KR102170685B1 - Stacked Perovskite structure and its use - Google Patents
Stacked Perovskite structure and its use Download PDFInfo
- Publication number
- KR102170685B1 KR102170685B1 KR1020190041581A KR20190041581A KR102170685B1 KR 102170685 B1 KR102170685 B1 KR 102170685B1 KR 1020190041581 A KR1020190041581 A KR 1020190041581A KR 20190041581 A KR20190041581 A KR 20190041581A KR 102170685 B1 KR102170685 B1 KR 102170685B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- perovskite
- formula
- perovskite structure
- aromatic heterocyclic
- compound
- Prior art date
Links
- 125000006615 aromatic heterocyclic group Chemical group 0.000 claims description 20
- -1 organic cation compound Chemical class 0.000 claims description 20
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 17
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 12
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims description 11
- 125000004103 aminoalkyl group Chemical group 0.000 claims description 10
- 229910052740 iodine Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 8
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 125000002091 cationic group Chemical group 0.000 claims description 5
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 5
- BAVYZALUXZFZLV-UHFFFAOYSA-O Methylammonium ion Chemical compound [NH3+]C BAVYZALUXZFZLV-UHFFFAOYSA-O 0.000 claims description 4
- 125000005842 heteroatom Chemical group 0.000 claims description 4
- 125000004433 nitrogen atom Chemical group N* 0.000 claims description 4
- 238000005984 hydrogenation reaction Methods 0.000 claims description 3
- NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N (2s)-2-[[4-[2-(2,4-diaminoquinazolin-6-yl)ethyl]benzoyl]amino]-4-methylidenepentanedioic acid Chemical compound C1=CC2=NC(N)=NC(N)=C2C=C1CCC1=CC=C(C(=O)N[C@@H](CC(=C)C(O)=O)C(O)=O)C=C1 NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N 0.000 claims description 2
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 125000006273 (C1-C3) alkyl group Chemical group 0.000 claims 1
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 claims 1
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 claims 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 55
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 22
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 19
- 230000009102 absorption Effects 0.000 description 11
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 11
- 239000010408 film Substances 0.000 description 11
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 10
- NTYJJOPFIAHURM-UHFFFAOYSA-N Histamine Chemical group NCCC1=CN=CN1 NTYJJOPFIAHURM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 9
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 9
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N Dimethylsulphoxide Chemical compound CS(C)=O IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylformamide Chemical compound CN(C)C=O ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 150000002892 organic cations Chemical class 0.000 description 7
- XDXWNHPWWKGTKO-UHFFFAOYSA-N 207739-72-8 Chemical compound C1=CC(OC)=CC=C1N(C=1C=C2C3(C4=CC(=CC=C4C2=CC=1)N(C=1C=CC(OC)=CC=1)C=1C=CC(OC)=CC=1)C1=CC(=CC=C1C1=CC=C(C=C13)N(C=1C=CC(OC)=CC=1)C=1C=CC(OC)=CC=1)N(C=1C=CC(OC)=CC=1)C=1C=CC(OC)=CC=1)C1=CC=C(OC)C=C1 XDXWNHPWWKGTKO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- MVPPADPHJFYWMZ-UHFFFAOYSA-N chlorobenzene Chemical compound ClC1=CC=CC=C1 MVPPADPHJFYWMZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- HTUMBQDCCIXGCV-UHFFFAOYSA-N lead oxide Chemical compound [O-2].[Pb+2] HTUMBQDCCIXGCV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 6
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 6
- VXUYXOFXAQZZMF-UHFFFAOYSA-N titanium(IV) isopropoxide Chemical compound CC(C)O[Ti](OC(C)C)(OC(C)C)OC(C)C VXUYXOFXAQZZMF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000004402 ultra-violet photoelectron spectroscopy Methods 0.000 description 6
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N Diethyl ether Chemical compound CCOCC RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 4
- 238000002173 high-resolution transmission electron microscopy Methods 0.000 description 4
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 4
- 125000000217 alkyl group Chemical group 0.000 description 3
- 150000008064 anhydrides Chemical class 0.000 description 3
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 3
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 3
- 229960001340 histamine Drugs 0.000 description 3
- 229960004931 histamine dihydrochloride Drugs 0.000 description 3
- PPZMYIBUHIPZOS-UHFFFAOYSA-N histamine dihydrochloride Chemical compound Cl.Cl.NCCC1=CN=CN1 PPZMYIBUHIPZOS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 238000000103 photoluminescence spectrum Methods 0.000 description 3
- 238000000634 powder X-ray diffraction Methods 0.000 description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 3
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-O Ammonium Chemical compound [NH4+] QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-O 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- BAVYZALUXZFZLV-UHFFFAOYSA-N Methylamine Chemical compound NC BAVYZALUXZFZLV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- NQRYJNQNLNOLGT-UHFFFAOYSA-O Piperidinium(1+) Chemical compound C1CC[NH2+]CC1 NQRYJNQNLNOLGT-UHFFFAOYSA-O 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 2
- 150000001412 amines Chemical class 0.000 description 2
- 238000000089 atomic force micrograph Methods 0.000 description 2
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 2
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 description 2
- 238000010351 charge transfer process Methods 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 238000013480 data collection Methods 0.000 description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 2
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004770 highest occupied molecular orbital Methods 0.000 description 2
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 2
- 125000002883 imidazolyl group Chemical group 0.000 description 2
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011147 inorganic material Substances 0.000 description 2
- 239000011630 iodine Substances 0.000 description 2
- 238000003475 lamination Methods 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 2
- ACVYVLVWPXVTIT-UHFFFAOYSA-N phosphinic acid Chemical compound O[PH2]=O ACVYVLVWPXVTIT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005424 photoluminescence Methods 0.000 description 2
- 230000002285 radioactive effect Effects 0.000 description 2
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 2
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RAXXELZNTBOGNW-UHFFFAOYSA-N 1H-imidazole Chemical group C1=CNC=N1 RAXXELZNTBOGNW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- YSHMQTRICHYLGF-UHFFFAOYSA-N 4-tert-butylpyridine Chemical compound CC(C)(C)C1=CC=NC=C1 YSHMQTRICHYLGF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 7553-56-2 Chemical group [I] ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000167854 Bourreria succulenta Species 0.000 description 1
- 102100029137 L-xylulose reductase Human genes 0.000 description 1
- 108010080643 L-xylulose reductase Proteins 0.000 description 1
- 229920000144 PEDOT:PSS Polymers 0.000 description 1
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000003917 TEM image Methods 0.000 description 1
- SWJBITNFDYHWBU-UHFFFAOYSA-N [I].[I] Chemical compound [I].[I] SWJBITNFDYHWBU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004847 absorption spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 125000005210 alkyl ammonium group Chemical group 0.000 description 1
- 125000003277 amino group Chemical group 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008033 biological extinction Effects 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 125000001246 bromo group Chemical group Br* 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 235000019693 cherries Nutrition 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 238000002447 crystallographic data Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 1
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 1
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 230000009881 electrostatic interaction Effects 0.000 description 1
- 238000002149 energy-dispersive X-ray emission spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000002189 fluorescence spectrum Methods 0.000 description 1
- QFWPJPIVLCBXFJ-UHFFFAOYSA-N glymidine Chemical compound N1=CC(OCCOC)=CN=C1NS(=O)(=O)C1=CC=CC=C1 QFWPJPIVLCBXFJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical group [H]* 0.000 description 1
- XMBWDFGMSWQBCA-UHFFFAOYSA-N hydrogen iodide Chemical compound I XMBWDFGMSWQBCA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 1
- XMBWDFGMSWQBCA-UHFFFAOYSA-M iodide Chemical group [I-] XMBWDFGMSWQBCA-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 229910000464 lead oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 1
- 229910003473 lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide Inorganic materials 0.000 description 1
- QSZMZKBZAYQGRS-UHFFFAOYSA-N lithium;bis(trifluoromethylsulfonyl)azanide Chemical compound [Li+].FC(F)(F)S(=O)(=O)[N-]S(=O)(=O)C(F)(F)F QSZMZKBZAYQGRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 description 1
- NQMRYBIKMRVZLB-UHFFFAOYSA-N methylamine hydrochloride Chemical compound [Cl-].[NH3+]C NQMRYBIKMRVZLB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000006386 neutralization reaction Methods 0.000 description 1
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 1
- 239000011368 organic material Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 238000000628 photoluminescence spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 229920001467 poly(styrenesulfonates) Polymers 0.000 description 1
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 1
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 1
- 238000001144 powder X-ray diffraction data Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 230000000644 propagated effect Effects 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 239000012925 reference material Substances 0.000 description 1
- 238000000985 reflectance spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000002390 rotary evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000011218 segmentation Effects 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 238000004467 single crystal X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- 238000000373 single-crystal X-ray diffraction data Methods 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 238000000967 suction filtration Methods 0.000 description 1
- 230000005469 synchrotron radiation Effects 0.000 description 1
- 238000002207 thermal evaporation Methods 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- DHCDFWKWKRSZHF-UHFFFAOYSA-L thiosulfate(2-) Chemical compound [O-]S([S-])(=O)=O DHCDFWKWKRSZHF-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 238000001392 ultraviolet--visible--near infrared spectroscopy Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
- H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
- H01B1/06—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of other non-metallic substances
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01G—COMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
- C01G21/00—Compounds of lead
- C01G21/16—Halides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C07—ORGANIC CHEMISTRY
- C07F—ACYCLIC, CARBOCYCLIC OR HETEROCYCLIC COMPOUNDS CONTAINING ELEMENTS OTHER THAN CARBON, HYDROGEN, HALOGEN, OXYGEN, NITROGEN, SULFUR, SELENIUM OR TELLURIUM
- C07F7/00—Compounds containing elements of Groups 4 or 14 of the Periodic System
- C07F7/24—Lead compounds
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
- H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
- H01B1/06—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of other non-metallic substances
- H01B1/12—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of other non-metallic substances organic substances
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
- H01B5/00—Non-insulated conductors or conductive bodies characterised by their form
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
- H01L31/0264—Inorganic materials
- H01L31/0312—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIVBIV compounds, e.g. SiC
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
- C01P2002/00—Crystal-structural characteristics
- C01P2002/30—Three-dimensional structures
- C01P2002/34—Three-dimensional structures perovskite-type (ABO3)
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
- C01P2006/00—Physical properties of inorganic compounds
- C01P2006/40—Electric properties
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
- H01L2031/0344—Organic materials
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
Abstract
본 발명의 페로브스카이트 구조체는 안정적이고, 우수한 전도성을 갖고 있어, 이의 태양 전지용 광 소자 용도 등에 있어서 우수한 성능을 발휘할 수 있다.The perovskite structure of the present invention is stable and has excellent conductivity, and can exhibit excellent performance in the use of the photovoltaic device for solar cells.
Description
본 발명은 안정적이고, 우수한 전도성을 갖는 적층된 페로브스카이트 구조체 및 이의 용도에 관한 것이다.The present invention relates to a layered perovskite structure that is stable and has excellent conductivity and uses thereof.
페로브스카이트는 태양전지 광흡수제로 우수한 물질이나 수분 및 공기중에 매우 취약하기 때문에, 이러한 기존의 페로브스카이트의 문제점을 해결하기 위해서, 3차원 구조에 저차원 구조를 도입한 페로브스카이트가 개발되고 있다. 벌크한 양이온을 갖고 있는 저차원 구조는 3차원 구조가 쉽게 분해(degradation)되는 것을 방지하는 역할을 한다.Perovskite is an excellent material as a solar cell light absorber, but it is very vulnerable to moisture and air. To solve the problems of the existing perovskite, perovskite that introduces a low-dimensional structure to a three-dimensional structure Is being developed. The low-dimensional structure with bulk cations serves to prevent the three-dimensional structure from being easily degraded.
그러나, 일반적으로 3차구조에 2차구조의 도입된 층상 2D 구조는 대표적으로 Ruddlesden-Popper(RP)와 Dion-Jacobson(DJ)구조로 설명할 수가 있는데 DJ처럼 컴팩트한 구조보다 대부분이 RP구조를 형성해서 페로브스카이트의 단위 셀 간에 어긋나 있는 구조로 수직 적층 구조를 형성하기가 어렵다. 따라서, 측면(lateral) 방향으로 결정이 생성되기 때문에 광전소자에서 캐리어의 collection이 미흡한 면이 있다.However, in general, the layered 2D structure introduced with the secondary structure in the tertiary structure can be typically described as Ruddlesden-Popper (RP) and Dion-Jacobson (DJ) structures. It is difficult to form a vertical stacked structure with a structure in which the unit cells of perovskite are shifted. Therefore, because the crystal is generated in the lateral direction, there is a side in which the collection of carriers is insufficient in the photoelectric device.
본 발명은 안정적이고, 우수한 전도성을 갖는 적층된 페로브스카이트 구조체 및 이의 용도를 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a laminated perovskite structure having a stable and excellent conductivity and a use thereof.
1. 하기 화학식 1의 단위구조를 포함하며, 서로 이격된 2개의 2차 또는 3차 페로브스카이트 층; 및 1. Two secondary or tertiary perovskite layers comprising the unit structure of Formula 1 and spaced apart from each other; And
적어도 1개의 아미노알킬기로 치환된 방향족 헤테로 고리화합물의 2가 유기양이온(organic dication) 화합물을 포함하는, 화학식 2로 표시되는 적층된 페로브스카이트 구조체로서,As a laminated perovskite structure represented by
2개의 양이온기는 상기 질소원자와 헤테로원자가 수소화(hydrogenation)된 것으로서 각각 서로 다른 층의 X-와 수소 상호작용을 형성하는 것인 구조체:Two cationic groups are the nitrogen atom and the hetero atom hydrogenated (hydrogenation), each forming a hydrogen interaction with X - of different layers structure:
[화학식 1][Formula 1]
[PbX6]2- [PbX 6 ] 2-
(식 중, X는 Cl, Br 및 I로 이루어진 군에서 선택된 하나)(Wherein, X is one selected from the group consisting of Cl, Br and I)
[화학식 2][Formula 2]
(C)2(A)n-1PbnX3n+1 (C) 2 (A) n-1 Pb n X 3n+1
(식 중, C는 상기 2가 유기양이온 화합물, A는 메틸암모늄(methylammonium) 또는 포름암모늄(HC(NH2)2 +), X는 Cl, Br 및 I로 이루어진 군에서 선택된 하나, n은 6 이상의 정수).(Wherein, C is the divalent organic cation compound, A is methylammonium or formammonium (HC(NH 2 ) 2 + ), X is one selected from the group consisting of Cl, Br and I, and n is 6 An integer greater than or equal to).
2. 위 1에 있어서, 상기 아미노알킬기는 C1-3 알킬을 포함하는 구조체.2. The structure of 1 above, wherein the aminoalkyl group includes C 1-3 alkyl.
3. 위 1에 있어서, 상기 방향족 헤테로 고리화합물은 4 내지 7원자 고리 화합물인 구조체.3. The structure of the above 1, wherein the aromatic heterocyclic compound is a 4 to 7 membered ring compound.
4. 위 1에 있어서, 상기 방향족 헤테로 고리화합물은 하기 화학식 3 내지 10으로 표시되는 화합물들로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나인 구조체:4. The structure of the above 1, wherein the aromatic heterocyclic compound is at least one selected from the group consisting of compounds represented by the following
[화학식 3][Formula 3]
[화학식 4][Formula 4]
[화학식 5][Formula 5]
[화학식 6][Formula 6]
[화학식 7][Formula 7]
[화학식 8][Formula 8]
[화학식 9][Formula 9]
[화학식 10][Formula 10]
. .
5. 위 1에 있어서, 상기 방향족 헤테로 고리화합물은 하기 화학식 10으로 표시되는 것인 구조체:5. The structure of the above 1, wherein the aromatic heterocyclic compound is represented by the following formula (10):
[화학식 10][Formula 10]
. .
6. 위 5에 있어서, 상기 방향족 헤테로 고리화합물의 2가 유기양이온(organic dication) 화합물은 하기 화학식 11로 표시되는 것인 구조체:6. The structure of the above 5, wherein the divalent organic cation compound of the aromatic heterocyclic compound is represented by the following formula (11):
[화학식 11][Formula 11]
. .
7. 위 1에 있어서, 상기 방향족 헤테로 고리화합물의 2가 유기양이온(organic dication) 화합물은 2개의 페로브스카이트 층간 이격에 위치하는 것인 구조체.7. The structure of the above 1, wherein the divalent organic cation compound of the aromatic heterocyclic compound is located at a distance between the two perovskite layers.
8. 위 1에 있어서, 상기 화학식 1 및 2의 X는 I인 구조체.8. The structure according to the above 1, wherein X in
9. 위 1에 있어서, 상기 화학식 2의 A는 포름암모늄(HC(NH2)2)+ 인 구조체.9. In the above 1, A in
10. 위 1 내지 9 중 어느 하나의 구조체를 단위로, 페로브스카이트 층에 대하여 수직으로 복수개 적층된 페로브스카이트 구조체.10. A perovskite structure stacked vertically with respect to the perovskite layer in a unit of any one of the
11. 위 1 내지 9 중 어느 하나의 구조체를 포함하는 태양 전지용 광소자.11. A photovoltaic device for a solar cell comprising any one of the
본 발명의 페로브스카이트 구조체는 안정적이고, 우수한 전도성을 갖고 있어, 이의 태양 전지용 광 소자 용도 등에 있어서 우수한 성능을 발휘할 수 있다.The perovskite structure of the present invention is stable and has excellent conductivity, and can exhibit excellent performance in the use of the photovoltaic device for solar cells.
도 1: (a) HAPbI4의 결정구조, (b) 무기 [PbI6]2- 층의 양성자화된 아민과 인접한 4개의 요오드 이온 사이에 형성된 히스타민 단위당 4개의 수소결합, (c) d-FAPbI3의 1D 결정 구조 및 (d) 2D 층상 (HA)2(FA)Pb2I7 페로브스카이트 결정구조.
도 2: (a) HAPbI4의 결정구조, (b) 2D 층상 (HA)2(FA)Pb2I7 페로브스카이트 결정구조, (c) 2D HAPbI4의 페로브스카이트 결정의 HR-TEM 이미지, (d) 2D 층상 (HA)2(FA)Pb2I7 페로브스카이트 결정의 HR-TEM 이미지.
도 3: (a) HAPbI4 판상 구조 SEM 이미지, (b) 수직으로 적층된 2D (HA)2(MA)n-1PbnI3n+1 페로브스카이트 SEM 이미지, (c) (b)의 노란 사각형 부분에 대한 확대 SEM 이미지, (d) 2D (HA)2(FA)n-1PbnI3n+1 페로브스카이트의 고배율 SEM 이미지, (e) (d)의 원소지도.
도 4: 2D (HA)2(A)n-1PbnI3n+1 (A = MA 또는 FA), HAPbI4, MAPbI3 및 a-FAPbI3 페로브스카이트의 밴드갭을 결정하는데 사용되는 UV 가시 확산 반사 스펙트럼.
도 5: 2D (HA)2(A)n-1PbnI3n+1 (A = MA 또는 FA), HAPbI4, MAPbI3 및 a-FAPbI3 페로브스카이트의 분말 X선 회절.
도 6: 2D (HA)2(A)n-1PbnI3n+1 (A = MA 또는 FA), HAPbI4, MAPbI3 및 a-FAPbI3 페로브스카이트의 순간적 광발광.
도 7: (a) FTO 기판상의 2D (HA)2(A)n-1PbnI3n+1 (A = MA 또는 FA) 시리즈, (HA)PbI4, MAPbI3, 및 a-FAPbI3 페로브스카이트의 UPS 스펙트럼, (b) 광발광 스펙트럼의 컷오프 엣지 영역, (c) 점유 영역(occupied state) 상부의 UPS 스펙트럼, (d) FTO / TiO2 / 페로브스카이트 / spiro-MeOTAD / Au 헤테로 접합 태양 전지 구성을 위한 2D 페로브스카이트의 에너지 준위.
도 8: FTO/TiO2 차단층/TiO2 메조포러스층 상의 (a) (HA)PbI4, (b) (HA)2(MA)n-1PbnI3n+1 및 (c) (HA)2(FA)n-1PbnI3n+1 페로브스카이트 필름의 SEM 이미지, SEM 이미지의 표면에서 측정된 (d) (HA)PbI4, (e) (HA)2(MA)n-1PbnI3n+1 및 (f) (HA)2(FA)n-1PbnI3n+1 페로브스카이트 필름의 AFM 이미지.
도 9: 시뮬레이션된 AM(공기질량) 1.5G(글로벌) 조명(100 mW/cm-2) 하에서 (a) 순수한 2D 및 (b) 혼합 페로브스카이트로 제조된 페로브스카이트 태양 전지의 광전지 성능(정방향 스캔에서 얻은 J-V 곡선).
도 10: 2D (HA)2(A)n-1PbnI3n+1 (A = MA 또는 FA), HAPbI4, MAPbI3 및 a-FAPbI3 페로브스카이트의 정상상태 광발광 스펙트럼.Figure 1: (a) Crystal structure of HAPbI 4 , (b) Inorganic [PbI 6 ] 4 hydrogen bonds per histamine unit formed between the two - layer protonated amine and adjacent 4 iodine ions, (c) d-FAPbI 3 1D crystal structure and (d) 2D layered (HA) 2 (FA)Pb 2 I 7 perovskite crystal structure.
Figure 2: (a) Crystal structure of HAPbI 4 , (b) 2D layered (HA) 2 (FA)Pb 2 I 7 perovskite crystal structure, (c) HR- of perovskite crystal of 2D HAPbI 4 TEM image, (d) HR-TEM image of 2D layered (HA) 2 (FA)Pb 2 I 7 perovskite crystal.
Figure 3: (a) HAPbI 4 plate-shaped SEM image, (b) vertically stacked 2D (HA) 2 (MA) n-1 Pb n I 3n+1 perovskite SEM image, (c) (b) Magnified SEM image of the yellow square portion of, (d) 2D (HA) 2 (FA) n-1 Pb n I 3n+1 high magnification SEM image of perovskite, (e) elemental map of (d).
Figure 4: Used to determine the band gap of 2D (HA) 2 (A) n-1 Pb n I 3n+1 (A = MA or FA), HAPbI 4 , MAPbI 3 and a-FAPbI 3 perovskites UV visible diffuse reflection spectrum.
Figure 5: Powder X-ray diffraction of 2D (HA) 2 (A) n-1 Pb n I 3n+1 (A = MA or FA), HAPbI 4 , MAPbI 3 and a-FAPbI 3 perovskite.
Figure 6: Instantaneous photoluminescence of 2D (HA) 2 (A) n-1 Pb n I 3n+1 (A = MA or FA), HAPbI 4 , MAPbI 3 and a-FAPbI 3 perovskites.
Figure 7: (a) 2D (HA) 2 (A) n-1 Pb n I 3n+1 (A = MA or FA) series, (HA)PbI 4 , MAPbI 3 , and a-FAPbI 3 pages on FTO substrate UPS spectrum of Lobskyite, (b) cut-off edge area of photoluminescence spectrum, (c) UPS spectrum above occupied state, (d) FTO / TiO 2 / perovskite / spiro-MeOTAD / Au Energy level of 2D perovskite for heterojunction solar cell construction.
Figure 8: (a) (HA)PbI 4 , (b) (HA) 2 (MA) n-1 Pb n I 3n+1 and (c) (HA) on the FTO/TiO 2 blocking layer/TiO 2 mesoporous layer ) 2 (FA) n-1 Pb n I 3n+1 SEM image of the perovskite film, measured on the surface of the SEM image (d) (HA)PbI 4 , (e) (HA) 2 (MA) n AFM images of -1 Pb n I 3n+1 and (f) (HA) 2 (FA) n-1 Pb n I 3n+1 perovskite films.
Figure 9: Photovoltaic performance of perovskite solar cells made of (a) pure 2D and (b) mixed perovskite under simulated AM (air mass) 1.5G (global) illumination (100 mW/cm -2 ) (JV curve obtained from forward scan).
Figure 10: Steady-state photoluminescence spectrum of 2D (HA) 2 (A) n-1 Pb n I 3n+1 (A = MA or FA), HAPbI 4 , MAPbI 3 and a-FAPbI 3 perovskite.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명은 2가 유기양이온(organic dication)을 2차 또는 3차 페로브스카이트에 도입하여 적층구조의 페로브스카이트 구조체를 개발한 것에 핵심이 있다. 일반적으로, 2차 페로브스카이트는 측면(lateral) 성장만이 이루어져 태양 전지 광소자로서 사용할 시 캐리어 손실(carrier loss)가 많다는 단점이 있으나, 주변 환경에 대한 안정성이 보다 우수하다는 장점이 있고, 3차 페로브스카이트는 주변 환경에 대한 안정성이 현저히 낮아 빠른 붕괴(decay)가 진행된다는 단점이 있으나, 수직(vertical) 성장이 가능하고, 캐리어 손실이 낮으며, 전도성이 높다는 장점이 있다. 따라서, 상기와 장점들을 조합하고자, 2차 또는 3차 페로브스카이트 층 간에 2가 유기양이온(organic dication)을 도입하여 수직성장시킨 3차원 구조를 개발하고자 하였고, 이는 주변 환경에 대한 안정성이 우수하고, 수직성장이 가능하며, 캐리어 손실이 낮고, 전도성이 높은 성질을 갖는 바, 이의 태양 전지 광소자로서 활용도가 높을 것으로 판단된다.The present invention is at the core of developing a multilayered perovskite structure by introducing a divalent organic cation into a secondary or tertiary perovskite. In general, secondary perovskite has only lateral growth and has a disadvantage in that it has a lot of carrier loss when used as a photovoltaic device, but it has the advantage of superior stability to the surrounding environment. Tea perovskite has the disadvantage of rapid decay due to its remarkably low stability to the surrounding environment, but has advantages such as vertical growth, low carrier loss, and high conductivity. Therefore, in order to combine the above and advantages, it was attempted to develop a three-dimensional structure vertically grown by introducing a divalent organic cation between the secondary or tertiary perovskite layers, which has excellent stability to the surrounding environment. In addition, vertical growth is possible, carrier loss is low, and conductivity is high, and it is believed that its utilization as a solar cell optical device will be high.
이에, 구체적으로, 본 발명은 하기 화학식 1의 단위구조를 포함하며, 서로 이격된 2개의 2차 또는 3차 페로브스카이트 층; 및 적어도 1개의 아미노알킬기로 치환된 방향족 헤테로 고리화합물의 2가 유기양이온(organic dication) 화합물을 포함하는, 화학식 2로 표시되는 적층된 페로브스카이트 구조체를 제공한다:Thus, specifically, the present invention includes the unit structure of the following formula (1), two secondary or tertiary perovskite layers spaced apart from each other; And it provides a laminated perovskite structure represented by the formula (2) comprising a divalent organic cation (organic dication) compound of an aromatic heterocyclic compound substituted with at least one aminoalkyl group:
[화학식 1][Formula 1]
[PbX6]2- [PbX 6 ] 2-
(식 중, X는 Cl, Br 및 I로 이루어진 군에서 선택된 하나)(Wherein, X is one selected from the group consisting of Cl, Br and I)
[화학식 2][Formula 2]
(C)2(A)n-1PbnX3n+1 (C) 2 (A) n-1 Pb n X 3n+1
(식 중, C는 상기 2가 유기양이온 화합물, A는 메틸암모늄(methylammonium) 또는 포름암모늄(HC(NH2)2 +), X는 Cl, Br 및 I로 이루어진 군에서 선택된 하나, n은 6 이상의 정수).(Wherein, C is the divalent organic cation compound, A is methylammonium or formammonium (HC(NH 2 ) 2 + ), X is one selected from the group consisting of Cl, Br and I, and n is 6 Or more integers).
상기 화학식 1 및 2에 있어서, X는 구체적으로 I일 수 있는데, 이는 상기 2가 유기양이온의 양이온기의 수소원자와 X-간 강한 수소 상호작용을 형성한다는 측면에서 Br, Cl에 비해 바람직할 수 있다.In
상기 화학식 2에 있어서, 상기 A는 구체적으로 포름암모늄(HC(NH2)2 + 일 수 있는데, 이는 상기 페로브스카이트 층의 안정적인 측면(lateral) 성장을 유지하고, 구조체 자체의 캐리어 손실(carrier loss)을 저감시킨다는 측면에서 메틸암모늄(methylammonium)에 비해 바람직할 수 있다.In
상기 아미노알킬기로 치환된 방향족 헤테로 고리화합물에 있어서, 상기 아미노알킬기의 알킬기는 탄소 1 내 10, 1 내지 9, 1 내지 8, 1 내지 7, 1 내지 6, 1 내지 5, 1 내지 4, 또는 1 내지 3 원자를 포함하는 것일 수 있으나, 양 페로브스카이트 층을 수소 상호작용으로 안정적으로 연결시킬 수 있다면 알킬기 내 탄소원자 수에 특별한 제한은 없고, 보다 바람직하게는 1 내지 3 탄소원자를 포함하여, 적절한 구조체 자체의 안정성 및 양 페로브스카이트 층간 연결성을 확보할 수 있다.In the aromatic heterocyclic compound substituted with the aminoalkyl group, the alkyl group of the aminoalkyl group is 10, 1 to 9, 1 to 8, 1 to 7, 1 to 6, 1 to 5, 1 to 4, or 1 in
상기 아미노알킬기로 치환된 방향족 헤테로 고리화합물에 있어서, 상기 방향족 헤테로 고리화합물은 3 내지 10원자, 4 내지 9원자, 4 내지 8원자, 또는 4 내지 7원자 고리 화합물일 수 있으나, 양 페로브스카이트 층을 수소 상호작용으로 안정적으로 연결시킬 수 있다면 고리의 크기에 특별한 제한은 없고, 보다 바람직하게는 4 내지 7원자 고리 화합물로서, 적절한 구조체 자체의 안정성 및 양 페로브스카이트 층간 연결성을 확보할 수 있다. In the aromatic heterocyclic compound substituted with the aminoalkyl group, the aromatic heterocyclic compound may be a 3 to 10 atom, 4 to 9 atom, 4 to 8 atom, or 4 to 7 membered ring compound, but both perovskites If the layers can be stably linked by hydrogen interaction, there is no particular limitation on the size of the ring, and more preferably as a 4 to 7 membered ring compound, the stability of the structure itself and the connectivity between both perovskite layers can be secured. have.
상기 아미노알킬기로 치환된 방향족 헤테로 고리화합물에 있어서, 2개의 양이온기는 상기 질소원자와 헤테로원자가 수소화(hydrogenation)된 것으로서 각각 서로 다른 층의 X-와 수소 상호작용을 형성하는 것일 수 있는데, 이러한 수소 상호작용은 본 발명 구조체가 페로브스카이트 층에 대하여 수직으로 성장되고, 구조체 자체의 안정성을 확보할 수 있게끔 하는 주된 요인이 된다.In the aromatic heterocyclic compound substituted with the aminoalkyl group, the two cationic groups are the nitrogen atom and the hetero atom hydrogenated, and may form hydrogen interactions with X − of different layers, respectively. The action is the main factor that enables the structure of the present invention to be grown vertically with respect to the perovskite layer, and to ensure the stability of the structure itself.
상기 아미노알킬기로 치환된 방향족 헤테로 고리화합물에 있어서, 구체적으로 하기 화학식 3 내지 10으로 표시되는 화합물들로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나일 수 있다:In the aromatic heterocyclic compound substituted with the aminoalkyl group, specifically, it may be at least one selected from the group consisting of compounds represented by the following
[화학식 3][Formula 3]
[화학식 4][Formula 4]
[화학식 5][Formula 5]
[화학식 6][Formula 6]
[화학식 7][Formula 7]
[화학식 8][Formula 8]
[화학식 9][Formula 9]
[화학식 10][Formula 10]
. .
상기 질소원자와 헤테로원자가 수소화(hydrogenation)된 것의 구체적 예시에 있어서, 상기 화학식 10로 표시되는 화합물이 수소화된 형태는 하기 화학식 11로 표시되는 형태일 수 있다:In a specific example of hydrogenation of the nitrogen atom and the hetero atom, the hydrogenated form of the compound represented by
[화학식 11][Formula 11]
. .
상기 방향족 헤테로 고리화합물의 2가 유기양이온(organic dication) 화합물에 있어서, 이는 2개의 페로브스카이트 층간 수소 상호작용으로 구조체 자체의 안정성을 증대시켜, 수직성장의 안정성 및 주변환경으로부터의 안정성을 현저히 증대시킨다는 관점에서, 2개의 페로브스카이트 층간 이격에 위치하는 것이 바람직하다.In the divalent organic dication compound of the aromatic heterocyclic compound, this increases the stability of the structure itself through hydrogen interaction between the two perovskite layers, thereby remarkably improving the stability of vertical growth and stability from the surrounding environment. From the viewpoint of increasing, it is preferable to be located at a distance between the two perovskite layers.
본 발명은 상기 구체적으로 기술한 구조체를 단위로, 페로브스카이트 층에 대하여 수직으로 복수개 적층된 페로브스카이트 구조체를 제공한다.The present invention provides a perovskite structure in which a plurality of perovskite structures are stacked vertically with respect to a perovskite layer in units of the structures described in detail above.
상기 복수개 적층된 페로브스카이트 구조체는 복수개의 페로브스카이트 층을 포함하고, 각 층간 이격에 상기 구체적으로 기술한 방향족 헤테로 고리화합물의 2가 유기양이온(organic dication) 화합물이 존재하여, 복수개의 페로브스카이트 층이 수직으로 성장된 형태의 구조체일 수 있다.The plurality of stacked perovskite structures includes a plurality of perovskite layers, and a divalent organic cation compound of the aromatic heterocyclic compound specifically described above is present in a space between each layer, so that a plurality of The perovskite layer may be a vertically grown structure.
또한, 본 발명은 상기 구체적으로 기술한 구조체를 포함하는 태양 전지용 광소자를 제공한다.In addition, the present invention provides an optical device for a solar cell including the structure described in detail above.
본 발명의 광소자는 태양전지에 사용됨에 있어서, 주변환경에 대한 안정성이 우수하고, 캐리어 손실이 적어 그 효율성이 매우 우수하며, 태양광을 이용한 전기 전도에 있어서 그 전도도가 매우 우수하고, 안정적으로 수직성장이 가능하여 특정 사용 환경에 적합하도록 fabrication이 가능하여, 그 산업적 활용가치가 현저히 높다.When the optical device of the present invention is used in a solar cell, it has excellent stability to the surrounding environment, has a low carrier loss, and thus has excellent efficiency, and has excellent conductivity in electric conduction using sunlight, and is stably vertical. It can be grown and fabricated to suit a specific use environment, and its industrial value is remarkably high.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. Hereinafter, examples will be described in detail to illustrate the present invention in detail.
실험방법Experiment method
1. 실험재료1. Experimental materials
산화납(Lead oxide, PbO, 99%), 히스타민(CH3(CH2)4CH2NH2, HA, ≥97%), 요오드산(Hydriodic acid, HI, H20 중 57중량%), 차아인산(H3PO2, H20 중 50중량%), N,N-디메틸포름아미드(N,N-dimethylformamide, DMF, 무수물, 99.8%), 디메틸설폭사이드(Dimethyl sulfoxide, DMSO, 무수물, ≥99.9%), 메틸아민염산염(Methylamine hydrochloride, CH3NH3Cl, ≥98%), 히스타민디히드로클로라이드(Histamine dihydrochloride, C5H9N3·2HCl, ≥99%) 및 클로로벤젠(Chlorobenzene, CB, 무수물, 99.8%)을 Sigma-Aldrich 로부터 구입하여 추가 정제없이 사용하였다. 스피로-MeOTAD(spiro-MeOTAD) 및 페닐-C61-부티르산메틸에스테르(Phenyl-C61-butyric acid methyl ester, PC61BM, >99%)는 Luminescence Technology Corporation 으로부터 구입하였다. 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)-폴리(스티렌술포네이트)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate), PEDOT:PSS, CLEVIOS Al4083)은 Heraeus 로부터 구입하였다. CH3NH3I(MAI)는 등-몰량의 57% w/w 수성 HI 및 40% w/w 수성 메틸아민(CH3NH2)으로 중화시킴으로써 합성되었다. 감압 하에 60℃에서 회전증발을 사용하여 용매를 증발시켜 백색 침전물을 수집하였다.Lead oxide (PbO, 99%), histamine (CH 3 (CH 2 ) 4 CH 2 NH 2 , HA, ≥97%), iodic acid (57% by weight of Hydriodic acid, HI, H 2 0), Hypophosphorous acid (50% by weight in H 3 PO 2 , H 2 0), N,N-dimethylformamide (N,N-dimethylformamide, DMF, anhydride, 99.8%), dimethyl sulfoxide (DMSO, anhydride, ≥99.9%), methylamine hydrochloride (CH 3 NH 3 Cl, ≥98%), histamine dihydrochloride (C 5 H 9 N 3 ·2HCl, ≥99%) and chlorobenzene (Chlorobenzene, CB, anhydride, 99.8%) was purchased from Sigma-Aldrich and used without further purification. Spiro-MeOTAD (spiro-MeOTAD) and phenyl-C 61 -butyric acid methyl ester (Phenyl-C61-butyric acid methyl ester, PC 61 BM, >99%) were purchased from Luminescence Technology Corporation. Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate)-poly(styrenesulfonate), PEDOT:PSS, CLEVIOS Al4083) was purchased from Heraeus. CH 3 NH 3 I (MAI) was synthesized by neutralization with an equimolar amount of 57% w/w aqueous HI and 40% w/w aqueous methylamine (CH 3 NH 2 ). A white precipitate was collected by evaporation of the solvent using rotary evaporation at 60° C. under reduced pressure.
2. 페로브스카이트의 제조2. Preparation of perovskite
(1) HAPbI4 (1) HAPbI 4
100ml 2구의 둥근 바닥 플라스크에 5.0 mL의 안정화된 HI(57% 수용액) 또는 미량의 차아인산(1.5% H3PO2)을 채웠다. 혼합물을 질소로 1분 동안 탈기(degass)시키고, 플라스크를 실험기간 동안 질소조건 하에 유지시켰다. 플라스크를 오일조 내에서 120℃로 가열하고, PbI2(0.46101g, 1mmol)를 첨가한 다음, 고체가 완전히 용해될 때까지 격렬하게 교반하였다. 이어서, 히스타민디하이드로클로라이드(0.18407g, 1mmol)를 플라스크에 첨가하여, 곧바로 오렌지색의 침전물을 얻었다. 용액을 추가로 15분 동안 교반한 다음, 열을 제거하고, 플라스크를 부드럽게 교반하면서 공냉(air-cool)시켰다. 용액 및 침전물을 무수 에테르로 세척하고, 3번 원심분리하였다. 생성물을 50℃에서 24시간 동안 진공오븐에서 건조시켰다.A 100 ml two necked round bottom flask was charged with 5.0 ml of stabilized HI (57% aqueous solution) or a trace amount of hypophosphorous acid (1.5% H 3 PO 2 ). The mixture was degassed with nitrogen for 1 minute, and the flask was kept under nitrogen conditions for the duration of the experiment. The flask was heated to 120° C. in an oil bath, PbI 2 (0.46101 g, 1 mmol) was added and then stirred vigorously until the solid was completely dissolved. Subsequently, histamine dihydrochloride (0.18407 g, 1 mmol) was added to the flask, and an orange precipitate was immediately obtained. The solution was stirred for an additional 15 minutes, then the heat was removed and the flask was air-cooled with gentle stirring. The solution and precipitate were washed with anhydrous ether and centrifuged 3 times. The product was dried in a vacuum oven at 50° C. for 24 hours.
(2) (HA)2(FA)n-1PbnI3n+1 (2) (HA) 2 (FA) n-1 Pb n I 3n+1
100mL 2구의 둥근 바닥 플라스크에 5.0mL의 안정화된 HI(57% 수용액) 및 1mL의 차아황산(H3PO2 50중량% 수용액)을 채웠다. 혼합물을 질소로 1분 동안 탈기(degass)시키고, 플라스크를 실험기간 동안 질소조건 하에 유지시켰다. 플라스크를 오일조 내에서 120℃로 가열하고, PbO(0.6696g, 3mmol)를 첨가한 다음, 격렬하게 교반하고, 밝은 황색 용액을 형성시켰다. 이어서, 고체 FAI(0.3439g, 2mmol)를 뜨거운 PbI2 용액에 첨가하였다. 처음에 흑색 침전물이 형성되기 시작했을 때, 용액을 격렬하게 교반하면서 빠르게 재용해된 밝고 맑은 황색 용액을 얻었다. 별도의 비이커에서, 히스타민디하이드로클로라이드(0.1012g, 0.55mmol)를 얼음조 내에서 HI 57중량% 수용액(2 mL, 15 mmol)으로 중화시켰다. HAI 용액을 연속적으로 교반하면서 PbI2 용액에 천천히 적가(drop by drop)하였다. 흑색 침전물이 초기에 형성되었고, 이는 결합된 용액(Combined solution)을 끓이는 동안 재용해되었다. 교반을 중단하고, 고온 용액을 실온으로 천천히 냉각시켰다. 이 시간 동안, 체리 레드 직사각형 플레이트(cherry red rectangular-shaped plates)가 침전되기 시작했다. 용액을 3시간 동안 방치 후, 결정을 흡입 여과로 분리하고, 디에틸에테르로 세척하였으며, 60℃의 진공오븐에서 건조시켰다. 62%의 수율은 총 Pb 함량에 비례하여 추정되었다.A 100 mL two-neck round bottom flask was charged with 5.0 mL of stabilized HI (57% aqueous solution) and 1 mL of hyposulfite (H 3 PO 2 50% by weight aqueous solution). The mixture was degassed with nitrogen for 1 minute, and the flask was kept under nitrogen conditions for the duration of the experiment. The flask was heated to 120° C. in an oil bath, PbO (0.6696 g, 3 mmol) was added and then stirred vigorously, forming a light yellow solution. Then, solid FAI (0.3439 g, 2 mmol) was added to the hot PbI 2 solution. When a black precipitate initially started to form, the solution was stirred vigorously to obtain a bright, clear yellow solution that quickly redissolved. In a separate beaker, histaminedihydrochloride (0.1012g, 0.55mmol) was neutralized with an aqueous solution of 57% by weight HI (2 mL, 15 mmol) in an ice bath. The HAI solution was slowly added dropwise (drop by drop) to the PbI 2 solution while continuously stirring. A black precipitate initially formed, which re-dissolved during boiling the combined solution. Stirring was stopped and the hot solution was slowly cooled to room temperature. During this time, cherry red rectangular-shaped plates began to settle. After allowing the solution to stand for 3 hours, the crystals were separated by suction filtration, washed with diethyl ether, and dried in a vacuum oven at 60°C. A yield of 62% was estimated proportional to the total Pb content.
(3) (HA)2(MA)n-1PbnI3n+1 (3) (HA) 2 (MA) n-1 Pb n I 3n+1
상기와 유사한 합성과정을 이용하여 (HA)2(MA)n-1PbnI3n+1을 합성하였다. 그러나, MACl의 양은 MAPbI3이 α-FAPbI3에 비해 상대적으로 느리게 침전됨에 따라 증가하였다. HAI: MAI: PbO의 실험비는 0.55: 3: 3 이었다. 총 Pb 함량을 기준으로 한 수율은 56% 이다.(HA) 2 (MA) n-1 Pb n I 3n+1 was synthesized using a synthetic procedure similar to the above. However, the amount of MACl was increased as MAPbI 3 is relatively slow compared to precipitate α-FAPbI 3. The experimental ratio of HAI: MAI: PbO was 0.55: 3: 3. The yield based on the total Pb content is 56%.
3. 물성분석3. Physical property analysis
(1) 단결정 X선 회절(1) single crystal X-ray diffraction
단결정 X선 회절 데이터는 포항 가속기 연구소(Pohang Accelerator Laboratory)에서, 실리콘(111) 이중결정 단색화기(double crystal monochromator, DCM)로, BL2D SMC에서 ADSC Quantum-210 검출기로, 싱크로트론 방사(synchrotron radiation, l = 0.61000Å)로 측정되었다. PAL BL2D-SMDC 프로그램은 데이터 수집에 사용되었고(검출기 거리는 63mm, 오메가 스캔; △ω = 3°, 노출 시간은 프레임 당 1 초), HKL3000sm(버전 703r)은 셀 세분화, 축소 및 흡수 보정을 위해 사용되었다. 페로브스카이트의 결정구조는 SHELXT-2014 프로그램을 사용한 직접법에 의해 해결되었고 SHELXL-2014 프로그램 패키지로 전체행렬 최소자승 계산(full-matrix least-squares calculations)으로 정제되었다.Single crystal X-ray diffraction data were obtained from Pohang Accelerator Laboratory, silicon (111) double crystal monochromator (DCM), BL2D SMC to ADSC Quantum-210 detector, and synchrotron radiation (l). = 0.61000Å). The PAL BL2D-SMDC program was used for data acquisition (detector distance 63mm, omega scan; Δω = 3°,
(2) 정상상태 및 시간-분해 광발광(2) Steady state and time-resolved photoluminescence
정상상태 PL 스펙트럼은 HORIBA LabRAM HR Evolution 공초점 RAMAN 현미경을 사용하여, 광섬유를 통해 PL 신호를 분할하고 안내함으로써 측정되었다. 532 nm 레이저(0.01% 파워)를 사용하여, 모든 샘플을 50x 배율로 여기(excitation)시켰다. 역전형(inverted-type) 스캐닝 공초점 현미경(MicroTime-200, Picoquant, Germany)을 사용하고, 60x(공기) 대물렌즈를 사용하여 시간 분해 PL(TRPL) 연구를 수행하였다. 라이프타임 측정은 한국과학재단(KBSI) 대구센터에서 수행되었다. 단일모드 펄스 다이오드 레이저(470nm, 펄스 폭은 ~30ps)를 여기원(excitation source)으로 사용했다. 샘플로부터의 방출을 수집하기 위해, 다이크로익 미러(dichroic mirror, 490 DCXR, AHF), 롱-패스 필터(HQ500lp, AHF), 75μm 핀홀 및 단일 광자 애벌란쉐 다이오드(single photon avalanche diode, PDM 시리즈, MPD)를 사용했다. 시간-태그 시간 분해(TTTR) 데이터 수집방법을 사용하여 200 x 200 픽셀로 구성된 TRPL 이미지를 기록했다. 획득된 PL decay에 대한 지수 피팅(Exponential fittings)은 Symponotime-64 소프트웨어(버전 2.2)를 exponential decay 모델과 함께 사용하여 수행되었다: Steady-state PL spectra were measured by dividing and guiding the PL signal through an optical fiber using a HORIBA LabRAM HR Evolution confocal RAMAN microscope. Using a 532 nm laser (0.01% power), all samples were excitation at 50x magnification. Time-resolved PL (TRPL) studies were performed using an inverted-type scanning confocal microscope (MicroTime-200, Picoquant, Germany) and a 60x (air) objective. Lifetime measurement was performed at the Daegu Center of the Korea Science Foundation (KBSI). A single-mode pulsed diode laser (470nm, pulse width is ~30ps) was used as an excitation source. To collect the emission from the sample, a dichroic mirror (490 DCXR, AHF), a long-pass filter (HQ500lp, AHF), a 75 μm pinhole and a single photon avalanche diode (PDM series), MPD) was used. TRPL images consisting of 200 x 200 pixels were recorded using the time-tag time resolution (TTTR) data collection method. Exponential fittings to the acquired PL decay were performed using Symponotime-64 software (version 2.2) with the exponential decay model:
[수학식 1][Equation 1]
(I(t)는 시간에 따른 PL 강도, A는 진폭, τ는 PL 수명).(I(t) is the PL intensity over time, A is the amplitude, and τ is the PL lifetime).
(3) 자외선 광전자 분광법(UPS)(3) Ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS)
UPS 측정은 대전광역시 대한기초과학연구소의 AXD 초광대역 검출기(DLD)(Kratos Inc.)를 사용하여 수행되었고, He I(21.22 eV) 방출선은 UV 광원으로 사용되었다.The UPS measurement was performed using an AXD ultra-wideband detector (DLD) (Kratos Inc.) of the Korea Basic Science Research Center in Daejeon, and the He I (21.22 eV) emission line was used as a UV light source.
(4) 광흡수 분광법(4) light absorption spectroscopy
광 확산 반사 스펙트럼은 애질런트(Cary-5000) UV-VIS-NIR 시스템을 사용하여 측정되었다. 폴리테트라플루오로에틸렌은 100% 반사율의 비흡수 기준물질로 사용되었다. 반사율 대 파장을 흡수데이터로 변환하고, Kubelka-Munk 방정식을 사용하여 밴드 갭(Eg)을 계산하였다: The light diffuse reflection spectrum was measured using an Agilent (Cary-5000) UV-VIS-NIR system. Polytetrafluoroethylene was used as a non-absorption reference material with 100% reflectance. The reflectance versus wavelength was converted into absorption data, and the band gap (Eg) was calculated using the Kubelka-Munk equation:
[수학식 2][Equation 2]
α/S = (1 - R)2(2R)-1 α/S = (1-R) 2 (2R) -1
(R은 반사율, α와 S는 각각 흡수 및 산란계수).(R is reflectance, α and S are absorption and scattering coefficients, respectively).
(5) 분말 X선 회절(5) powder X-ray diffraction
분말 XRD 패턴은 Cu Kα 방사선(40 kV, 30 mA, l = 1.54056Å) 및 흑연 단색화기(graphite monochromator)가 달린 Ni 필터가 있는 Empyrean PANalytical 장비를 사용하여 측정되었다.Powder XRD patterns were measured using an Empyrean PANalytical instrument with Cu Kα radiation (40 kV, 30 mA, l = 1.54056 Å) and Ni filter with graphite monochromator.
4. 태양 전지 제조4. Solar cell manufacturing
N형 TiO2 층 형성은 다음 방법으로 사용되었다. TiO2의 50 nm 콤팩트 층은 에탄올을 함유한 티탄이소프로폭사이드(titanium isopropoxide, TTIP, 0.013 M HCl을 함유하는 5 mL EtOH 중 350 mL TTIP)의 약한 산성용액의 스핀코팅(2000 rpm 30초)에 의해 FTO 기판상에 증착시켰다. 그 다음, 550℃에서 30분 동안 소결공정(sintering process)을 수행하였다. 메조포러스(mesoporous) TiO2 층을 500 rpm에서 5초, 3,000 rpm에서 10초, 6,000 rpm에서 30초 동안 1: 3.5 w/w의 비율의 에탄올로 희석된 TiO2 페이스트(DYESOL-30NRD)의 TiO2 컴팩트 층에 스핀코팅하였다. 기판을 70℃에서 30분 동안 20 mM TiCl4 수용액으로 추가로 처리하고, 탈이온수 및 에탄올로 헹구어 준 다음, 500℃에서 30분 동안 소결시켰다. 30% Rb계 페로브스카이트를 DMSO 용매에 용해시켰다. 이 용액을 N형 TiO2 층 위에 4,000rpm, 30초 동안 스핀코팅한 다음 100℃에서 30분 동안 어닐링 과정을 거쳤다. 스파이로-MeOTAD 코팅을 위한 용액은 72.3 mg의 스파이로-MeOTAD를 1mL의 클로로벤젠에 용해시키고, 28.8μL의 4-tert-부틸피리딘과 17.5μL의 리튬비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드 용액(1mL 중 520mg의 Li-TSFI, Sigma-Aldrich, 99.8%)을 첨가하여 제조하였다. 스파이로-MeOTAD는 페로브스카이트 층 상에 30초 동안 4,000 rpm으로 증착되었다. 1.5 Å/s의 열증발과 함께 페로브스카이트 층 상에 상대 전극을 위한 800Å의 금 층을 증착시켰다. The formation of the N-type TiO 2 layer was used in the following manner. The 50 nm compact layer of TiO 2 was spin-coated (2000
실험결과Experiment result
2D (HA)2(FA)n-1PbnI3n+1 족 화합물은 PbO, HAI 및 FAI 사이의 화학양론적 반응을 이용하여 제조되었다. HI 용액 중화된 HAI를 I2가 없는 농축된 화학양론적 PbO 및 FAI의 균질용액에 첨가하였다. 맑은 황색 용액은 초기에 격렬한 교반 하 끓는 온도에서 형성되었고, 이는 실온으로 냉각시에 흑색 침전물이 3D 직사각형 스태킹 형태(stacking shape)로 얻어졌다. 도 1은 HAPBI4와 2D (HA)2(FA)n-1PbnI3n-1의 결정구조를 보여주고, 결정학적 데이터는 표 1에 제시되었다. HAPBI4 는 격자 파라미터 a = 8.8902(18)Å , b = 20.038(4)Å, c = 9.0050(18)Å, α = 90°, ß = 91.86(3)° 및 γ = 90°의 삼차원 공간 그룹 P21/n 에서 결정화된다. 이는 1차 암모늄과 이미다졸림 양이온(imidazolim cations)을 모두 포함하고 있는 2가의 유기 양이온 히스탐모늄(histammonium, (C5N3H11)2+)에 의한 층상 페로브스카이트 템플릿이다. HA 2가 양이온 층은 [PbI6]2- 층의 모서리를 공유하는 8면체 사이에 이중층을 형성하여, 무기층(inorganic layer)이 더 가깝게 되었다. 층간 요오드-요오드 간 거리는 4.3878(9)Å(도 1a)이기 때문에, 2D 페로브스카이트가 3D 페로브스카이트와 결합될 때 판 형태의 일반적인 추세에서 벗어남으로써, 수직층 구조를 제공하는 것으로 간주될 수 있다. 이후, HAPbI4가 α-FAPbI3 또는 MAPbI3와 결합되었을 때의 수직층 구조의 형성을 설명할 것이다. 결합각에 의해 반영된 결합 상호작용이 밴드 갭에 가장 큰 영향을 주기 때문에, 하이브리드 층상 페로브스카이트 재료에서의 M-I-M 결합 각도는 또다른 중요한 특징이다. HAPbI4에서 Pb-I-Pb의 결합각은 156.17° 및 178.05° 였다. 이상적인(왜곡되지 않은) 180° 값으로부터의 Pb-I-Pb의 편차는 유사한 화합물인 HAPbBr4 (174.84° and 153.66°) 및 (C6H5C2H4NH3)2PbCl4 (151.45°, 151.37°, 153.21° 및 153.28°)보다 작았다. 이것은 유기물질의 특별한 구조로 인한 수소결합 강도의 차이 때문일 수 있다. 도 1b에 도시된 유기 암모늄기의 국소 환경은 히스타민 단위당 4개의 수소결합으로 이루어지고, 양성자화된 아민 사이에 형성되며, 무기 [PbI6]2- 층상의 4개 요오드 이온에 인접한다. 이미다졸 그룹의 NH와 요오드기 간 2.65Å와 2.78Å의 39H-I의 결합거리를 고려할 때, 아민 그룹과 인접한 요오드 이온 간 3.01Å와 2.83Å의 수소결합 상호작용은 약하다. 히스타민 단위의 이미다졸기가 무기물 시트와의 수소결합에 입체장애를 가지므로, 대전된 유기 양이온과 무기물 층 사이에 정전기적 상호작용이 더 우세하게 발생한다.2D (HA) 2 (FA) n-1 Pb n I Group 3n+1 compounds were prepared using stoichiometric reactions between PbO, HAI and FAI. HI solution neutralized HAI was added to a concentrated stoichiometric homogenous solution of PbO and FAI without I 2 . A clear yellow solution was initially formed at boiling temperature under vigorous stirring, which upon cooling to room temperature gave a black precipitate in a 3D rectangular stacking shape. 1 shows the crystal structure of HAPBI 4 and 2D (HA) 2 (FA) n-1 Pb n I 3n-1 , and crystallographic data are presented in Table 1. HAPBI 4 is a three-dimensional space group with lattice parameters a = 8.8902(18)Å, b = 20.038(4)Å, c = 9.0050(18)Å, α = 90°, ß = 91.86(3)° and γ = 90° It crystallizes at P21/n. This is a layered perovskite template with a divalent organic cation histammonium (C5N3H11) 2+ ) containing both primary ammonium and imidazolim cations. The HA divalent cation layer formed a double layer between the octahedrons that shared the edges of the [PbI 6 ] 2- layer, bringing the inorganic layer closer. Since the interlayer iodine-iodine distance is 4.3878(9)Å (Fig. 1A), it is considered to provide a vertical layer structure by deviating from the general trend of plate shape when 2D perovskite is combined with 3D perovskite. Can be. Hereinafter, the formation of a vertical layer structure when HAPbI 4 is combined with α-FAPbI 3 or MAPbI 3 will be described. The MIM bonding angle in hybrid layered perovskite materials is another important feature because the bonding interaction reflected by the bonding angle has the greatest effect on the band gap. The bonding angles of Pb-I-Pb in HAPbI 4 were 156.17 ° and 178.05 ° . The deviation of Pb-I-Pb from the ideal (non-distorted) 180° value is similar to the compounds HAPbBr 4 (174.84° and 153.66°) and (C 6 H 5 C 2 H 4 NH 3 ) 2 PbCl 4 (151.45°) , 151.37°, 153.21° and 153.28°). This may be due to differences in hydrogen bond strength due to the special structure of the organic material. The local environment of the organic ammonium group shown in FIG. 1B consists of 4 hydrogen bonds per histamine unit, is formed between protonated amines, and is adjacent to the inorganic [PbI 6 ] 2- layered 4 iodine ions. Considering the bonding distance of 39 HI of 2.65Å and 2.78Å between NH of the imidazole group and the iodine group, the hydrogen bonding interaction of 3.01Å and 2.83Å between the amine group and the adjacent iodine ion is weak. Since the imidazole group of the histamine unit has steric hindrance to hydrogen bonding with the inorganic material sheet, an electrostatic interaction occurs more predominantly between the charged organic cations and the inorganic material layer.
수직 층 구조를 만들기 위해, 2D HAPbI4를 α-FAPbI3 결정 구조 내부에 도입했다. FAPbI3는 상온에서 육각형 황색 상(공간 그룹 P63mc)과 흑색 페로브스카이트 상(α-FAPbI3, 공간 그룹 P3m1)인 비페로브스카이트(δ-FAPbI3)의 두가지 다형체를 가지고 있다. α-FAPbI3는 열역학적으로 안정한 δ-FAPbI3으로 천천히 변형되었다. δ-FAPbI3는 c축 방향을 따라 퍼져나가는 면-공유 팔면체로 이루어져 있다(도 1c). 무기 층은 hcp-격자로 패킹되어 1D 단일 사슬을 형성하였다. 1D 무기층 사이의 공간은 FA+ 양이온으로 채워졌다. Stoumpos 보고서에서 연급했듯, 이상적인 대칭과의 편차는 결정 구조에서 FA+ 양이온의 심각한 무질서가 원인일 수 있다. 제조된 α-FAPbI3는 신속하게 고온에서 실온으로의 냉각과정을 거쳐 δ-FAPbI3으로 변형된다. 그러나, 고온에서 가열하면, FA의 부분적 손실로 인해 결함있는 화합물(defective compound)을 낳으며, δ-FAPbI3 상은 원래의 형태인 α-FAPbI3으로 되돌아가고, 매우 천천히 δ-FAPbI3 결정 구조로 되돌아간다. α-FAPbI3는 광전 변환 및 근적외선 방출에 바람직한 밴드 갭(1.48eV)을 갖는 광활성 물질로서 보다 바람직한 구조이기 때문에, δ-FAPbI3 상 형성을 억제하는 추가 공정이 필요하다. HAPbI4와 α-FAPbI3를 결합하여 제조한 혼합 양이온 페로브스카이트는 α-FAPbI3 상을 안정화시키고, HAPbI4와 비교하여 밴드 갭을 더 감소시킨다(도 1d).To create a vertical layer structure, 2D HAPbI 4 was introduced inside the α-FAPbI 3 crystal structure. FAPbI 3 has two polymorphs: a hexagonal yellow phase (space group P63mc) and a black perovskite phase (α-FAPbI 3 , space group P3m1), biperovskite (δ-FAPbI 3 ). α-FAPbI 3 was slowly transformed into thermodynamically stable δ-FAPbI 3 . δ-FAPbI 3 is composed of a face-sharing octahedron that spreads along the c-axis direction (Fig. 1c). The inorganic layer was packed with hcp-lattices to form 1D single chains. The spaces between the 1D inorganic layers were filled with FA+ cations. As discussed in the Stoumpos report, deviations from ideal symmetry can be attributed to severe disorders of the FA+ cations in the crystal structure. The prepared α-FAPbI 3 is rapidly transformed into δ-FAPbI 3 through a cooling process from high temperature to room temperature. However, when heated at high temperatures, defective compounds are produced due to partial loss of FA, and the δ-FAPbI 3 phase reverts to its original form, α-FAPbI 3 , and very slowly returns to the δ-FAPbI 3 crystal structure. Goes. Since α-FAPbI 3 is a more preferable structure as a photoactive material having a band gap (1.48 eV) that is preferable for photoelectric conversion and near-infrared emission, an additional process is required to suppress the formation of a δ-FAPbI 3 phase. The mixed cationic perovskite prepared by combining HAPbI 4 and α-FAPbI 3 stabilizes the α-FAPbI 3 phase and further reduces the band gap compared to HAPbI 4 (FIG. 1D ).
HAPbI4 페로브스카이트는 3차원 구조를 형성하기 위해 b축과 함께 ac면을 따라 전파되는, 기울어진 층상 코너-공유 [PbI6]4- 팔면체 시트로 구성된다. 이미다졸륨 그룹과 알킬 암모늄 그룹 각각 2개의 N-H 결합이 있고, 무기층을 서로 더 가깝게 연결하기 위해 무기층은 서로에 대해 일그러진 형태로 적층되어 있다(도 2a). 마찬가지로, (HA)2(FA)n-1PbnI3n+1의 무기층은 c축을 따라 다른 층 위에 적층된 반면, 무기층은 HAPbI4와는 달리 ab면 방향으로 전파되었다(도 2b). 도 2c의 HAPbI4의 HR-TEM 이미지는 Pb 원자보다 더 높은 대조를 보이는 Br 원자를 나타내는 [PbI6]4-의 완벽한 팔면체 구조를 보여준다. HAPbI4의 [002] 평면 이미지는 도 2c에 중첩되어 실험 원자 위치와 일치한다. 실험데이터와 시뮬레이션 데이터 간 정량적 일치는 HAPbI4가 단일 8면체 층으로만 구성되었음을 나타낸다. 비교를 위해, 2D (HA)2(FA)Pb2I7 페로브스카이트의 HR-TEM 이미지를 도 2d에 도시하였고, HR-TEM 결과에 (HA)2(FA)Pb2I7의 [200] 평면 이미지를 입혔다. 두 개의 무기층은 실험 및 시뮬레이션된 단결정 이미지로부터 추출된다. 따라서, 2차원 적층 (HA)2(FA)Pb2I7 페로브스카이트는 2가 양이온 HAPbI4와 3D α-FAPbI3로 잘 제조되었다.The HAPbI 4 perovskite consists of an inclined layered corner-sharing [PbI 6 ] 4- octahedral sheet, propagating along the ac plane with the b axis to form a three-dimensional structure. Each of the imidazolium group and the alkyl ammonium group has two NH bonds, and the inorganic layers are stacked in a distorted form with respect to each other in order to connect the inorganic layers closer to each other (FIG. 2A). Similarly, the inorganic layer of (HA) 2 (FA) n-1 Pb n I 3n+1 was stacked on the other layer along the c-axis, whereas the inorganic layer propagated in the ab plane direction unlike HAPbI 4 (FIG. 2B ). The HR-TEM image of HAPbI 4 of FIG. 2C shows a complete octahedral structure of [PbI 6 ] 4 , representing Br atoms with higher contrast than Pb atoms. The [002] plane image of HAPbI 4 is superimposed on FIG. 2C to coincide with the experimental atomic position. The quantitative agreement between the experimental data and the simulation data indicates that HAPbI 4 consists only of a single octahedral layer. For comparison, the HR-TEM image of 2D (HA) 2 (FA)Pb 2 I 7 perovskite is shown in FIG. 2D, and the HR-TEM result of (HA) 2 (FA)Pb 2 I 7 200] A flat image was applied. The two inorganic layers are extracted from the experimental and simulated single crystal images. Therefore, the two-dimensional stacked (HA) 2 (FA)Pb 2 I 7 perovskite was well prepared with the divalent cations HAPbI 4 and 3D α-FAPbI 3 .
도 3a, 3b는 2D 구조와 일치하는 판 모양의 구조를 나타내는 HAPbI4의 SEM 이미지를 보여준다. 도 3c는 (HA)2(FA)n-1PbnI3n+1 결정구조에서 이들 판의 적층구조의 SEM 이미지를 보여주는데, 이는 2가 양이온 HA가 2D 페로브스카이트 구조의 적층을 유도함을 시사한다. 다이암모늄의 사용은 2개의 양성 양이온을 가지기 때문에 2D 페로브스카이트 사이에 다리를 제공했다. 하나는 자체에 부착되었고, 다른 하나는 다른 슬랩과 결합될 수 있었다. 이로써, 2D 슬랩을 층상으로 한 방향으로 쌓아서 3D 구조를 만들었다. 2가 양이온과 2D 슬랩 사이의 상호작용은 매우 견고하여, 강하고 안정된 구조를 만들었다. (HA)2(MA)n-1PbnI3n+1 (도 3d) 화합물에 대해 동일한 적층구조를 얻을 수 있었는데, 도 3c에서 EDAX를 사용하여 이미지의 상단 영역에 대한 원자 구성을 확인했고(도 3e), 이는 (HA)2(FA)n-1PbnI3n+1 의 조성을 나타내는 것이다.3A and 3B show SEM images of HAPbI 4 showing a plate-like structure consistent with the 2D structure. Figure 3c shows the SEM image of the lamination structure of these plates in the (HA) 2 (FA) n-1 Pb n I 3n+1 crystal structure, which shows that the divalent cation HA induces the lamination of the 2D perovskite structure. Suggests. The use of diamonium provided a bridge between the 2D perovskites because they have two positive cations. One was attached to itself, and the other could be combined with another slab. Thus, a 3D structure was created by stacking 2D slabs in one direction. The interaction between the divalent cations and the 2D slab was very robust, resulting in a strong and stable structure. (HA) 2 (MA) n-1 Pb n I 3n+1 (FIG. 3D) The same layered structure was obtained for the compound. In FIG. 3C, EDAX was used to confirm the atomic composition of the upper region of the image ( 3e), which shows the composition of (HA) 2 (FA) n-1 Pb n I 3n+1 .
이어, 자외선 가시 확산 반사 스펙트럼(UV-visible diffuse reflectance spectra)을 측정하고 Kubelka-Munk 변환을 수행하여 전하 이동과정을 확인했다. HAPbI4 에서(도 4), 전하 이동과정은 히스타민과 단리된 PbI6 팔면체 간의 상호작용 때문에 일어났을 가능성이 높은데, 히스타민의 흡수 특징이 높게 나타나지 않고, 오렌지색을 띄기 때문이다. HAPbI4의 광학 스펙트럼은 전형적인 2D 페로브스카이트 특성인 높은 에너지 흡수 엣지와 낮은 에너지 여기자(excitonic) 피크를 나타낸다. 여기자(exciton) 거동은 유기층과 무기층 사이의 유전체(dielectric) 제한으로부터 발생하여 페로브스카이트 구조에서 양자 우물 여기자 구조를 형성한다. 유한 양자 감금 효과(finite quantum confinement effect)는 3차원 페로브스카이트가 더 낮은 차원의 유사구조로 감소함에 따라 관찰되었다. 높은 에너지 흡수 엣지를 에너지 축으로 외삽(extrapolating)하여 HAPbI4의 밴드 갭을 할당했는데, 2D 페로브스카이트 층의 (HA)2(A)n-1PbnI3n+1 (A는 MA 또는 FA)에서 여기자 피크가 사라졌다. 여기자 흡수는 페로브스카이트 구조에서 음으로 하전된 무기층 주위의 국소화된 유기 양이온에 의해 생성된 강한 전기장에서의 장수명(long-lived) 여기자 상태로부터 발생하는 것으로 여겨졌다. 여기자 피크는 층상 2D 페로브스카이트에서 n이 증가함에 따라 감소할 것으로 예상된다. 그러나, 2D 층상 페로브스카이트 (HA)2(A)n-1PbnI3n+1 (A는 MA 또는 FA)는 고차 동질 구성의 불순물에서 유래한 흡수 엣지에서 약간의 꼬리(tailing)을 가졌지만, 순수 MAPbI3와 흑색상 α-FAPbI3는 직접적인 밴드 갭 물질을 나타내는 날카로운 흡수 엣지를 보였다.Subsequently, a UV-visible diffuse reflectance spectra was measured and a Kubelka-Munk conversion was performed to confirm the charge transfer process. In HAPbI 4 (FIG. 4), the charge transfer process is likely to have occurred due to the interaction between histamine and the isolated PbI 6 octahedron, because the absorption characteristic of histamine is not high and has an orange color. The optical spectrum of HAPbI 4 shows a high energy absorption edge and a low energy excitonic peak, which are typical 2D perovskite properties. The exciton behavior arises from the dielectric constraints between the organic and inorganic layers to form a quantum well exciton structure in the perovskite structure. The finite quantum confinement effect was observed as the three-dimensional perovskite decreased to a lower-dimensional pseudostructure. The band gap of HAPbI 4 was assigned by extrapolating the high energy absorption edge to the energy axis, and the (HA) 2 (A) n-1 Pb n I 3n+1 of the 2D perovskite layer (A is MA or FA), the peak disappeared. The absorption of excitons was believed to arise from the long-lived exciton state in a strong electric field generated by localized organic cations around the negatively charged inorganic layer in the perovskite structure. The exciton peak is expected to decrease as n increases in the layered 2D perovskite. However, 2D layered perovskite (HA) 2 (A) n-1 Pb n I 3n+1 (A is MA or FA) has a slight tailing at the absorption edge derived from impurities of higher order homogeneity. Had, but pure MAPbI 3 and black α-FAPbI 3 showed sharp absorption edges indicating direct bandgap material.
2D 층상 페로브스카이트는 분말 XRD에 의해 확인되었다(도 5). (HA)2(A)n-1PbnI3n+1 (A는 MA 또는 FA) 화합물은 14°와 28° 주위에 2개의 피크를 나타내었고, 이는 수직 성장 방향의 (002)/(110) 및 (004)/(220) 결정면을 반영한다(도 5b, 5c). 특히, (HA)2(MA)n-1PbnI3n+1이 오로지 관찰되었고, 이는 페로브스카이트 화합물의 수직 성장을 명확하게 나타낸다. 따라서, 차원적으로 제어된 페로브스카이트 구조의 장점은 직접 경로로 전자 수집층 내로의 전하 수송을 향상시키는 중요한 기회를 제공한다는 것이다.The 2D layered perovskite was confirmed by powder XRD (Fig. 5). (HA) 2 (A) n-1 Pb n I 3n+1 (A is MA or FA) The compound showed two peaks around 14° and 28°, which is (002)/(110) in the vertical growth direction. ) And (004)/(220) crystal planes are reflected (FIGS. 5B, 5C). In particular, (HA) 2 (MA) n-1 Pb n I 3n+1 was only observed, which clearly indicates the vertical growth of the perovskite compound. Thus, the advantage of a dimensionally controlled perovskite structure is that it provides an important opportunity to enhance charge transport into the electron collection layer by a direct path.
실온에서 2D 층상 페로브스카이트의 방출 특성을 검출하기 위해, PL 분광학을 측정했다(도 10). MAPbI3, FAPbI3 및 HAPbI4 페로브스카이트는 최대 PL 피크 위치가 흡수 스펙트럼에서 여기자 피크와 잘 일치하는 단일 방출 피크를 보인 반면, 2D 층상 페로브스카이트, (HA)2(A)n-1PbnI3n+1 (A는 MA 또는 FA)는 여러 개의 방출 피크를 보였고, 이는 2D 페로브스카이트의 다중 층이 존재한다는 증거이다. 2D 페로브스카이트의 PL 수명을 결정하기 위해 TRPL의 측정을 수행했고, 형광 스펙트럼의 time decay는 도 6의 tree exponential에 맞추어졌다. Exponential decay 모델의 단일 파장 PL decay의 맞춤은 표 2에 요약된 2D 층상 페로브스카이트의 캐리어 수명을 만들었다. 더 빠른 decay 과정(τ1)은 여기자의 방사성 재결합을 나타내고, 느린 decay 과정(τ2 및 τ3)은 층상 페로브스카이트에서의 전자-포논 결합으로 인한 트랩 상태 형성과 관련이 있다. 2D 페로브스카이트에서의 여기자 방사성 재결합이 신속하게 진행되면서, 보다 긴 캐리어 수명만을 비교했다. (HA)2(MA)n-1PbnI3n+1 페로브스카이트 결정의 방출은 282ns의 긴 수명으로 붕괴(decay)되었고, 이는 MAPbI3 8.2ns의 약 35배에 해당한다. 이것은, 약 0.1 내지 200 ps의 캐리어 수명 값을 보이는 타 적층된 2D 페로브스카이트보다 훨씬 긴 수치이다((NH3CmH2mNH3)(CH3NH3)2Pb3I10 (m = 7, 8, 9), (C6H5C2H4NH3)2PbI4·(CH3NH3PbI3)n-1 (n = 1, 2, 3) 및 A′(CH3NH3)n-1PbnI3n+1 (A′ = 3-(aminomethyl)piperidinium(3AMP) 또는 4-(aminomethyl)piperidinium(4AMP)).To detect the emission characteristics of the 2D layered perovskite at room temperature, PL spectroscopy was measured (Fig. 10). MAPbI 3 , FAPbI 3 and HAPbI 4 perovskites showed a single emission peak with a maximum PL peak position in good agreement with the exciton peak in the absorption spectrum, whereas 2D layered perovskite, (HA) 2 (A) n-1 Pb n I 3n+1 (A is MA or FA) showed several emission peaks, which is evidence that multiple layers of 2D perovskite exist. TRPL was measured to determine the PL lifetime of the 2D perovskite, and the time decay of the fluorescence spectrum was fitted to the tree exponential of FIG. 6. The fit of the single wavelength PL decay of the exponential decay model produced the carrier lifetime of the 2D layered perovskite summarized in Table 2. The faster decay process (τ 1 ) indicates the radioactive recombination of excitons, and the slow decay process (τ 2 and τ 3 ) is associated with the formation of trap states due to electron-phonon bonding in the layered perovskite. As exciton radioactive recombination in 2D perovskite proceeded rapidly, only longer carrier lifetimes were compared. The emission of (HA) 2 (MA) n-1 Pb n I 3n+1 perovskite crystals decayed with a long lifetime of 282 ns, which is about 35 times that of MAPbI 3 8.2 ns. This is much longer than other stacked 2D perovskites showing carrier lifetime values of about 0.1 to 200 ps ((NH 3 C m H 2m NH 3 )(CH 3 NH 3 ) 2 Pb 3 I 10 (m = 7, 8, 9), (C 6 H 5 C 2 H 4 NH 3 ) 2 PbI 4 ·(CH 3 NH 3 PbI 3 ) n-1 (n = 1, 2, 3) and A′(CH 3 NH 3 ) n-1 Pb n I 3n+1 (A′ = 3-(aminomethyl)piperidinium(3AMP) or 4-(aminomethyl)piperidinium(4AMP)).
2D 층상 페로브스카이트의 필름이 효율적인 광흡수제라는 것을 입증하기 위해, 광전지 장치에서 계면층이 있는 페로브스카이트 층의 에너지 수준을 UPS를 이용하여 결정했다(도 8a). 가전 자대(valence band)와 일 함수(work function, WF)는 광전자 분광 스펙트럼에서 낮은 결합 에너지 준위와 2차 컷오프 엣지 영역으로부터 각각 계산되었다. 모든 에너지는 금 페르미 준위(0 eV)를 기준으로 하였다. 2D 층상 페로브스카이트의 가전 자대 에너지 준위는 2D(HAPbI4) 및 3D(MAPbI3 및 α-FAPbI3) 페로브스카이트보다 약간 낮았다(도 8b). 이것은 2D 층상 페로브스카이트, HAPbI4 및 3D 페로브스카이트의 순서로 이온화 에너지를 증가시킨다. 그러나, 2D 층상 페로브스카이트의 WF는 페로브스카이트 중에서 가장 높았고, 이는 Pbo- 관련된 표면 상태의 증가를 나타낸다(도 8c). 이는 페르미 레벨을 전도대 최소(conduction band minimum, CBM)로 이동시키는 경향이 있다. 따라서 WF와 CBM의 차이인 전자 친화성은, (HA)2(FA)n-1PbnI3n+1 페로브스카이트의 경우 4.59 eV이고, HAPbI4 화합물의 경우 3.93 eV였다. 도 8d에 도시된 바와 같이, 2D 층상 페로브스카이트의 CBM 위치는 다른 페로브스카이트와 비교하여 TiO2 전자 수송층의 CBM과 매우 근접한 에너지 정렬이다. 2D 층상 페로브스카이트에서 TiO2 층으로의 전자 추출 장벽은 없을 것으로 예상된다. 정공 추출(hole extraction)의 장벽은 페로브스카이트 VBM과 HTL HOMO 사이의 오프셋으로부터 예측되었다. 모든 페로브스카이트에서, HTL의 HOMO 레벨은 페로브스카이트 VBM보다 페르미 레벨에 더 가깝다. 따라서, 어떠한 페로브스카이트도 정공 추출 장벽을 나타내지 않았다.To demonstrate that the film of 2D layered perovskite is an efficient light absorber, the energy level of the perovskite layer with the interfacial layer in the photovoltaic device was determined using a UPS (FIG. 8A ). The valence band and work function (WF) were calculated from the low binding energy level and the secondary cutoff edge region in the photoelectron spectral spectrum, respectively. All energies were based on the gold Fermi level (0 eV). The 2D layered perovskite had a slightly lower energy level than the 2D (HAPbI 4 ) and 3D (MAPbI 3 and α-FAPbI 3 ) perovskites (FIG. 8B ). This increases the ionization energy in the order of 2D layered perovskite, HAPbI 4 and 3D perovskite. However, the WF of the 2D layered perovskite was the highest among the perovskites, indicating an increase in Pbo-related surface state (Fig. 8c). This tends to shift the Fermi level to the conduction band minimum (CBM). Therefore, the electron affinity, which is the difference between WF and CBM, was 4.59 eV for (HA) 2 (FA) n-1 Pb n I 3n+1 perovskite and 3.93 eV for HAPbI 4 compounds. As shown in FIG. 8D, the CBM position of the 2D layered perovskite is an energy alignment that is very close to the CBM of the TiO 2 electron transport layer compared to other perovskites. It is expected that there will be no barrier to electron extraction from the 2D layered perovskite to the TiO 2 layer. The barrier to hole extraction was predicted from the offset between the perovskite VBM and HTL HOMO. In all perovskites, the HOMO level of HTL is closer to the Fermi level than the perovskite VBM. Thus, no perovskite exhibited a hole extraction barrier.
결정립 크기, 결정 방위 및 커버리지를 포함한 필름 형태학은 고효율 태양 전지 제조에 중요한 요소이다. 도 8은 각각 HAPbI4, (HA)2(MA)n-1PbnI3n+1 및 (HA)2(FA)n-1PbnI3n+1 페로브스카이트 필름의 SEM 이미지를 보여준다. HAPbI4로 제조된 페로브스카이트 필름은 균일하고 컴팩트한 형태를 나타내고(도 8a), (HA)2(MA)n-1PbnI3n+1 필름은 HAPbI4와 유사한 필름 품질을 나타낸다(도 8b). 그러나, 도 8a, 8b에 도시된 표면에 대한 AFM 이미지(도 8d, 8e)에서, 큰 입자 크기가 존재하여 입자 경계들 사이에 핀홀(pinhole)이 형성됨을 확인할 수 있다. 이것은 광전지 효과의 성능에 악영향을 미쳤다. 대조적으로, (HA)2(FA)n-1PbnI3n+1 필름은 훨씬 균일하고 작은 입자 크기를 나타낸다(도 8c, 8f). 이는 (HA)2(FA)n-1PbnI3n+1 페로브스카이트의 입자 성장이 매우 천천히 진행되어 입자 크기가 작고 균일하며, 궁극적으로 컴팩트한 얇은 박막을 구성할 수 있음을 나타낸다.Film morphology, including grain size, crystal orientation, and coverage are important factors in high-efficiency solar cell manufacturing. 8 shows SEM images of HAPbI 4 , (HA) 2 (MA) n-1 Pb n I 3n+1 and (HA) 2 (FA) n-1 Pb n I 3n+1 perovskite films, respectively. . The perovskite film made of HAPbI 4 exhibits a uniform and compact shape (Fig. 8a), and (HA) 2 (MA) n-1 Pb n I 3n+1 film exhibits a film quality similar to HAPbI 4 ( Fig. 8b). However, in the AFM images of the surfaces shown in FIGS. 8A and 8B (FIGS. 8D and 8E ), it can be seen that a large particle size exists and a pinhole is formed between the particle boundaries. This adversely affected the performance of the photovoltaic effect. In contrast, the (HA) 2 (FA) n-1 Pb n I 3n+1 film exhibits a much uniform and smaller particle size (Figs. 8c, 8f). This indicates that the particle growth of (HA) 2 (FA) n-1 Pb n I 3n+1 perovskite proceeds very slowly, so that the particle size is small and uniform, and ultimately, a compact thin film can be formed.
이어서, α-FAPbI3, HAPbI4 및 (HA)2(A)n-1PbnI3n+1 (A는 MA 또는 FA) 페로브스카이트의 광전지 성능을 조사했다. AM1.5G 조명 하에서 상응하는 광전류 밀도-전압(J-V) 곡선을 도 9에 도시하였고, 광전지 파라미터는 표 3에 요약되어 있다. 먼저, 공기중의 태양 전지 제조 관련하여, 일반적으로, 페로브스카이트는 대기 중의 습도 및 산소에 매우 민감하기 때문에, 페로브스카이트 태양 전지는 불활성 환경에서 생성되므로, 궁극적으로 상용화에 적합하지 않다. 도 7에서 확인할 수 있듯, 2D 층상 페로브스카이트 전지는 HAPbI4 기반 소자에 비해 현저히 높은 성능을 보여준다. (HA)2(FA)n-1PbnI3n+1 페로브스카이트 기반 소자는 16.70 mA/cm2 의 짧은 전류 밀도(Jsc), 0.76 V의 Voc, 52.20%의 필 팩터(fill factor, FF) 및 6.75%의 PCE를 보여준다. (HA)2(MA)n-1PbnI3n+1 소자는 각각 Jsc, Voc, FF 및 PCE에 대해, 15.40 mA/cm2, 0.77 V, 55.00% 및 6.53%의 값을 보여준다. α-FAPbI3 페로브스카이트 전지는 5.15%를 나타낸다. 그러나, 필름의 흑색상은 비페로브스카이트 황색상과 함께 서서히 변화되어, 효율을 신속하게 잃어버렸다. 가장 좋은 성능은 8.23%의 PCE를 나타내는 MAPbI3 셀이다. 그러나, 공기에 노출되었을 때, 이는 빨리 분해되어 효율을 잃은 반면, 2D 층상 페로브스카이트는 우수한 안정성을 보였다(도 8). 또한, 2D 페로브스카이트 태양 전지의 효율이 낮아도, 필름형태를 개선할 수 있다면 안정적이고 고효율의 태양 전지를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.Subsequently, the photovoltaic performance of α-FAPbI 3 , HAPbI 4 and (HA) 2 (A) n-1 Pb n I 3n+1 (A is MA or FA) perovskite was investigated. The corresponding photocurrent density-voltage (JV) curves under AM1.5G illumination are shown in FIG. 9, and the photovoltaic parameters are summarized in Table 3. First, with regard to the production of solar cells in the air, in general, since perovskite is very sensitive to humidity and oxygen in the atmosphere, perovskite solar cells are produced in an inert environment, and are ultimately not suitable for commercialization. As can be seen in FIG. 7, the 2D layered perovskite battery shows significantly higher performance compared to the HAPbI 4 based device. (HA) 2 (FA) n-1 Pb n I 3n+1 Perovskite-based devices have a short current density (Jsc) of 16.70 mA/cm 2 , a Voc of 0.76 V, and a fill factor of 52.20%, FF) and 6.75% PCE. (HA) 2 (MA) n-1 Pb n I 3n+1 devices show values of 15.40 mA/cm 2 , 0.77 V, 55.00% and 6.53% for Jsc, Voc, FF and PCE, respectively. α-FAPbI 3 perovskite cells show 5.15%. However, the black phase of the film gradually changed along with the non-perovskite yellow phase, and the efficiency quickly lost. The best performance is the MAPbI 3 cell, which shows 8.23% PCE. However, when exposed to air, it decomposes quickly and loses its efficiency, whereas the 2D layered perovskite showed excellent stability (FIG. 8). In addition, even if the efficiency of the 2D perovskite solar cell is low, it is expected that a stable and highly efficient solar cell can be obtained if the film shape can be improved.
a, Å
b, Å
c, Å
a, deg
b, deg
g, degUnit cell dimensions
a, Å
b, Å
c, Å
a, deg
b, deg
g, deg
8.9020(18)
20.038(4)
9.0050(18)
90°
91.86(3)°
90°
8.9020(18)
20.038(4)
9.0050(18)
90°
91.86(3)°
90°
8.6724(12)
8.6724(12)
7.9410(12)
90°
90°
120°
8.6724(12)
8.6724(12)
7.9410(12)
90°
90°
120°
8.9100(18)
9.0510(18)
16.539(3)
86.20(3)
82.61
89.08(3)
8.9100(18)
9.0510(18)
16.539(3)
86.20(3)
82.61
89.08(3)
(mm-1)Absorption coefficient
(mm -1 )
collectionθ range for data
collection
-28 ≤= k ≤= 28,
-12 ≤= l ≤= 12-12 = h ≤= 12,
-28 ≤= k ≤= 28,
-12 ≤= l ≤= 12
-11 ≤= k ≤= 11,
-10 ≤= l ≤= 10-11 = h ≤= 11,
-11 ≤= k ≤= 11,
-10 ≤= l ≤= 10
-13 ≤= k ≤= 13,
-23 ≤= l ≤= 23-12 = h ≤= 12,
-13 ≤= k ≤= 13,
-23 ≤= l ≤= 23
= 24.835°Completeness to theta
= 24.835°
squares on F2 Full-matrix least-
squares on F 2
squares on F2 Full-matrix least-
squares on F 2
squares on F2 Full-matrix least-
squares on F 2
parametersData / restraints /
parameters
[I > 2σ(I)]Final R indices
[I> 2σ(I)]
wR2 = 0.1078R1 = 0.0405,
wR2 = 0.1078
wR2 = 0.0557R1 = 0.0208,
wR2 = 0.0557
wR2 = 0.3391R1 = 0.1253,
wR2 = 0.3391
wR2 = 0.1086R1 = 0.0411,
wR2 = 0.1086
wR2 = 0.0603R1 = 0.0272,
wR2 = 0.0603
wR2 = 0.3631R1 = 0.1493,
wR2 = 0.3631
and hole (eÅ-3)Largest diff. peak
and hole (eÅ -3 )
방출 감쇠(emission decay)는 다음의 방정식으로 분석되었다(τ amp는 평균 수명의 진폭): The emission decay was analyzed by the following equation ( τ amp is the average lifetime amplitude):
[수학식 3][Equation 3]
[수학식 4][Equation 4]
[수학식 5][Equation 5]
(식 중, 는 τ avg임).(In the formula, Is τ avg ).
[mA/cm[mA/cm
22
]]
[V][V]
[%][%]
[%][%]
Claims (11)
적어도 1개의 아미노알킬기로 치환된 방향족 헤테로 고리화합물의 2가 유기양이온(organic dication) 화합물을 포함하는, 화학식 2로 표시되는 적층된 페로브스카이트 구조체로서,
2개의 양이온기는 상기 질소원자와 헤테로원자가 수소화(hydrogenation)된 것으로서 각각 서로 다른 층의 X-와 수소 상호작용을 형성하는 것인 페로브스카이트 구조체:
[화학식 1]
[PbX6]2-
(식 중, X는 Cl, Br 및 I로 이루어진 군에서 선택된 하나)
[화학식 2]
(C)2(A)n-1PbnX3n+1
(식 중, C는 상기 2가 유기양이온 화합물, A는 메틸암모늄(methylammonium) 또는 포름암모늄(HC(NH2)2 +), X는 Cl, Br 및 I로 이루어진 군에서 선택된 하나, n은 6 이상의 정수).
Two secondary or tertiary perovskite layers comprising the unit structure of Formula 1 and spaced apart from each other; And
As a laminated perovskite structure represented by Formula 2, comprising a divalent organic cation compound of an aromatic heterocyclic compound substituted with at least one aminoalkyl group,
The two cationic groups are the nitrogen atom and the hetero atom hydrogenated (hydrogenation), each of which forms a hydrogen interaction with X - of different layers perovskite structure:
[Formula 1]
[PbX 6 ] 2-
(Wherein, X is one selected from the group consisting of Cl, Br and I)
[Formula 2]
(C) 2 (A) n-1 Pb n X 3n+1
(Wherein, C is the divalent organic cation compound, A is methylammonium or formammonium (HC(NH 2 ) 2 + ), X is one selected from the group consisting of Cl, Br and I, and n is 6 An integer greater than or equal to).
The perovskite structure of claim 1, wherein the aminoalkyl group includes a C 1-3 alkyl group.
The perovskite structure of claim 1, wherein the aromatic heterocyclic compound is a 4 to 7 membered ring compound.
[화학식 3]
[화학식 4]
[화학식 5]
[화학식 6]
[화학식 7]
[화학식 8]
[화학식 9]
[화학식 10]
.
The method according to claim 1, wherein the aromatic heterocyclic compound is at least one perovskite structure selected from the group consisting of compounds represented by the following formulas 3 to 10:
[Formula 3]
[Formula 4]
[Formula 5]
[Formula 6]
[Formula 7]
[Formula 8]
[Formula 9]
[Formula 10]
.
[화학식 10]
.
The perovskite structure of claim 1, wherein the aromatic heterocyclic compound is represented by the following formula (10):
[Formula 10]
.
[화학식 11]
.
The perovskite structure according to claim 5, wherein the divalent organic cation compound of the aromatic heterocyclic compound is represented by the following formula (11):
[Formula 11]
.
The perovskite structure according to claim 1, wherein the divalent organic cation compound of the aromatic heterocyclic compound is located at spaces between two perovskite layers.
The perovskite structure of claim 1, wherein X in Formulas 1 and 2 is I.
The method according to claim 1, wherein A in Formula 2 is formammonium (HC(NH 2 ) 2 ) + phosphorus perovskite structure.
A perovskite structure in which a plurality of perovskite structures are stacked vertically with respect to the perovskite layer as a unit of any one of the structures 1 to 9.
An optical device for a solar cell comprising the structure of any one of claims 1 to 9.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020190041581A KR102170685B1 (en) | 2019-04-09 | 2019-04-09 | Stacked Perovskite structure and its use |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020190041581A KR102170685B1 (en) | 2019-04-09 | 2019-04-09 | Stacked Perovskite structure and its use |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR20200119131A KR20200119131A (en) | 2020-10-19 |
KR102170685B1 true KR102170685B1 (en) | 2020-10-27 |
Family
ID=73042624
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020190041581A KR102170685B1 (en) | 2019-04-09 | 2019-04-09 | Stacked Perovskite structure and its use |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR102170685B1 (en) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113421971A (en) * | 2021-06-28 | 2021-09-21 | 大连理工大学 | Method for preparing perovskite solar cell without charge transport layer through solvent pre-assistance |
CN114685373B (en) * | 2022-03-23 | 2024-04-30 | 陕西师范大学 | Histamine diiodide salt, preparation method thereof, perovskite solar cell and preparation method thereof |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US10687185B2 (en) | 2016-04-01 | 2020-06-16 | Intel Corporation | V2X communication configuration based on geographical location |
KR20180050190A (en) * | 2016-11-04 | 2018-05-14 | 이화여자대학교 산학협력단 | Quasi-2d perovskite film, photoluminescence device and solar cell including the same, and method of preparing the same |
KR102014850B1 (en) * | 2017-07-13 | 2019-08-27 | 청주대학교 산학협력단 | Perovskite solar cell including hybrid hole transport layer and manufacturing method for the same |
-
2019
- 2019-04-09 KR KR1020190041581A patent/KR102170685B1/en active IP Right Grant
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR20200119131A (en) | 2020-10-19 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Ke et al. | Narrow-bandgap mixed lead/tin-based 2D Dion–Jacobson perovskites boost the performance of solar cells | |
El-Ballouli et al. | Compositional, processing, and interfacial engineering of nanocrystal-and quantum-dot-based perovskite solar cells | |
Jena et al. | Halide perovskite photovoltaics: background, status, and future prospects | |
Vasileiadou et al. | Insight on the stability of thick layers in 2D Ruddlesden–Popper and Dion–Jacobson lead iodide perovskites | |
Soe et al. | New type of 2D perovskites with alternating cations in the interlayer space,(C (NH2) 3)(CH3NH3) n Pb n I3 n+ 1: Structure, properties, and photovoltaic performance | |
Prochowicz et al. | Engineering of perovskite materials based on formamidinium and cesium hybridization for high-efficiency solar cells | |
Hasan et al. | Present Status and Research Prospects of Tin‐based Perovskite Solar Cells | |
Long et al. | Interlayer interaction enhancement in Ruddlesden–Popper perovskite solar cells toward high efficiency and phase stability | |
US10476017B2 (en) | Phase-pure, two-dimensional, multilayered perovskites for optoelectronic applications | |
Yan et al. | Advancing tin halide perovskites: strategies toward the ASnX3 paradigm for efficient and durable optoelectronics | |
Zheng et al. | Revealing the role of methylammonium chloride for improving the performance of 2D perovskite solar cells | |
Milić et al. | Layered hybrid formamidinium lead iodide perovskites: challenges and opportunities | |
Ducinskas et al. | Unravelling the Behavior of Dion–Jacobson Layered Hybrid Perovskites in Humid Environments | |
KR102464556B1 (en) | High-efficiency large-area perovskite solar cell and process for manufacturing same | |
Cheng et al. | Ligand-size related dimensionality control in metal halide perovskites | |
Lee et al. | Bulky organic cations engineered lead-halide perovskites: a review on dimensionality and optoelectronic applications | |
Xiang et al. | Two-dimensional Dion-Jacobson halide perovskites as new-generation light absorbers for perovskite solar cells | |
US20220029114A1 (en) | Organic-inorganic hybrid perovskite compounds | |
Jung | Hydrophobic perovskites based on an alkylamine compound for high efficiency solar cells with improved environmental stability | |
Jang et al. | Elucidation of the formation mechanism of highly oriented multiphase Ruddlesden–Popper perovskite solar cells | |
Susic et al. | Quadruple-cation wide-bandgap perovskite solar cells with enhanced thermal stability enabled by vacuum deposition | |
KR102170685B1 (en) | Stacked Perovskite structure and its use | |
Girish | Advances in surface passivation of perovskites using organic halide salts for efficient and stable solar cells | |
Chen et al. | Advances and challenges in tin halide perovskite nanocrystals | |
Vasileiadou et al. | Thick-layer lead iodide perovskites with bifunctional organic spacers allylammonium and iodopropylammonium exhibiting trap-state emission |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant |