%가 넘는 우수한 광전 변환효율을 보인다. 태양전지뿐만 아니라 페로브스카이트는 우수한 전기적 특성과 액상공정이 가능하다는 장점 등으로 인해 트랜지스터, LED등 다양한 분야에 적용되고 있다.Among the perovskite materials, CH 3 NH 3 PbI 3 (Methyl ammonium lead iodide), which has recently been spotlighted, shows excellent photoelectric conversion efficiency of over 20% when it is made of solar cells. In addition to solar cells, perovskite has been applied to various fields such as transistors and LEDs due to its excellent electrical properties and the advantage of being capable of liquid phase processing.

태양전지에서 가장 높은 효율을 보여주고 있는 페로브스카이트 재료은 구성원소에 Pb(납)을 포함하고 있어 상용화될 시 환경적인 문제를 일으킬 수 있다. 따라서 이를 대체할 다른 원소를 찾는 것이 최근 페로브스카이트 연구의 한가지 큰 흐름이며, 대체제로서 가장 유력한 후보는 같은 14족에 있는 Sn(주석)이다. Sn기반 페로브스카이트는 납을 포함한 물질만큼의 효율은 아직까지 도달하지 못하였지만, Pb와 유사한 특성과 우수한 광 전기적 특성을 보여주고 있기 때문에 촉망받고 있으며 이에 대한 연구가 많이 진행되고 있다.Perovskite materials, which show the highest efficiency in solar cells, contain Pb (lead) in their constituent elements, which can cause environmental problems when commercialized. Therefore, finding another element to replace it is one major trend in recent perovskite research, and the most promising candidate as a substitute is Sn (annotation) from the same group 14. Although Sn-based perovskite has not yet reached the efficiency of a material containing lead, it is promising because it shows similar properties to Pb and excellent photoelectric properties, and many studies have been conducted.

대표적인 Sn기반 페로브스카이트 재료인 CsSnI3의 경우 높은 전류 밀도(30mA/㎠)를 가지며, 기존 페로브스카이트 태양전지의 유독한 성분인 납을 포함하는 CH3NH3PbI3물질의 대체제로 손꼽히고 있다. CsSnI3은 상온에서 밴드갭이 1.3eV이며 광전기적으로 활성 상태인 흑색 상(B-γ)과 광전기적으로 비활성 상태이며 2.49eV의 큰 밴드갭을 가지는 황색 상(Y)을 가지고 있다. 이 두 가지 상은 에너지 차이가 작아 흑색 상에서 쉽게 황색 상으로 변하며, 이러한 특성은 다양한 디바이스 응용에 저해요소로 작용하고 있다.As a representative Sn-based perovskite material, CsSnI 3 has a high current density (30mA / ㎠) and is a substitute for CH 3 NH 3 PbI 3 material containing lead, a toxic component of existing perovskite solar cells. It is counted. CsSnI 3 has a yellow phase (Y) with a large bandgap of 2.49 eV and a photoelectrically active black phase (B-γ) with a bandgap of 1.3 eV at room temperature and a photoelectrically inactive state. These two phases have a small energy difference, so the black phase easily changes to a yellow phase, and these properties act as an inhibitor to various device applications.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 페로브스카이트 재료을 안정화시킬 수 있는 도펀트를 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention provides a dopant that can stabilize the perovskite material.

본 발명은 우수한 안정성을 갖는 페로브스카이트 재료를 제공한다.The present invention provides a perovskite material having excellent stability.

본 발명은 상기 페로브스카이트 재료의 형성 방법을 제공한다.The present invention provides a method of forming the perovskite material.

본 발명의 다른 목적들은 다음의 상세한 설명과 첨부한 도면으로부터 명확해 질 것이다.Other objects of the present invention will become apparent from the following detailed description and accompanying drawings.

본 발명의 실시예들에 따른 페로브스카이트 재료용 도펀트는, 할라이드 페로브스카이트 재료에 도입되는 도펀트로서, 화합물 SbX3 및 BiX3 중에서 하나 또는 둘 이상을 포함한다. 상기 화학식 SbX3 및 BiX3에서 X는 F, Cl, Br, 및 I 중에서 적어도 하나 또는 둘 이상을 포함한다.The dopant for a perovskite material according to embodiments of the present invention is a dopant introduced into a halide perovskite material, and includes one or two or more of compounds SbX 3 and BiX 3 . In the formulas SbX 3 and BiX 3 , X includes at least one or more of F, Cl, Br, and I.

본 발명의 실시예들에 따른 페로브스카이트 재료는, 할라이드 페로브스카이트 화합물 및 상기 할라이드 페로브스카이트 화합물에 도입되고, 화합물 SbX3 및 BiX3 중에서 하나 또는 둘 이상을 포함하는 도펀트를 포함한다. 상기 화학식 SbX3 및 BiX3에서 X는 F, Cl, Br, 및 I 중에서 적어도 하나 또는 둘 이상을 포함한다.The perovskite material according to the embodiments of the present invention includes a halide perovskite compound and a dopant introduced into the halide perovskite compound and comprising one or more of compounds SbX 3 and BiX 3 do. In the formulas SbX 3 and BiX 3 , X includes at least one or more of F, Cl, Br, and I.

본 발명의 실시예들에 따른 페로브스카이트 재료의 형성 방법은, CsX, SnX2, 및 도펀트를 혼합하여 가열하는 단계를 포함한다. 상기 도펀트는, 화합물 SbX3 및 BiX3 중에서 하나 또는 둘 이상을 포함하고, 상기 화학식 CsX, SnX2, SbX3, 및 BiX3에서 X는 F, Cl, Br, 및 I 중에서 적어도 하나 또는 둘 이상을 포함한다.A method of forming a perovskite material according to embodiments of the present invention includes heating by mixing CsX, SnX 2 , and a dopant. The dopant includes one or more of compounds SbX 3 and BiX 3 , wherein X in the formulas CsX, SnX 2 , SbX 3 , and BiX 3 is at least one or more of F, Cl, Br, and I Includes.

본 발명의 실시예들에 따른 도펀트(BiX3, SbX3 , X=F, Cl, Br, I)는 소량 첨가만으로 상온에서 순수한 페로브스카이트 구조를 안정화시킬 수 있다. Bi 및 Sb의 P 궤도는 Sn계 페로브스카이트 재료의 밴드 갭을 좁히는 데 기여한다. 상기 도펀트의 첨가를 통해 페로브스카이트 상(흑색 상)의 형성에너지가 경쟁상인 비 페로브스카이트 상(황색 상)보다 낮아져, 페로브스카이트 상이 열역학적으로 안정화될 수 있다. 도펀트 없이는 공기중에서 흑색 상이 황색 상으로 빠르게 붕괴하지만, 상기 도펀트를 통해 열역학적으로 흑색 상이 더 안정해지기 때문에 공기 노출에도 황색 상이 나타나지 않으며, Cs2SnI6를 형성하는 산화반응이 늦어지게 된다. 따라서 CsSnI3 물질의 구조적 불안정성을 해결하여 공기 중에서의 안정성도 증가시킨다. 불안정한 할라이드 페로브스카이트를 가지는 물질들에 도펀트를 적용하여 안정적인 구조를 얻을 수 있다. 납 성분이 포함되지 않기 때문에 친환경적이며, 할라이드 페로브스카이트(halide perovskite) 물질을 다양하게 활용할 수 있다.The dopant (BiX 3 , SbX 3 , X = F, Cl, Br, I) according to embodiments of the present invention can stabilize a pure perovskite structure at room temperature with only a small amount added. The P orbits of Bi and Sb contribute to narrowing the band gap of Sn-based perovskite materials. Through the addition of the dopant, the formation energy of the perovskite phase (black phase) is lower than the non-perovskite phase (yellow phase), which is a competitive phase, so that the perovskite phase can be thermodynamically stabilized. Without the dopant, the black phase rapidly collapses into the yellow phase in the air, but the yellow phase does not appear even in air exposure because the black phase becomes more thermodynamically stable through the dopant, and the oxidation reaction to form Cs 2 SnI 6 is delayed. Therefore, the structural instability of the CsSnI 3 material is solved to increase the stability in air. A stable structure can be obtained by applying a dopant to materials having an unstable halide perovskite. It is environmentally friendly because it does not contain lead, and it can utilize a variety of halide perovskite materials.

도 1 및 2는 본 발명의 실시예들에 따른 도펀트 도입에 따른 페로브스카이트 재료의 변화를 나타낸다.
도 3은 공기에 대한 다양한 노출 시간에 따른 페로브스카이트 재료의 X-ray 회절 패턴을 나타낸다.
도 4는 흑색 상 및 황색 상의 형성에너지를 나타낸다.
도 5 내지 도 7은 공기에 대한 다양한 노출 시간에 따른 페로브스카이트 재료의 분말 XRD 패턴을 나타낸다.
도 8은 페로브스카이트 재료의 흡수 스펙트럼을 나타낸다.
도 9는 페로브스카이트 재료의 밴드갭을 나타낸다.
도 10은 Bi가 도핑된 흑색 상 페로브스카이트의 밴드 구조를 나타낸다.
도 11은 Sb가 도핑된 흑색 상 페로브스카이트의 밴드 구조를 나타낸다.
도 12 내지 도 15는 공기에 대한 다양한 노출 시간에 따른 페로브스카이트 재료의 실온 PL 스펙트럼을 나타낸다.
1 and 2 show the change of the perovskite material according to the introduction of a dopant according to embodiments of the present invention.
3 shows an X-ray diffraction pattern of perovskite material with various exposure times to air.
4 shows the formation energy of the black phase and the yellow phase.
5 to 7 show powder XRD patterns of perovskite materials according to various exposure times to air.
8 shows the absorption spectrum of the perovskite material.
9 shows the bandgap of perovskite material.
10 shows a band structure of black phase perovskite doped with Bi.
11 shows the band structure of Sb doped black phase perovskite.
12-15 show room temperature PL spectra of perovskite materials with various exposure times to air.

이하, 실시예들을 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 본 발명의 목적, 특징, 장점은 이하의 실시예들을 통해 쉽게 이해될 것이다. 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고, 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 따라서, 이하의 실시예들에 의하여 본 발명이 제한되어서는 안 된다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through examples. The objects, features, and advantages of the present invention will be readily understood through the following examples. The present invention is not limited to the embodiments described herein, but may be embodied in other forms. The embodiments introduced herein are provided to ensure that the disclosed contents are thorough and complete and that the spirit of the present invention is sufficiently transmitted to a person skilled in the art to which the present invention pertains. Therefore, the present invention should not be limited by the following examples.

본 발명의 실시예들에 따른 페로브스카이트 재료용 도펀트는, 할라이드 페로브스카이트 재료에 도입되는 도펀트로서, 화합물 SbX3 및 BiX3 중에서 하나 또는 둘 이상을 포함한다. 상기 화학식 SbX3 및 BiX3에서 X는 F, Cl, Br, 및 I 중에서 적어도 하나 또는 둘 이상을 포함한다.The dopant for a perovskite material according to embodiments of the present invention is a dopant introduced into a halide perovskite material, and includes one or two or more of compounds SbX 3 and BiX 3 . In the formulas SbX 3 and BiX 3 , X includes at least one or more of F, Cl, Br, and I.

본 발명의 실시예들에 따른 페로브스카이트 재료는, 할라이드 페로브스카이트 화합물 및 상기 할라이드 페로브스카이트 화합물에 도입되고, 화합물 SbX3 및 BiX3 중에서 하나 또는 둘 이상을 포함하는 도펀트를 포함한다. 상기 화학식 SbX3 및 BiX3에서 X는 F, Cl, Br, 및 I 중에서 적어도 하나 또는 둘 이상을 포함한다.The perovskite material according to the embodiments of the present invention includes a halide perovskite compound and a dopant introduced into the halide perovskite compound and comprising one or more of compounds SbX 3 and BiX 3 do. In the formulas SbX 3 and BiX 3 , X includes at least one or more of F, Cl, Br, and I.

상기 도펀트에 의해 상기 페로브스카이트 재료의 비 페로브스카이트 상 형성이 억제될 수 있다. 상기 도펀트에 의해 상기 페로브스카이트 재료가 페로브스카이트 구조를 유지할 수 있다.Formation of the non-perovskite phase of the perovskite material can be suppressed by the dopant. The perovskite material may maintain a perovskite structure by the dopant.

본 발명의 실시예들에 따른 페로브스카이트 재료의 형성 방법은, CsX, SnX2, 및 도펀트를 혼합하여 가열하는 단계를 포함한다. 상기 도펀트는, 화합물 SbX3 및 BiX3 중에서 하나 또는 둘 이상을 포함하고, 상기 화학식 CsX, SnX2, SbX3, 및 BiX3에서 X는 F, Cl, Br, 및 I 중에서 적어도 하나 또는 둘 이상을 포함한다.A method of forming a perovskite material according to embodiments of the present invention includes heating by mixing CsX, SnX 2 , and a dopant. The dopant includes one or more of compounds SbX 3 and BiX 3 , wherein X in the formulas CsX, SnX 2 , SbX 3 , and BiX 3 is at least one or more of F, Cl, Br, and I Includes.

CsX:SnX2:도펀트의 혼합 몰비는 1:1:0.01~0.03일 수 있다.The mixing molar ratio of CsX: SnX 2 : dopant may be 1: 1: 0.01 to 0.03.

예를 들어, 상기 페로브스카이트 재료는 고상합성(Solid-state synthesis)을 이용하여 CsSnI3 페로브스카이트 화합물에 도펀트 SbX3, BiX3(X=F, Cl, Br, I)를 추가하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 페로브스카이트 재료는 CsI, SnI2, 및 BiI3(또는 SbI3)를 1:1:0.01~0.03의 몰비로 혼합하고 약 10- 4Torr 하에서 밀봉하고 약 450℃에서 약 4시간 동안 가열하여 형성될 수 있다. 상기 도펀트는 CsSnI3 페로브스카이트 화합물에 대하여 다양한 몰비로 추가될 수 있다.For example, the perovskite material is a dopant in a CsSnI 3 perovskite compound using solid-state synthesis. SbX 3 , BiX 3 (X = F, Cl, Br, I) can be added. For example, the perovskite material is CsI, SnI 2, and BiI 3 (or SbI 3) a 1: 1 mixture in a molar ratio of 0.01 to 0.03, and about 10 - in sealed under 4 Torr and about 450 ℃ about It can be formed by heating for 4 hours. The dopant may be added in various molar ratios to the CsSnI 3 perovskite compound.

예를 들어, 상기 페로브스카이트 재료는 1g의 CsSnI3 0.001581mol에 0.01배에 해당하는 0.00001581mol의 BiI3을 추가하여 합성될 수 있다. 또, 몰비가 CsSnI3:BiI3=1:0.02인 페로브스카이트 재료는 1g의 CsSnI3 0.001581mol에 0.02배에 해당하는 0.00003163mol의 BiI3을 추가하여 합성될 수 있다.For example, the perovskite material can be synthesized by adding 0.00001581 mol of BiI 3 corresponding to 0.01 times to 0.001581 mol of 1 g of CsSnI 3 . In addition, the perovskite material having a molar ratio of CsSnI 3 : BiI 3 = 1: 0.02 can be synthesized by adding 0.00003163 mol of BiI 3 corresponding to 0.02 times to 0.001581 mol of 1 g of CsSnI 3 .

황색 상이 흑색 상보다 열역학적으로 안정하기 때문에 합성시 불순물이 조금이라도 포함되는 경우 순수한 흑색 상을 구성할 수 없고 황색 및 흑색 상의 혼합물을 제공한다. 그러나, Bi 및 Sb 도핑은 황색 상 형성을 억제하고 순수한 흑색 상을 제공할 수 있다. Since the yellow phase is more thermodynamically stable than the black phase, a pure black phase cannot be formed when any impurities are included in the synthesis, and a mixture of yellow and black phases is provided. However, Bi and Sb doping can inhibit yellow phase formation and provide a pure black phase.

도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 도펀트 도입에 따른 페로브스카이트 재료의 변화를 나타낸다. CsSnI3 1g을 기준으로 하여 페로브스카이트와 도펀트 몰비를 CsSnI3:BiI3=1:0.01, 0.02, 0.03에 맞게 도펀트를 추가하여 실험하였다. 도 1은 도펀트 Bi 도입에 따른 X-ray 회절 패턴의 변화를 나타내고, 도 2는 도펀트 Sb 도입에 따른 X-ray 회절 패턴의 변화를 나타낸다. 1 and 2 show the change of the perovskite material according to the introduction of the dopant according to embodiments of the present invention. Based on CsSnI 3 1g, perovskite and dopant molar ratios were tested by adding dopants to CsSnI 3 : BiI 3 = 1: 0.01, 0.02, 0.03. Figure 1 shows the change of the X-ray diffraction pattern according to the introduction of the dopant Bi, Figure 2 shows the change of the X-ray diffraction pattern according to the introduction of the dopant Sb.

도 1 및 도 2를 참조하면, 도펀트가 도입됨에 따라 황색 상이 사라지고 3%가 되었을 때 순수한 흑색 상을 갖는다. 두 가지 도펀트(BiX3, SbX3)에서 모두 동일한 효과가 나타난다. Bi가 도핑 되었을 때 흑색 상이 황색 상에 비해 더 낮은 생성열을 갖는다.1 and 2, the yellow phase disappears as the dopant is introduced and has a pure black phase at 3%. Both dopants (BiX 3 , SbX 3 ) have the same effect. When Bi is doped, the black phase has lower heat of production than the yellow phase.

도핑하지 않은 경우에는 공기 노출 시, 흑색 → 황색 → Cs2SnI6의 상 변화를 보이며, 황색 → Cs2SnI6의 과정은 Sn2 +가 Sn4 +로 산화되는 비가역적인 반응으로, 2시간 안에 위의 상변화가 빠르게 일어나 3가지 상이 모두 섞이고, 12시간 뒤에는 대부분 산화되어 Cs2SnI6이 된다.When not doped, when exposed to air, the black → yellow → Cs 2 SnI 6 phase changes, and the yellow → Cs 2 SnI 6 process is an irreversible reaction in which Sn 2 + is oxidized to Sn 4 + , within 2 hours. The above phase change occurs rapidly and all three phases are mixed, and after 12 hours, most of them are oxidized to become Cs 2 SnI 6 .

도 3은 노출 시간에 따른 페로브스카이트 재료의 X-ray 회절 패턴을 나타낸다. 3 shows the X-ray diffraction pattern of the perovskite material according to the exposure time.

도 3을 참조하면, 왼쪽부터 차례로 CsSnI3, CsSnI3+BiI3 3%, CsSnI3+SbI3 3%를 나타내고, BiI3를 도핑한 경우 40시간까지 흑색 상이 존재하고, SbI3의 경우 일주일이 경과한 후에도 흑색 상이 남아 있다.Referring to FIG. 3, CsSnI 3 , CsSnI 3 + BiI 3 3%, and CsSnI 3 + SbI 3 3% sequentially from the left, and when BiI 3 is doped, black phases exist for up to 40 hours, and a week for SbI 3 A black phase remains even after it has passed.

BiX3를 도핑한 경우는 2시간 경과 후에도 순수한 흑색 상을 유지하고, 12시간 뒤에는 약간의 Cs2SnI6의 피크(peak)가 보이지만 여전히 흑색 상을 대부분 유지한다.When BiX 3 is doped, the pure black phase is maintained even after 2 hours have elapsed, and a peak of Cs 2 SnI 6 is slightly observed after 12 hours, but most of the black phase is still maintained.

SbX3의 경우는 12시간이 지나도 순수한 흑색 상을 유지하고, 일주일 후에도 산화된 형태인 Cs2SnI6와 함께 흑색 상이 존재한다.In the case of SbX 3 , a pure black phase is maintained even after 12 hours, and a black phase is present together with the oxidized form Cs 2 SnI 6 even after a week.

도펀트를 통해 열역학적으로 흑색 상이 더 안정해지기 때문에 공기 노출에도 황색 상이 나타나지 않으며, Cs2SnI6가 되는 산화반응이 늦어지게 된다.Since the black phase becomes more stable thermodynamically through the dopant, the yellow phase does not appear even in air exposure, and the oxidation reaction of Cs 2 SnI 6 is delayed.

도 4는 흑색(B-γ) 상 및 황색(Y) 상의 형성에너지를 나타내고, 도 5 내지 도 7은 공기에 대한 다양한 노출 시간에 따른 페로브스카이트 재료의 분말 XRD 패턴을 나타낸다. 도 5는 도펀트가 도입되지 않은 페로브스카이트 재료를 나타내고, 도 6은 Bi가 도핑된 페로브스카이트 재료를 나타내며, 도 7은 Sb가 도핑된 페로브스카이트 재료를 나타낸다.4 shows the formation energy of the black (B-γ) phase and the yellow (Y) phase, and FIGS. 5 to 7 show the powder XRD pattern of the perovskite material according to various exposure times to air. FIG. 5 shows the perovskite material with no dopant introduced, FIG. 6 shows the perovskite material doped with Bi, and FIG. 7 shows the perovskite material doped with Sb.

도 4 내지 도 7을 참조하면, 분말 X선 회절(Powder XRD) 패턴에 따르면, 황색(Y) 상 피크는 도펀트 농도가 증가함에 따라 감소하고 CsSnI3은 최종적으로 CsI:SnI2:BiI3 또는 SbI3=1:1:0.03의 비를 갖는 순수한 흑색(B-γ) 상을 나타낸다. 열역학 안정성의 관점에서, 도핑시 안정한 황색(Y) 상이 사라지는 것은 Bi와 Sb가 두 상 모두의 형성 에너지에 영향을 준다는 것을 의미한다.4 to 7, according to the powder X-ray diffraction (Powder XRD) pattern, the yellow (Y) phase peak decreases as the dopant concentration increases and CsSnI 3 finally CsI: SnI 2 : BiI 3 or SbI It represents a pure black (B-γ) phase with a ratio of 3 = 1: 1: 0.03. From the viewpoint of thermodynamic stability, the disappearance of the stable yellow (Y) phase upon doping means that Bi and Sb affect the formation energy of both phases.

도핑시 열역학적 안정성을 평가하기 위한 두 상의 형성 에너지를 계산하면, 순수한 CsSnI3의 경우, 황색(Y) 상(-4.7229eV/f.u.)의 형성 에너지는 흑색(B-γ) 상(-4.7134eV/f.u.)의 형성 에너지보다 낮다. 그러나, Bi와 Sb의 혼입 후에, 흑색(B-γ) 상의 형성 에너지는 황색(Y) 상의 것보다 낮고, Sb는 Bi보다 2상 형성 에너지 사이에서 더 큰 차이를 유도한다. 이는 흑색(B-γ) 상은 도핑시 황색(Y) 상보다 열역학적으로 안정하고 Sb는 Bi보다 우수한 안정성 효과를 나타냄을 의미한다.When the formation energy of the two phases for evaluating thermodynamic stability during doping is calculated, in the case of pure CsSnI 3 , the formation energy of the yellow (Y) phase (-4.7229eV / fu) is the black (B-γ) phase (-4.7134eV / fu) is lower than the formation energy. However, after the incorporation of Bi and Sb, the formation energy of the black (B-γ) phase is lower than that of the yellow (Y) phase, and Sb leads to a larger difference between the two phase formation energy than Bi. This means that the black (B-γ) phase is more thermodynamically stable than the yellow (Y) phase when doped, and Sb exhibits a better stability effect than Bi.

도핑된 흑색(B-γ) 상은 외부 섭동 하에서도 황색(Y) 상으로의 변화없이 구조를 유지할 수 있고, Bi와 Sb 도핑이 상전이를 차단할 수 있다.The doped black (B-γ) phase can maintain the structure without change to the yellow (Y) phase even under external perturbation, and Bi and Sb doping can block phase transition.

순수한 흑색(B-γ) 상(황색(Y) 상 없이) 합성 후 상전이가 일어나서 공기에 노출된 후 2시간 이내에 흑색(B-γ), 황색(Y) 및 Cs2SnI6 상이 공존한다. 순수한 흑색(B-γ) 상은 12시간 내에 페로브스카이트 구조를 완전히 잃는다. 그러나, Bi 및 Sb가 도핑된 흑색(B-γ) 상은 황색(Y) 상으로의 빠른 상전이를 겪지 않으며, Sn2 +의 산화는 순수한 샘플보다는 상당히 낮은 속도로 일어난다.After synthesis of a pure black (B-γ) phase (without a yellow (Y) phase), a phase transition occurs and black (B-γ), yellow (Y) and Cs 2 SnI 6 phases coexist within 2 hours after exposure to air. The pure black (B-γ) phase completely loses the perovskite structure within 12 hours. However, the Sb-doped Bi and black (B-γ) phase does not undergo a phase change of the fast onto the yellow (Y), oxidation of Sn + 2 takes place at a substantially lower rate than the pure sample.

순수한 흑색(B-γ) 상은 공기에 노출된 후 즉시 황색(Y) 상으로 전이된다. 그 후, 주석 원소의 본질적 특성으로 인해 황색(Y) 상의 비가역적 산화가 진행되어 Sn4+ 양이온을 함유한 Cs2SnI6이 형성된다.The pure black (B-γ) phase immediately transitions to the yellow (Y) phase after exposure to air. Thereafter, due to the intrinsic properties of the tin element, irreversible oxidation of the yellow (Y) phase proceeds to form Cs 2 SnI 6 containing Sn 4+ cations.

산화 형태 Cs2SnI6의 피크는 각각 공기에 노출된 후 약 12시간과 18시간 후에 분말 XRD에 나타나기 시작한다. Bi 도핑된 흑색(B-γ) 상은 64시간 내에 완전히 분해되지만, Sb 도핑된 흑색(B-γ) 상은 공기 중 일주일 후에도 여전히 존재한다. 따라서 Bi와 Sb도핑은 형성 에너지를 변화시켜 상전이 경로를 차단하고 공기 하에서 페로브스카이트 구조의 구조 안정성을 현저히 향상시킨다. The peaks of the oxidized form Cs 2 SnI 6 start appearing in the powder XRD about 12 hours and 18 hours after exposure to air, respectively. The Bi doped black (B-γ) phase decomposes completely within 64 hours, but the Sb doped black (B-γ) phase is still present after a week in air. Therefore, Bi and Sb doping changes the formation energy to block the phase transition path and significantly improves the structural stability of the perovskite structure under air.

도 8은 페로브스카이트 재료의 흡수 스펙트럼을 나타내고, 도 9는 페로브스카이트 재료의 밴드갭을 나타내고, 도 10은 Bi가 도핑된 흑색 상 페로브스카이트의 밴드 구조를 나타내며, 도 11은 Sb가 도핑된 흑색 상 페로브스카이트의 밴드 구조를 나타낸다.FIG. 8 shows the absorption spectrum of the perovskite material, FIG. 9 shows the bandgap of the perovskite material, FIG. 10 shows the band structure of the black phase perovskite doped with Bi, and FIG. 11 Sb-doped black phase perovskite band structure.

도 8 내지 도 11을 참조하면, 건조한 공기(H2O 없음)에서는 순수한 CsSnI3과 도핑된 CsSnI3의 상전이가 훨씬 느려진다. 특히, Bi 및 Sb가 도핑된 샘플은 건조한 공기에 노출된 후 24시간 동안 Cs2SnI6으로 전환되지 않는다. 이 결과는 공기 중의 H2O가 주로 할라이드 페로브스카이트의 분해를 유발한다는 것을 나타낸다. 할라이드 페로브스카이트는 이온성 염이기 때문에 H2O에 저항하기 어렵다. 그러므로, H2O 보호 기능을 가진 도핑된 CsSnI3은 페로브스카이트 구조를 훨씬 안정하게 할 수 있다.8 to 11, in dry air (without H 2 O), the phase transition of pure CsSnI 3 and doped CsSnI 3 is much slower. In particular, samples doped with Bi and Sb do not convert to Cs 2 SnI 6 for 24 hours after exposure to dry air. These results indicate that H 2 O in the air mainly causes decomposition of halide perovskite. Since halide perovskite is an ionic salt, it is difficult to resist H 2 O. Therefore, doped CsSnI 3 with H 2 O protection can make the perovskite structure much more stable.

Bi와 Sb 도핑이 Pb 계열의 물질과는 달리 Sn계 페로브스카이트 화합물의 흡수 에지에서 급격한 시프트를 유도한다. Bi와 Sb가 도핑된 CsSnI3의 흡수 에지는 각각 1.3eV에서 0.8eV와 1.1eV로 급격하게 변화하며, 이 밴드 갭 변화는 이론적인 전자 밴드 구조에서 관찰될 수있다.Bi and Sb doping induces a sharp shift at the absorption edge of the Sn-based perovskite compound, unlike Pb-based materials. The absorption edge of CsSnI 3 doped with Bi and Sb rapidly changes from 1.3 eV to 0.8 eV and 1.1 eV, respectively, and this band gap change can be observed in a theoretical electron band structure.

도면에 도시되지 않았지만, CsSnBr3 및 MASnBr3과 같은 다양한 Sn계 할라이드 페로브스카이트 재료의 도핑에 대한 흡수 스펙트럼을 조사하면, CsSnBr3 및 MASnBr3에 대한 도펀트는 브롬화물(SbBr3 또는 BiBr3)의 형태로 첨가되고, 이들의 흡수 에지는 도핑에 의해 급격하게 변화한다. 반면, Pb계 할라이드 페로브스카이트 재료의 경우, Bi 및 Sb 도핑은 Sn계 화합물에 비해 흡수 에지에서의 극적인 변화를 유도하지 않는다. 전형적인 Pb계 할라이드 페로브스카이트 CsPbBr3의 흡수 에지는 Bi 도핑시 2.25eV에서 2.0eV로 약간 감소하지만 Sb 도핑시 변하지 않는다. Although not shown in the figure, CsSnBr 3 and MASnBr 3 and various Sn-based halide page lobe irradiated with the absorption spectrum of the doping of the Sky host material, CsSnBr 3 and a dopant for MASnBr 3 is bromide (SbBr 3 or BiBr 3), such as In the form of, and their absorbing edges change rapidly by doping. On the other hand, in the case of Pb-based halide perovskite materials, Bi and Sb doping does not induce a dramatic change in the absorption edge compared to Sn-based compounds. The absorption edge of a typical Pb-based halide perovskite CsPbBr 3 decreases slightly from 2.25 eV to 2.0 eV during Bi doping, but does not change during Sb doping.

도 12 내지 도 15는 공기에 대한 다양한 노출 시간에 따른 페로브스카이트 재료의 실온 PL 스펙트럼을 나타낸다. 도 12는 도펀트가 도입되지 않은 페로브스카이트 재료를 나타내고, 도 13은 Bi가 도핑된 페로브스카이트를 나타내며, 도 14는 Sb가 도핑된 페로브스카이트를 나타낸다.12-15 show room temperature PL spectra of perovskite materials with various exposure times to air. FIG. 12 shows a perovskite material with no dopant introduced, FIG. 13 shows a perovskite doped with Bi, and FIG. 14 shows a perovskite doped with Sb.

도 12 내지 도 15를 참조하면, 포토루미네선스(PL) 특성에서, Bi 및 Sb 도핑은 PL 피크 위치에 큰 영향을 미치지 않고 PL 강도를 급강시킨다. 사방정계 흑색 CsSnI3은 실온에서 강한 근적외선 방출(λmax=950nm)을 나타내며, 청색으로 시프트된 PL(λmax=935nm)이 관찰된다. Bi 및 Sb 도핑시 실온에서의 방출은 거의 무시할 만하지만 저온(100K)에서는 두 도핑된 샘플 모두 950nm에서 방출을 나타낸다.12 to 15, in photoluminescence (PL) characteristics, Bi and Sb doping sharply increases PL intensity without significantly affecting the PL peak position. The tetragonal black CsSnI 3 shows strong near infrared emission (λ max = 950 nm) at room temperature, and blue shifted PL (λ max = 935 nm) is observed. The emission at room temperature upon Bi and Sb doping is almost negligible, but at low temperature (100K) both doped samples exhibit emission at 950 nm.

Bi 및 Sb 도펀트가 PL을 급강시키더라도, 매우 낮은 농도의 Bi 및 Sb를 갖는 CsSnI3은 초기 PL 강도를 도핑되지 않은 샘플보다 훨씬 길게 유지한다. 공기 노출시 도핑된 CsSnI3 및 순수한 CsSnI3의 PL 저하를 모니터링하면, 순수한 CsSnI3으로 기록된 누적 PL 강도는 약 30분 후에 초기 값의 절반으로 상당히 감소한다.Although Bi and Sb dopants stiffen PL, CsSnI 3 with very low concentrations of Bi and Sb keeps the initial PL strength much longer than the undoped samples. Monitoring the PL degradation of doped CsSnI 3 and pure CsSnI 3 upon exposure to air, the cumulative PL intensity recorded as pure CsSnI 3 decreases significantly to half of the initial value after about 30 minutes.

반면에, Bi 도핑된 샘플의 초기 PL의 절반을 감소시키는데 약 2시간이 걸리며, Sb 도핑된 샘플의 PL 강도는 측정 기간 동안 공기 하에서 거의 일정하게 유지된다. 따라서, Sn계 할라이드 페로브스카이트의 도펀트 Bi 및 Sb는 페로브스카이트 상뿐만 아니라 PL 특성의 공기 안정성을 향상시킨다.On the other hand, it takes about 2 hours to reduce half of the initial PL of the Bi-doped sample, and the PL intensity of the Sb-doped sample remains almost constant under air for the measurement period. Therefore, the dopants Bi and Sb of the Sn-based halide perovskite improve the air stability of the PL characteristics as well as the perovskite phase.

이제까지 본 발명에 대한 구체적인 실시예들을 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.So far, specific embodiments of the present invention have been described. Those skilled in the art to which the present invention pertains will appreciate that the present invention may be implemented in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in terms of explanation, not limitation. The scope of the present invention is shown in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the equivalent range should be interpreted as being included in the present invention.

Claims (6)

페로브스카이트 상과 함께 비 페로브스카이트 상을 형성하는 할라이드 페로브스카이트 화합물; 및
상기 할라이드 페로브스카이트 화합물에 도입되고, 화합물 SbX3 및 BiX3 중에서 하나 또는 둘 이상을 포함하는 도펀트를 포함하고,
상기 화학식 SbX3 및 BiX3에서 X는 F, Cl, Br, 및 I 중에서 적어도 하나 또는 둘 이상을 포함하며,
상기 도펀트에 의해 상기 페로브스카이트 재료의 비 페로브스카이트 상 형성이 억제되는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 재료.
Halide perovskite compounds which form a non-perovskite phase together with the perovskite phase; And
Introduced in the halide perovskite compound, and comprises a dopant comprising one or more of the compounds SbX 3 and BiX 3 ,
In the formulas SbX 3 and BiX 3 , X includes at least one or more of F, Cl, Br, and I,
Perovskite material characterized in that the formation of the non-perovskite phase of the perovskite material is suppressed by the dopant.
삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 도펀트에 의해 상기 페로브스카이트 재료가 페로브스카이트 구조를 유지하는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 재료.
According to claim 1,
The perovskite material, characterized in that the perovskite material by the dopant maintains a perovskite structure.
CsX, SnX2, 및 도펀트를 혼합하여 가열하는 단계를 포함하고,
상기 도펀트는, 화합물 SbX3 및 BiX3 중에서 하나 또는 둘 이상을 포함하고,
상기 화학식 CsX, SnX2, SbX3, 및 BiX3에서 X는 F, Cl, Br, 및 I 중에서 적어도 하나 또는 둘 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 재료의 형성 방법.
CsX, SnX 2 , and mixing the dopant and heating the mixture,
The dopant includes one or more of compounds SbX 3 and BiX 3 ,
In the formula CsX, SnX 2 , SbX 3 , and BiX 3 X is F, Cl, Br, and method of forming a perovskite material comprising at least one or more of I.
제 5 항에 있어서,
CsX:SnX2:도펀트의 혼합 몰비는 1:1:0.01~0.03인 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 재료의 형성 방법.


The method of claim 5,
CsX: SnX 2 : Method of forming a perovskite material, characterized in that the mixing molar ratio of the dopant is 1: 1: 0.01 to 0.03.


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