KR102179571B1

KR102179571B1 - 유기 금속 할로겐 페로브스카이트 헤테로 접합 태양전지 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR102179571B1
Application number: KR1020157004662A
Authority: KR
Inventors: 리오즈 에트가; 모하매드 카하자 나제루딘; 마이클 그래잇젤
Original assignee: 에꼴 뽈리떼끄닉 뻬데랄 드 로잔느 (으뻬에프엘)
Priority date: 2012-08-03
Filing date: 2013-07-24
Publication date: 2020-11-18
Also published as: WO2014020499A1; EP2880698A1; KR20150038271A; AU2013298165B2; AU2013298165A1; EP2693503A1; JP6386458B2; US20150200377A1; JP2015530738A; EP2880698B9; CN104737320B; CN104737320A; EP2880698B1; WO2014020499A9

Abstract

본 발명은 투명 전도 지지 층을 포함하는 고체 상태 태양전지를 제공하며, 상기 지지 층위에서 나노 구조, 표면-증가 발판(scaffold )구조가 제공되며, 유기-무기 페로브 스카이트 층이 상기 발판 구조 위에 제공되고, 대향 전극 및/또는 금속 층이 상기 페 로브 스카이트 층과 전기적 접촉하도록 제공된다. 한 실시 예에 따라, 태양전지가 전해질 또는 정공 전도성 물질이 부족하다. 본 발명은 또한 고체 상태 헤테로 접합에 대한 것이며, 태양전지를 준비하는 방법에 대한 것이다.

Description

유기 금속 할로겐 페로브스카이트 헤테로 접합 태양전지 및 그 제조 방법{ORGANO METAL HALIDE PEROVSKITE HETEROJUNCTION SOLAR CELL AND FABRICATION THEREOF}

본 발명은 고체 상태 태양전지, 헤테로 접합, 그리고 태양전지를 준비하는 방법에 대한 것이다.

양자 점(QDs)은 이들의 조정 가능 대역 갭 그리고 이들의 높은 광학 흡수 단면으로 인해 많은 주목을 받고 있다. 다양한 연구 프로젝트가 나노결정(NC)-중합체 하이브리드 태양전지, NC-쇼트키 태양전지, NC 감응 형 이산화 티타늄 (TiO₂) 태양전지 그리고 NC 하이브리드 이중층 태양전지를 포함하여, 태양전지 장치에 양자점을 통합하려고 시도한다. 근자의 조사는 QD 와 FTO 사이에 얇은 스페이서 층으로서 산화물 NCs (TiO₂ 또는ZnO)를 위치시킴으로써 QD 헤테로 접합 태양전지에 초점을 두고 있으며, 이와 같은 헤테로 접합 구조를 사용하여 5-6%가 관찰되었다.또한, 동일한 구조를 갖는 탠덤 형 QD 태양전지가 설명되었다.다중 엑시톤 발생(MEG) 효과가 또한 유사한 QD 기반 태양전지 구조로 설명되었다.이 같은 헤테로 접합 QD 태양전지는 좋은 태양 광 전지 성능을 보여주었다. 그러나, 안정성, 낮은 개방 회로 전압 그리고 재 조합 문제와 같은 더욱 높은 효율을 달성하기 위해서는 여러 가지 문제가 있다.

본 발명은 용매를 증발 문제점 및 특히 온도 순환 테스트에서 장기간 밀봉 곤란에 의해 태양전지에 물의 침투와 같은 액체 전해질을 포함하는 장치의 단점을 해결한다.

또한, 본 발명은 정공 전도체와 함께 관찰되는 불완전한 미세공(pore) 채움과 같은, 유기 정공 전도체 물질을 포함하는 장치의 단점을 해결한다. 특히, 정공 전도체는 예를 들면 다공성 반도체 애노드를 사용하여 감응된 태양전지의 메조포러스 필름을 통해 균등하게 투과 되지 않는 경향이 있다. 또한, 본 발명은 정공 전도체의 산화 문제를 해결한다. 정공 전도체의 산화는 안정성 문제를 일으키며 일관성 부족의 원인이 된다. 또한 본 발명은 종래 기술에서 사용된 전도체에서 관찰되는 낮은 정공 이동도의 문제를 해결하며, 이는 액체 전해질과 비교하여 낮은 것이다.

본 발명은 산업적으로 알려진 제조 공정에 기초하여 간단한 제조 과정을 수행하여 쉽게 구할 저렴한 재료를 사용하여, 효율적으로 신속하게 제조 할 수있는 효율적인 태양전지를 제공하는 것이다.

본 발명은 일정한 감응도를 갖는 태양전지에서 관찰된 안정도 문제를 해결한다.

본 발명은 신규한 고체 상태 태양전지를 제공한다. 이 태양전지는 특히 이들의 간단한 구조에 의해 이전에 알려진 태양전지와는 다르다. 이 같은 신규한 태양전지는 일반적으로 쉽게 구입할 수 있는 재료로 구성되며 경제적으로 제조될 수 있다. 이 같은 신규한 태양전지는 전해액 또는 정공(hole) 운반 물질 사용과 관련된 단점을 피할 수 있다.

본 발명의 한 특징과 관련하여, 본 발명은 전도 지지 층 그리고 표면 증가 발판 구조를 포함하는 고체-상태 태양전지를 제공하며, 하나 또는 둘 이상의 유기-무기 페로브스카이트층이 상기 발판 구조 위에 또는 상기 페로브스카이트 층 구조에 제공된 한 보호 층 위에 제공되고, 그리고 대향 전극 및/또는 금속 층이 상기 페로브스카이트 층과 전기적 접촉하여 제공된다.

본 발명의 한 특징으로, 본 발명은 전도성 지지 층 그리고 나노 구조 발판 층을 포함하는 고체-상태 태양전지를 제공하며, 하나 또는 둘 이상의 유기-무기 페로브스카이트 층은 상기 발판 층 위에 또는 상기 발판 구조 위에 제공된 선택적인 보호 층 위에 제공되며, 대향 전극 및/또는 금속 층이 상기 페로브스카이트 층과 전기 접촉하여 제공된다.

본 발명의 한 특징으로, 본 발명은 전도성 지지 층을 포함하는 고체 상태 헤테로 접합을 제공하며, 이 같은 전도성 지지 층 상에 표면-증가 발판 구조가 제공되고, 이 같은 발판 구조 위에 또는 이 같은 발판 구조 위에 제공된 선택적인 보호 층 위에 유기-무기 페로브스카이트 층이 제공된다.

본 발명의 또 다른 특징으로, 본 발명은 본 발명의 헤테로 접합을 포함하는 태양전지를 제공한다.

본 발명의 한 특징으로, 본 발명은 고체 상태 태양전지를 준비하는 방법을 제공하며, 이 같은 방법은:

- 전도성 지지 층을 제공하고, 그 위에 표면-증가 발판 구조를 제공하는 단계;

- 상기 발판 구조 위에 또는 상기 발판 구조 상에 제공될 수 있는 보호 층 위에 하나 또는 둘 이상의 유기-무기 페로브스카이트 층을 적용하는 단계; 그리고

- 대향 전극(counter electrode)을 적용하는 단계를 포함한다.

본 발명의 한 특징에서, 본 발명은 고정 상태 태양전지를 준비하는 방법을 제공하며, 이 같은 방법은:

- 전도성 지지 층을 제공하고, 그 위에 표면-증가 나노 구조 발판 층이 제공되는 단계;

- 상기 발판 구조 위에 또는 선택적으로 상기 발판 구조 위에 제공될 수 있는 보호 층 위에 하나 또는 둘 이상의 유기-무기 페로브스카이트 층을 적용하는 단계; 그리고

- 대향 전극(counter electrode)을 적용하는 단계를 포함한다.

본 발명의 한 특징에서, 본 발명은 나노 구조 발판 층 위에 유기-무기 페로브스카이트 층을 적용하는 단계를 포함하는 헤테로 접합을 준비하는 방법을 제공한다.

본 발명의 다른 특징 및 바람직한 실시 예는 다음 상세한 설명 및 청구범위에서 제공된다. 본 발명의 이 같은 특징 및 장점은 다음 제공되는 바람직한 실시 예로부터 당업자에 의해 용이하게 실시할 수 있는 것이다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 태양전지의 장치 구조(A) 그리고 본 발명의 실시 예에 따른 CH₃NH₃PbI₃/TiO₂헤테로 접합에 기반을 둔 태양전지의 에너지 레벨 다어어그램(B)을 개략적으로 도시하는 도면.
도 2: A는 본 발명의 실시 예에 따라 하기 실시 예에서 준비된 유기 리드 할라이드(organo lead halide) 헤테로 접합 태양전지의 단면을 도시하는 것이며 전자 현미경에 의해 얻어진 이미지이며; B는 유리 위에서(아래쪽 빨강 곡선) 그리고 메조 포러스 TiO₂필름 위에서(상측 파랑 곡선)CH₃NH₃PbI₃의X-레이 회절(XRD) 패턴을 도시하는 도면.
도 3은 0.1 및 1 태양 조명하에서 리드 요드화 페로브스카이트/ TiO₂ 헤테로 접합 태양전지의 J-V 특징(A)을 도시하며, 제1 장치의 IPCE 스펙트럼(B)을 도시하는 도면.
도 4는 1 태양 조명(A) 하에서 태양전지 리드 요드화 페로브스카이트/TiO₂ 헤테로 접합 태양전지의 J-V 특징(A)을 도시하며, 최적 장치의 IPCE 스펙트럼(B)을 도시하는 도면.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따라 사용된 유기-무기 페로브스카이트 구조를 개략적으로 도시하며, 이들 구조 내에서 발생되는 가능한 에너지-레벨 도면(A 또는 B)을 도시하는 도면.

본 발명은 헤테로 접합, 태양전지 그리고 헤테로 접합과 태양전지를 제조하는 방법을 제공한다. 본 발명의 헤테로 접합은 태양전지, 특히 본 발명의 태양전지에서 사용될 수 있다. 본원 명세서에서, 이 같은 헤테로 접합을 포함하는 태양전지와 이 같은 태양전지의 제조가 상세히 설명된다.

본 발명의 실시 예에 따라, 본 발명의 태양전지는 지지 층을 전도함을 포함하며, 그 위에서 표면-증가 발판 구조(surface-increasing scaffold structure)가 제공되고, 유기-무기 페로브스카이트 층이 상기 발판 구조 위에 제공되며, 그리고 대향 전극 및/또는 금속 층이 상기 페로브스카이트 층과 전기적 접촉하여 제공된다. 한 실시 예에 따라, 전도성 지지 층, 발판 구조, 페로브스카이트 층 그리고 대향 전극이 본 발명의 태양전지 한 측면으로부터 다른 한 측면으로 이 같은 순서로 존재한다. 보호 층 및/또는 정공 운반 층이, 예를 들면 본 명세서에서 설명되는 바와 같이, 상기 층들 사이 적절한 위치에 존재하기도 하고 존재하지 않기도 한다.

본 발명의 태양전지는 전도 지지 층을 포함하는 것이 좋다. 이 같은 전도성 지지 층은 투명한 것이 좋다. ＂투명＂이라 함은 가시광선 적어도 일부, 바람직하게는 가시광선 대부분에 투명함을 의미한다. 바람지하게, 상기 전도성 지지 층은 모든 파장 또는 종류의 가시광선에 투명하다. 또한, 이 같은 전도성 지지 층은 예를 들면 UV 및 IR 방사선과 같은 비-가시 광선에 투명할 수 있다.

한 실시 예에 따라, 전도성 지지 층은 본 발명 태양전지의 지지 층을 제공한다. 바람직하게, 태양전지는 상기 지지 층 상에 만들어진다. 또 다른 실시 예에 따라, 태양전지의 지지 층이 대향 전극의 측면 상에 제공된다. 이 같은 경우, 상기 전도성 지지 층(도 1에서 부호 1)은 장치의 지지 부를 제공할 필요는 없으며, 가령 금속 포일과 같이 전류 콜렉터 이거나 이를 포함할 수 있다.

전도성 지지 층은 태양전지로부터 얻어진 전류를 수집하는 전류 콜렉터로서 작용하거나 이 같은 전류 콜렉터를 포함할 수 있다.

예를 들면, 전도성 지지 층은 인듐 도핑 된 주석 산화물(ITO), 불소 도핑 주석 산화물(FTO)은, ZnO-Ga₂O₃, ZnO-Al₂O₃, 주석-산화물, 안티몬 도핑 된 주석 산화물 (ATO), SrGeO₃및 아연 산화물로부터 선택된 물질을 포함하며, 바람직하게는 플라스틱이나 유리 등 투명 기판 상에 도포된다. 이 경우, 플라스틱 또는 유리는 상기 층의 지지 구조를 제공하며, 상기 전도성 재는 전도도를 제공한다. 이 같은 지지 층은 전도성 유리 및 전도성 플라스틱 각각으로 알려져 있으며, 이는 따라서 본 발명에 따른 바람직한 전도성 지지 층이다. 한 실시 예에 따라, 상기 전도성 지지 층은 전도성 투명 층을 포함하며, 이는 전도성 유리 그리고 전도성 플라스틱으로부터 선택될 수 있다.

현재의 콜렉터는 또한 티타늄 또는 아연 포일과 같은 전도성 금속 포일에 의해 제공된다. 비-투명 전도성 재는 장치에 의해 캡쳐될 광선에 노출되지 않는 장치의 측면에서 전류 콜렉터로서 사용될 수 있다. 이 같은 금속 포일은 가령 Seigo Ito et al., Chem. Commun. 2006, 4004-4006에서 개시된 것과 같은 유연한 장치에서 사용되어 왔다.

본 발명의 실시 예에 따라, 표면 증가 발판 구조가 상기 전도성 지지 구조 상에 제공되거나 또는 상기 발판 구조에 제공될 수 있는 보호 층 상에 제공된다.

본 발명의 태양전지 및 헤테로 접합의 실시 예에 따라, 상기 표면 증가 발판 구조는 나노 구조 및/또는 나노 다공성이다. 따라서 상기 발판 구조는 나노 스케일로 구성되는 것이 좋다. 상기 발판 구조의 구성은 상기 전도성 지지 표면과 비교하여 효과적으로 표면을 증가시킨다.

상기 발판 재료는 다양한 다른 재료로부터 선택된 하나 또는 조합으로부터 만들어진다. 한 실시 예에 따라, 본 발명의 태양전지 및/또는 헤테로 접합의 표면 증가 발판 구조는 반도체 재, 전도성 재, 비-전도성 재 그리고 이들 둘 또는 그 이상의 상기 언급된 재료들 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된다.

한 실시 예에 따라, 상기 발판 구조는 금속 산화물로부터 만들어지거나 금속 산화물을 포함한다. 예를 들면, 상기 발판 구조의 재는 Si, TiO₂, SnO₂, Fe₂O₃, ZnO, WO₃, Nb₂O₅, CdS, ZnS, PbS, Bi₂S₃, CdSe, CdTe, SrTiO₃, GaP, InP, GaAs, CuInS₂, CuInSe₂, 그리고 이들의 조합과 같은 반도체 재로부터 선택된다. 바람직한 반도체 재는 가령 Si, TiO₂, SnO₂, ZnO, WO₃, Nb₂O₅ 및 SrTiO₃이다.

그러나, 발판 구조의 재는 반전도성 이거나 전도성 일 필요가 없으며, 실제로는 비-전도성 및/또는 절연 재로부터 만들어 질 수 있다. 예를 들면, 발판 구조는 플라스틱으로부터, 가령 플라스틱 나노 입자로부터 만들어질 수 있으며, 이들 입자 들은 가열 및/또는 가교에 의해 전도성 지지 부(conducting support) 위에서 어셈블되고 고정된다. 전도성 기판 상에 증착된 서브-마이크로미터 크기의 폴리스티렌(PS) 구형은 비 전도성 발판 구조의 예로서 인용될 수 있다.

발판 구조가 비-전도성 재로 만들어지거나 이 같은 재를 포함하는 경우, 가령 페로브스카이트 층과 같은 다음 층과 전도성 지지 부 사이의 전기적 연결이 보장되어야 한다. 이는 예를 들면, 페로브스카이트 층을 전도성 지지 부와 집적 접촉하도록 허용하거나, 전도성 지지 부 및/또는 발판 구조 상에 제공되는 보호 층과 직접 접촉하도록 허용함에 의해 직접 접촉 달성 될 수 있다. 이와 관련하여, 상기 발판 구조는 전도성 지지 표면을 완전하게 커버하는 층을 형성하여야 하는 것은 아니다. 상기 발판은 상기 전도성 지지 부 상에 적용되는 나노 입자들에 의해 형성될 수 있으며, 이때 상기 전도성 지지 부는 완전히 커버되어야 하는 것은 아니다.

비-전도성 발판 구조를 또한 생각해 볼 수 있는데, 이는 전기적으로 전도성 이거나 반 전도성 재의 층으로 코팅된다. 이 같은 코팅은 충분히 얇아서 발판 구조의 오리지널 나노 구조 및/또는 나노 다공성 구조를 유지할 수 있도록 한다. 예를 들면, 전기적으로 전도성 및/또는 반 전도성 코팅은 상기 전도성 지지 부와 전기적 접촉할 수 있다. 본원 명세서에서 논의되는 보호 층은 발판 구조에서 적용될 수 있는 얇은 층이며 비 제한적인 예이다.

마지막으로, 상기 발판 구조는 또한 가령 금속으로부터 및/또는 전도성 폴리머로부터와 같은 전도성 재로부터 만들어질 수 있다.

한 실시 예에 따라, 본 발명의 태양전지 및/또는 헤테로 접합의 표면-증가 발판 구조는 나노 입자를 포함하며, 이는 상기 지지 층에서 적용되거나 이 같은 지지 층에서 고정된다. 본원 명세서에서 ＂나노 입자＂는 특히 소위 나노 시트와 같은 형태를 갖는 입자를 포함한다. 아나타제 형 TiO₂로부터 만들어진 나노 시트는 Etgar et al., Adv. Mater. 2012, 24, 2202-2206 에 의해 보고되었다.²⁰

상기 발판 구조는 또한 가령 염료 감응형(dye-sensitized) 태양전지에서 다공성 반도체(가령 TiO2) 표면의 준비를 위해 사용되는 스크린 프린팅 또는 스핀 코팅에 의해 준비될 수 있기도 하다. Thin Solid Films 516, 4613-4619 (2008) 또는 Etgar et al., Adv. Mater. 2012, 24, 2202-2206 참고할 수 있다. 나노 다공성 반도체 구조 및 표면은 가령 EP　0333641 및 EP　0606453에서 개시된다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 발판 구조는 나노 입자, 특히 나노 시트로부터 준비되며, 이 같은 나노 입자 및/또는 나노 시트는 더욱 어닐링되는 것이 좋다. 상기 나노 입자는 2 내지 300 nm의 범위 크기를 가지며, 3 내지 200 nm 인 것이 좋고, 4 내지 150 nm인 것이 더욱 좋으며, 5-100 nm 인 것이 가장 바람직하다. 나노 입자와 관련하여 ＂크기＂ 또는 ＂사이즈＂는 구형 이나 타원형 입자 인 경우 직경, 또는 나노 시트 인 경우 길이 및 두께를 포함하여 공간의 어느 방향으로든 최대의 범위를 의미하는 것이다. 나노 입자의 크기(사이즈)는 투과 전자 현미경(TEM) 및 Etgar ²⁰등에 의해 개시된 바와 같은 선택된 영역의 전자 회절 (SAED)에 의해 결정된다.

한 실시 예에 따르면, 표면-증가 발판 구조는 나노 구조 및/또는 나노 다공성이다.

한 실시 예에 따라, 상기 발판 구조의 그램 당 표면적 비는 20 내지 200 m²/g, 바람직하게는 30 내지150　m²/g, 그리고 가장 바람직하게는60 내지120 m²/g이다.

한 실시 예에 따르면, 상기 발판 구조는 연속적인 및/또는 완전한, 또는, 선택적으로 비-연속적 및/또는 완전하지 않은 층을 상기 지지 층 상에 형성시킨다. 한 실시 예에 따라, 상기 발판 구조는 10 내지 2000　nm, 바람직하게는 15 내지1000　nm, 더욱 바람직하게는 20 내지 500　nm, 더욱 바람직하게는 50 내지 400　nm 그리고 가장 바람직하게는 100 내지 300　nm이다. 이 같은 목적으로, ＂연속적인 층＂ 또는 ＂완전한 층＂은 전도성 지지 부를 완전히 커버하여, 페로브스카이트 층(또는, 적용 가능하다면, 보호 층)과 전도성 지지 부 사이에 어떠한 접촉도 일어나지 않도록 하는 층이다. 만약 발판 층이 비-연속적이고 및/또는 완전하지 않게 상기 전도성 지지 층 상에 제공된다면, 페로브스카이트 층은 상기 전도성 지지 층과 직접 접촉할 수 있다. 그러나, 가령 비-연속적, 발판 층과 전도성 지지 층, 가령 본원 명세서에서 개시되는 보호 층 사이에 또 다른 층을 둘 수 있다. 이 같은 경우, 페로브스카이트 층과 상기 전도성 지지 부 사이의 직접적인 접촉이 피하여질 수 있다.

바람직한 실시 예에 따르면, 상기 표면-증가 발판 구조는 상기 전도성 지지 층 상에 제공된다. 그러나, 본 발명은 상기 발판 구조와 전도성 지지 부 사이 하나 또는 둘 이상의 중간 층이 있을 가능성을 배제하지 않는다. 이 같은 중간 층이 존재한다면, 이는 전도성 및/또는 반 전도성인 것이 좋다.

한 실시 예에 따라, 본 발명의 헤테로 접합 및/또는 태양전지는 유기-무기 페로브스카이트 층을 포함한다. 상기 헤테로 접합 및/또는 태양전지는 같거나 상이한 하나 또는 그 이상의 층을 포함한다.

본원 명세서에서, ＂페로브스카이트＂는 페로브스카이트 재, CaTiO₃ 를 의미하는 것이 아니라 ＂페로브스카이트 구조＂를 의미하는 것이다. 본원 명세서에서, ＂페로브스카이트＂는 칼슘 티타늄 산화물과 같은 타입의 수정 구조를 갖는 그리고 2가 양이온이 2개의 분리된 1가 양이온으로 대체되는 어떠한 재료도 포함하며 그와 같은 재료와 관련이 있다. 상기 페로브스카이트 구조는 일반 화학양론 AMX3을 가지며, 이때 ＂A＂ 및 ＂M＂는 양이온이고 ＂X＂는 음이온이다. ＂A＂와 ＂M＂ 양이온은 다양한 전하를 가질 수 있으며, 오리지널 페로브스카이트 미네랄(CaTiO₃)에서, A 양이온은 2가이고 M 양이온은 3가이다. 본원 발명에서, 페로브스카이트는 화학식은 본원 명세서에서 개시되는 화학식에 따라, 같거나 다를 수 있는 3개 또는 4개 음이온, 및/또는 1개 또는 2개의 유기 양이온, 및/또는 2개 또는 3개 양 전하를 갖는 금속 원자를 갖는 구조를 포함한다.

유기-무기 페로브스카이트는 유기 합성 및 무기 결정의 결합 특성을 나타내는 복합 물질이다. 무기 성분은 높은 캐리어 이동도를 제공하는 공유 결합 및 이온 상호 작용에 의해 결합된 프레임 워크를 형성한다. 유기 성분은 이 같은 재료의 셀프-어셈블리 처리에서 도움이 되며, 다른 유기 재료와 같은 저가 기술에 의해 상기 복합 물질이 증착될 수 있도록 한다. 상기 유기 성분의 다른 중요한 특징은 차원을 축소시키고 무기 시트들 사이의 전자 결합을 줄임에 의해 유기-무기 재의 전자적 특성을 조정하는 것이다.

유기-무기 페로브스카이트의 구조는 다중 층 양자 우물 구조와 유사하며, 반도체 무기 시트는 큰 에너지 갭을 갖는 유기 층과 교대한다(도 5). 도 5A는 무기 층의 전도 대역이 유기 층의 전도 대역 아래에 있는 때 한 가능성을 도시하며, 무기 층의 밸런스 대역은 유기 층의 상기 대역과 유사하다. 따라서, 상기 무기 시트는 전자와 정공 모두를 위해 양자 우물로서 작용한다.

또 다른 선택은 유기 및 무기 층의 대역 갭이 도 5B에서 설명된 바와 같이 오프셋 될 수 있는 때이며, 전자와 정공을 위한 우물이 다른 층에 있는 타입 II 헤테로 구조를 만들게 된다.

유기-무기 페로브스카이트의 이와 같은 구조는 감응기로서 이들의 사용을 허용하며, 상기 감응기는 발판 구조로 및/또는 전도성 지지 부로 인젝트할 수 있으며, 동시에 정공 전도체로서 작용할 수 있다.

하나 또는 둘 이상의 페로브스카이트 층에서 사용되는 상기 유기-무기 페로브스카이트 재는 아래 식, (I), (II), (III), 및/또는 (IV) 중 어느 하나에 따른 분자 구조를 갖는 것이 좋다:

여기서 A는 1가 유기 양이온이고 B는 2가 유기 양이온이다. 바람직하게, A와 B는 N, O 및 S로부터 선택된 또 다른 이종 원자 외에, 15개까지의 탄소, 1 내지 20 개 이종 원자(A에 대한) 그리고 2 내지 20 개 이종 원자(B에 대한), 특히 하나 또는 2개의 양 전하 하전 니트로겐 원자, 각 각으로 구성된 탄화수소로부터 선택된다.

M는 금속 원자로서, Cu²⁺, Ni²⁺, Co²⁺, Fe²⁺, Mn²⁺, Cr²⁺, Pd²⁺, Cd²⁺, Ge²⁺, Sn²⁺, Pb² ⁺, Eu² ⁺, 또는 Yb² ⁺ 의 그룹으로부터 선택되는 금속원자이다. 바람직하게, M 는 Sn² ⁺ 또는Pb² ⁺이다. N는 3가 금속이며, Bi³ ⁺ 및 Sb³ ⁺ 의 그룹으로부터 선택되는 것이 좋다.

X는 음이온 화합물이고, Cl^-, Br^-, I^-, NCS^-, CN^-, NCO^-, 그리고 이들의 조합으로부터 독립적으로 선택되는 것이 좋다. 식(II)에는 3개의 X가 있을 수 있으며, 페로브스카이트 재는 각기 다른 할로겐 조합으로 구성된다. ＂X₃"는 예를 들면 I₂Cl^-3, IBr^-3, Cl₂I^-3, Br₂I^-3로부터 선택될 수 있다. "X₄"에서의 4개 음이온은 또한 각기 다른 할로겐의 조합일 수 있다. 바람직하게, X는 Br^- 또는 I^- 이다.

바람직한 실시 예에 따라, "X₃" 및 "X₄"에서 모든 음이온은 동일하다.

바람직한 실시 예에 따라, 상기 유기-무기 페로브스카이트 층은 아래 식, (I), (II), (III), 및/또는 (IV) 중 한 페로브스카이트 - 구조를 포함한다,

여기서, A는 N-함유 헤테로 고리 및 고리 시스템을 포함한 일차, 이차, 삼차 또는 사차 암모늄 화합물로부터 선택된 유기 1가 양이온이며, 1 내지 15 개의 탄소와 1 내지 20 개의 이종 원자를 가지며;

B는 1 내지 15 개의 탄소 및 2~20 개의 이종 원자를 갖는 2개의 양으로 대전된 질소 원자를 가지는 1 차, 2 차, 3차 또는 4 차 암모늄 유기 화합물로부터 선택되는 유기 2가 양이온이고;

M는 Cu²⁺, Ni²⁺, Co²⁺, Fe²⁺, Mn²⁺, Cr²⁺, Pd²⁺, Cd²⁺, Ge²⁺, Sn²⁺, Pb²⁺, Eu²⁺, 또는 Yb²⁺으로 구성된 그룹으로부터 선택된 디벌런트 금속 양이온이며;

N는 Bi³⁺ 및 Sb³⁺으로 구성된 그룹으로부터 선택되고; 그리고

상기 제3 또는 제4 X는 l^-, Br^-, I^-, NCS^-, CN^-, 및 NCO^-로부터 독립적으로 선택된다.

M 그리고 N는 팔면체 음이온 코오디네이션을 채택할 수 있는 금속 이온인 것이 좋다.

바람직하게, X는 Br^- 및 I^-로부터 선택되며, 그리고 M는 Sn²⁺ 또는Pb²⁺이다.

한 바람직한 실시 예에 따라, 페로브스카이트 재는 하나 또는 둘 이상의 식(I) 내지 (III), 바람직하게 (II)으로부터 선택된다.

바람직한 실시 예에 따라, 상기 유기-무기 페로브스카이트 층(4)은 식 (V), (VI), (VII), (VIII), (IX) 및 (X) 중 하나의 페로브스카이트-구조를 포함한다;

여기서 A, B, 및 X는 본 명세서에서 정의된다. 바람직하게, X는 Br^- 및 I^-로부터 선택되며, 가장 바람직하게 X는 I^-이다.

바람직한 실시 예에 따라, 상기 유기-무기 페로브스카이트 층은 상기 식 (V) 내지 (VIII), 더욱 바람직하게는 (V) 및/또는 (VI)의 페로브스카이트-구조를 포함한다.

한 실시 예에 따라, 특히 식 (I) 내지(III), 그리고(V) 내지(VIII) 중 어느 하나에서, A는 하기 식(1) 내지 (8)의 화합물 중 하나로부터 선택된 1가 양이온이다:

여기서,

R¹, R², R³ 및 R⁴중 하나는 지방족 C1 내지 C15 및 방향족 C4 내지 C15 치환제로부터 독립적으로 선택되며, 상기 치환제 내의 하나, 여러 개 또는 모든 수소가 할로겐으로 대체될 수 있으며, 두 개 또는 그 이상의 탄소가 있다면, 상기 치환제 내 상기 탄소의 절반까지 N, S 또는 O 이종 원자에 의해 대체될 수 있고, 그리고 화합물(2) 내지 (8) 중 어느 하나에서, 두 개 또는 그 이상의 치환제가 서로 공유 연결되어 치환된 또는 치환되지 않은 고리 또는 고리 시스템을 형성하도록 한다.

본 발명의 한 실시 예에 따라, B는 다음 식(9) 및 (10)의 화합물 중 어느 하나로부터 선택된 2가 양이온이고;

여기서, 식(9)의 화합물에서, L는 1-10개 탄소를 갖는 지방족 또는 방향족 링커 구조이며, 상기 L에서 하나, 여러 개 또는 모든 수소가 할로겐으로 대체될 수 있고, 상기 L에서 탄소 절반 까지가 N, S, 또는 O 이종 원자에 의해 독립적으로 대체될 수 있으며;

R₁ 및 R₂중 어느 하나는 아래 치환제 (20) 내지 (25) 중 어느 하나로부터 독립적으로 선택되며;

여기서 치환제 (20) 내지 (25) 에서 점선은 상기 치환제가 링커 구조 L에 연결되는 결합을 나타내며;

R¹, R², 및 R³는 식 (1) 내지 (8)의 화합물과 관련하여 독립적으로 상기에서 정해진 바와 같고;

R₁ 및 R₂가 모두 치환제(20)와 다르다면, 이들은 적용가능에 따라 이들의 치환제 R¹, R², 및 R³들에 의해 서로 공유적으로 연결되며; 그리고

R¹, R², 및 R³중 어느 하나가, 만약 존재한다면, 치환제가 R₁ 또는R₂에 존재하는 가에 관계 없이 화합물(10)의 L 또는 고리 구조에 공유적으로 연결될 수 있고;

그리고 식(10)의 화합물에서, 상기 두 양으로 하전된 니트로겐 원자를 지니는 원은 4 내지 15개 탄소 원자 그리고 2 내지 7개 이종 원자를 포함하는 방향족 고리 또는 고리 시스템을 나타내며, 상기 니트로겐 원자는 상기 고리 또는 고리 시스템의 고리 이종 원자고, 그리고 R⁵ 및 R⁶는 H로부터 그리고 치환제로부터 R¹ 내지R⁴로서 독립적으로 선택된다. 수소를 치환하는 할로겐이 또한 전체적으로 또는 부분적으로 상기 2 내지 7 이종 원자에 추가하여 존재할 수 있다.

만약 L이 존재하지 않는다면, 상기 치환제 R₁ 및 R₂가 직접 연결되어, 하기 화합물(34)에 의해 도시되는 바와 같이, N-N 접합을 형성한다.

만약 탄소의 수가 L에서 손상되면, 이종 원자의 수는 탄소의 수 보다 더욱 작다. 바람직하게, 식(10)의 고리 구조에서, 고리 이종 원자의 수는 탄소 원자의 수 보다 작다.

한 실시 예에 따라, 식(9)의 화합물에서, L는 1-8개 탄소를 갖는 지방족 또는 방향족 링커 구조이며, 상기 L에서 하나, 여러 개 또는 모든 수소가 할로겐으로 대체될 수 있고, 상기 L에서 0 내지 4개 탄소가 N, S, 또는 O 이종 원자에 의해 독립적으로 대체될 수 있다. 바람직하게, L는 1-6개 탄소를 갖는 지방족 또는 방향족 링커 구조이며, 상기 L에서 하나, 여러 개 또는 모든 수소가 할로겐으로 대체될 수 있고, 상기 L에서 0 내지 3개 탄소가 N, S, 또는 O 이종 원자에 의해 독립적으로 대체될 수 있다.

한 실시 예에 따라, 식(9)의 화합물에서, 상기 링커 L은 0 또는 S 이종 원자가 없다. 한 실시 예에 따라, L는 N, O 및/또는 S 이종 원자가 없다.

한 실시 예에 따라, 식(10)의 화합물에서, 상기 두 개의 양으로 하전된 니트로겐 원자를 포함하는 서클(원)은 4 내지 10 탄소 원자 및 2 내지 5개 이종 원자(상기 두 개의 고리 N-원자를 포함)를 포함하는 방향족 고리 또는 고리 시스템을 나타내는 것이다.

한 실시 예에 따르면, 화합물(10)의 상기 고리 또는 고리 시스템은 O 또는 S 이종 원자가 없다. 한 실시 예에 따라, 식(10)의 화합물 내 상기 고리 또는 고리 시스템은 상기 두 N-고리 원자 외에, 또 다른 N, O 및/또는 S 이종 원자가 없다. 이는 수소가 할로겐에 의해 치환되는 것을 배제하지 않는다.

당업자라면, 방향족 링커, 화합물, 치환제 또는 고리가 4 개 탄소를 포함하면, 1 이상의 이종 원자를 포함하며, 상기 방향족 화합물을 제공하도록 한다는 것을 이해할 것이다.

한 실시 예에 따라, R¹, R², R³ 및 R⁴중 하나는 지방족 C1 내지 C8 및 방향족 C4 내지 C8 치환제로부터 독립적으로 선택되며, 상기 치환제 내의 하나, 여러 개 또는 모든 수소가 할로겐으로 대체될 수 있으며, 두 개 또는 그 이상의 탄소가 있다면, 상기 치환제 내 상기 탄소의 절반까지 N, S 또는 O 이종 원자에 의해 대체될 수 있고, 그리고 동일한 양이온에 존재하는 두 개 또는 그 이상의 치환제가 서로 공유 연결되어 치환된 또는 치환되지 않은 고리 또는 고리 시스템을 형성하도록 한다.

한 실시 예에 따라, R¹, R², R³ 및 R⁴중 하나는 지방족 C1 내지 C6 및 방향족 C4 내지 C6 치환제로부터 독립적으로 선택되며, 상기 치환제 내의 하나, 여러 개 또는 모든 수소가 할로겐으로 대체될 수 있으며, 두 개 또는 그 이상의 탄소가 있다면, 상기 치환제 내 상기 탄소의 절반까지 N, S 또는 O 이종 원자에 의해 대체될 수 있고, 그리고 동일한 양이온에 존재하는 두 개 또는 그 이상의 치환제가 서로 공유 연결되어 치환된 또는 치환되지 않은 고리 또는 고리 시스템을 형성하도록 한다.

한 실시 예에 따라, R¹, R², R³ 및 R⁴중 하나는 C1 내지 C4, 바람직하게는 C1 내지 C3, 그리고 가장 바람직하게는 C1 내지C2 지방족 치환제로부터 독립적으로 선택되며, 상기 치환제 내의 하나, 여러 개 또는 모든 수소가 할로겐으로 대체될 수 있으며, 그리고 동일한 양이온에 존재하는 두 개 또는 그 이상의 치환제가 서로 공유 연결되어 치환된 또는 치환되지 않은 고리 또는 고리 시스템을 형성하도록 한다.

한 실시 예에 따라, R¹, R², R³ 및 R⁴중 하나는 C1 내지 C10 알킬, C2 내지 C10 알케닐 및 C2 내지 C10 알키닐로부터 독립적으로 선택되며, 상기 알킬, 알케닐 및 알키닐은 이들이 3개 또는 그 이상의 탄소를 갖는 경우, 직쇄, 측쇄 또는 고리 형이며, 상기 여러 또는 모든 수소 치환기가 할로겐 원소로 대체될 수 있다.

한 실시 예에 따라, R¹, R², R³ 및 R⁴중 하나는 C1 내지 C8 알킬, C2 내지 C8 알케닐 및 C2 내지 C8 알키닐로부터 독립적으로 선택되며, 상기 알킬, 알케닐 및 알키닐은 이들이 3개 또는 그 이상의 탄소를 갖는 경우, 직쇄, 측쇄 또는 고리 형이며, 상기 여러 또는 모든 수소 치환기가 할로겐 원소로 대체될 수 있다.

한 실시 예에 따라, R¹, R², R³ 및 R⁴중 하나는 C1 내지 C6 알킬, C2 내지 C6 알케닐 및 C2 내지 C6 알키닐로부터 독립적으로 선택되며, 상기 알킬, 알케닐 및 알키닐은 이들이 3개 또는 그 이상의 탄소를 갖는 경우, 직쇄, 측쇄 또는 고리 형이며, 상기 여러 또는 모든 수소 치환기가 할로겐 원소로 대체될 수 있다.

한 실시 예에 따라, R¹, R², R³ 및 R⁴중 하나는 C1 내지 C4 알킬, C2 내지 C4 알케닐 및 C2 내지 C4 알키닐로부터 독립적으로 선택되며, 상기 알킬, 알케닐 및 알키닐은 이들이 3개 또는 그 이상의 탄소를 갖는 경우, 직쇄, 측쇄 또는 고리 형이며, 상기 여러 또는 모든 수소 치환기가 할로겐 원소로 대체될 수 있다.

한 실시 예에 따라, R¹, R², R³ 및 R⁴중 하나는 C1 내지 C3, 바람직하게는 C1 내지 C2 알킬, C2 내지 C3, 바람직하게는 C2알케닐 및 C2 내지 C3, 바람직하게는 C2 알키닐로부터 독립적으로 선택되며, 상기 알킬, 알케닐 및 알키닐은 이들이 3개 또는 그 이상의 탄소를 갖는 경우, 직쇄, 측쇄 또는 고리 형이며, 상기 여러 또는 모든 수소 치환기가 할로겐 원소로 대체될 수 있다.

한 실시 예에 따라, R¹, R², R³ 및 R⁴중 하나는 C1 내지 C4, 바람직하게는 C1 내지 C3, 더욱 바람직하게는C1 내지 C2 알킬로부터 독립적으로 선택되며. 가장 바람직하게는, R¹, R², R³ 및 R⁴중 하나가 메틸이다. 다시 한번 상기 알킬은 완전히 또는 부분적으로 할로겐화 될 수 있다.

한 실시 예에 따라, A 및 B는 하나, 둘 또는 그 이상의 니트로겐 이종 원자를 포함하는 치환된 그리고 치환되지 않은 C5 내지 C6 고리로부터 각각 선택된 일가 또는 이가 양이온이며, 이 때 상기 니트로겐 원자의 하나(A의 경우) 또는 둘(B의 경우)이 양으로 하전된다. 이 같은 고리의 치환제는 할로겐으로부터 그리고 상기 정해진 바와 같이 C1 내지 C4 알킬, C2 내지 C4 알케닐 그리고 C2 내지C4 알키닐, 바람직하게는 상기 정해진 바와 같이 C1 내지C3 알킬, C3 알케닐 그리고 C3 알키닐로부터 선택된다. 상기 고리는 상기 고리 내 하나 또는 둘 이상의 탄소를 대체할 수 있는 또 다른 헤테로 원자를 더욱 포함할 수 있으며, 특히 헤테로 원자는 O, N 및 S로부터 선택될 수 있다. 2가 유기 양이온 B는 상기 식(10)의 화합물에 의해 예시되는 바와 같이 2개의 양으로 하전된 고리 N-원자를 포함한다. 이 같은 고리는 방향족이거나 지방족이다.

A 및 B는 또한 둘 또는 그 이상의 고리로 구성된 고리 계를 포함하며, 이들 중 하나 이상이 상기 정해진 바와 같이 치환되고 치환되지 않은 C5 내지C6이다. 식(10)의 화합물에서 타원으로 그려진 원은 예를 들면 둘 또는 그 이상의 고리를, 그러나 바람직하게는 두 개의 고리를 포함하는 고리 계이다. A가 두 개의 고리를 포함한다면, 또 다른 고리 이종 원자가 존재할 수 있으며, 이는 예를 들면 하전되지 않는 것이 바람직하다.

그러나, 한 실시 예에 따라, 유기 양이온 A 및 B는 하나(A의 경우), 둘(B의 경우) 또는 그 이상의 니트로겐 원자를 포함하지만, 하나 또는 둘 이상의 수소 원자 양이온 A 및/또는 B를 치환할 수 있는 할로겐 원소를 제외하고는, O 또는 S 또는 다른 이종 원자를 갖지 않는다.

A는 1개의 양으로 하전된 니트로겐 원자를 포함하는 것이 좋다. B는 2개의 양으로 하전된 니트로겐 원자를 포함하는 것이 좋다.

A와 B는 다음과 같이 식(30, 31)의 예시적인 고리 또는 고리 계로부터 선택될 수 있으며(A의 경우) 식(32, 34)으로부터 선택될 수 있다:

여기서 R¹ 및 R² 는 독립적으로 상기 정해진 바와 같으며, 그리고 R₃, R₄, R₅, R₆, R₇, R₈, R₉ 및 R₁₀ 는 R¹ 내지R⁴에 대하여 상기 정해진 바와 같이 H, 할로겐 및 치환제로부터 독립적으로 선택된다.

상기 유기 양이온 A와 B에서, 수소는 F, Cl, I, 및 Br, 바람직하게는 F 또는Cl와 같은 할로겐 원소로 치환될 수 있다. 이 같은 치환은 페로브스카이트 층(또는 층들)의 흡습성(hygroscopic properties)을 줄이며 따라서 본원 목적에 부합하는 것으로 판단된다.

본 발명의 방법에서, 페로브스카이트 층은 예를 들면 드롭 케스팅, 스핀-코팅, 딥-코팅 그리고 스페레이-코팅으로부터 선택된 하나 또는 둘 이상에 의해 적용될 수 있다.

한 실시 예에 따라, 본 발명의 태양전지 및/또는 헤테로 접합은 둘 또는 그 이상의 연속되는 유기-무기 페로브스카이트 층을 포함하며, 상기 연속되는 페로브스카이트 층이 동일하게 구성될 수 있거나 상기 둘 또는 그 이상의 층들이 다른 분자 구조 및/또는 조성을 가질 수 있다. 이와 같이 하여, 상기 페로브스카이트에 의해 달성될 수 있는 감지 및/또는 정공 운반과 같은 각기 다른 기능이 최적하게 되거나 미세-조정될 수 있다. 특히, 발판 구조와 접촉하고 있는 페로브스카이트 층(만약 보호 층이 상기 발판 구조 상에 제공되면(가령 ALD에 의해) 상기 보호층과 접촉하고 있는)이 감응기로서 그 특성이 최적화되는 것이 좋다. 반면, 상기 페로브스카이트 층 또는 대향 전극과 접촉하고 있는 층(또는, 보호 층이 상기 페로브스타이트 층과 대향 전극 사이에 적용된다면, 상기 페로브스카이트 층과 접촉하고 있는)이, 특히 유기 정공 운반 물질과 같은 또 다른 정공 운반 물질이 존재하지 않는 다면, 정공 운반 물질로서의 특성과 관련하여 최적화되는 것이 바람직하다.

만약 여러 개, 각기 다른 페로브스카이트 층이 있다면, 이 같은 각기 다른 페로브스카이트 구조는 각기 다른 조성을 가질 수 있다. 식 (I) 내지 (IX)의 구조에서 A, B, M, N 또는 X 중 하나 또는 둘 이상은 필요에 따라 다른 특성을 갖는 다른 페로브스카이트 층을 제공하도록 변경될 수 있다. 특히, A, B, M, N 또는X는 다음 층에서 변경되어 재료의 대역 갭(bandgaps)을 조정하도록 할 수 있다. 여전히 일반 식(I) 내지 (IX) 을 갖는 각기 다른 페로브스카이트 구조로 구성된 각기 다른 층들이 각 각의 층을 그 기능(감응기 또는 정공 전도체)에 가장 적합하도록 사용될 수 있다.

본 발명의 태양전지는 대향 전극을 포함하는 것이 좋다. 이 같은 대향 전극은 전지의 안쪽을 향하여 페로브스카이트를 마주하며, 기판이 존재한다면, 전지의 바깥 쪽을 향하여(바깥 쪽 방향으로) 기판을 마주한다. 대향 전극은 일반적으로 장치 안쪽을 향하여 전자를 제공하고 또는 정공을 채우는 데 적합한 촉매 활성 재를 포함한다. 따라서 상기 대향 전극은 Pt, Au, Ni, Cu, Ag, In, Ru, Pd, Rh, Ir, Os, C, 전도성 중합체 및 이들 중 둘 또는 그 이상 조합으로부터 (구성된 그룹으로부터) 선택된 하나 이상의 물질을 포함 할 수있다. 전도성 중합체는 예를 들면 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리벤젠, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌디옥시-티오펜, 폴리아세틸렌을 포함하는 중합체로부터 선택될 수 있다.

물론, 대항 전극과 가장 바깥 측 페로브스카이트 층 사이에 다음에 설명되는 보호 층이 있다면, 상기 대향 전극은 전지의 안쪽을 향하여 상기 보호 층을 마주하며, 이 같은 보호층이 다음에 전지 안쪽을 향하여 상기 페로브스카이트 층 또는 정공 전도 층을 마주한다(그 같은 층이 존재한다면).

상기 대향 전극은 통상적으로 페로브스카이트 층 상에 대향 전극 재를 열 증착하여 적용될 수 있다.

상기 대향 전극은 전류 콜렉터에 연결되는 것이 좋으며, 다음에 장치의 다른 반대 측에서 전도성 지지 부로서 외부 회로에 연결된다. 상기 장치의 반대 측에서처럼, 전도성 유리 또는 플라스틱과 같은 전도성 지지 부가 대향 전극에 전기적으로 연결된다. 이 같은 경우, 상기 장치는 두 대향된 지지 부 또는 보호 층을 가지며, 예를 들면, 이는 태양전지를 인케이스 한다.

본 발명의 태양전지는 고체 상태 태양전지인 것이 좋다. 전해질을 피함으로써, 용매 증발에 의한 손실, 전해질의 누출, 산화 환원 셔틀의 사용과 관련된 단점 같은 전해질의 단점이 피해질 수 있다.

한 실시 예에 따라, 본 발명 전지의 태양전지 및/또는 헤테로 접합은 페로브스카이트 층과 대향 전극 사이에 분리된, 비-페로브스카이트 정공 운반 물질 층이 거의 또는 완전히 없다. 바람직하게, 전체 장치는 유기 전하 (및/또는 정공) 운반 물질이 없거나 및/또는 유기 정공 운반 층이 없다. ＂유기 정공 운반 물질＂라 함은, 유기 화합물을 포함하는 어떠한 물질 또는 조성을 의미하며, 여기서 전하가 상기 유기 화합물을 가로질러 전자 또는 정공 운동(전자 이동)에 의해 운반되며, 상기 전자 화합물은 전도성이다. 유기 정공 운반 물질은 전하가 분자 확산에 의해 운반되는 전해질과는 다르다.

비-페로브스카이트 정공 운반 층이 없는 장치가 작동하는 것은 놀랍다. 전형적으로, 고체 상태, 감응기-기반 태양전지는 유기 정공 운반 물질을 사용하여 감응기로부터 정공을 제거하거나 대향 전극으로부터 감응기로 새로운 전자를 제공하도록 한다. 따라서 본 발명의 상기 태양전지는 그와 같은 유기 전하 운반 물질 층 없이 작용할 수 있다. 종래기술의 고체 상태 태양전지에서 자주 사용되는 유기 정공 운반 물질은 2,2＇,7,7＇-tetrakis(N,N-di-methoxyphenyamine)-9,9＇-spirobifluorene (Spiro-MeOTAD)이다.

바람직하게, 본 발명의 태양전지는 Spiro-MeOTAD이 없다. WO2007107961에서, 액체 유기 정공 전도체가 개시된다. 바람직하게, 본 발명의 태양전지는 WO2007107961에서 개시된 바와 같은 액체 정공 전도체가 없다.

한 실시 예에 따라, 상기 대향 전극 및/또는 금속 층은 상기 페로브스카이트 층과 직접 접촉하며 또는 상기 페로브스카이트 층으로부터 또 다른 층이나 매개체에 의해 분리되지 않는다. 그러나, 이는 1.5 nm 두께 까지의 금속 산화물 보호 층 가능성을 배제하지 않으며, 상기 보호 층은 본원 명세서에서 명시한 바와 같이 상기 대향 전극과 상기 페로브스카이트 층 사이에 제공될 수 있는 것이다. 바람직하게, 상기 대향 전극 및/또는 금속 층은 상기 페로브스카이트 층과 직접 접촉하며, 전자들이 상기 대향 전극으로부터 선택적으로 상기 보호 층을 가로질러 상기 물질로 이동한다.

또한, 비-페로브스카이트, 가령 유기 정공 운반 물질이 장치에 존재하지 않는 것이지만, 본 발명은 상기 정해지고 명시된 물질을 포함하는 무기 정공 운반 층 또는 유기 정공 운반 층과 같은 정공 운반 물질이 존재하는 태양전지를 포함한다. 유기 또는 무기 정공 운반 물질이 존재한다면, 페로브스카이트 층(들)과 대향 전극 사이에 제공되는 것이 바람직하다. 이 같은 실시 예에 따라, 유기 또는 무기 정공 운반 물질은 비-페로브스카이트 정공 운반 물질인 것이 좋다.

＂유기 정공 운반 물질＂, ＂유기 정공 운반 층＂, ＂유기 전하 운반 물질＂ 등에서 ＂유기＂라 함은 다른 화학 성분의 존재를 배제하는 것이 아니다. 또 다른 화학 성분은 (a) 하나 이상의 도펀트, (b) 하나 이상의 용매, (c) 이온 화합물과 같은 하나 이상의 다른 첨가제, 그리고 (d) 상기 성분의 조합으로부터 선택될 수 있다. 상기 유기 전하 운반 물질에서, 이 같은 또 다른 성분은 0-30wt.%, 0-20wt.%, 0-10wt.%, 가장 바람직하게 0-5wt.%의 양으로 존재한다.

한 실시 예에 따라, 본 발명의 태양전지 및/또는 헤테로 접합은 1.5nm 이하인 두께 , 바람직하게는1nm 이하인 두께를 가지며, Mg-산화물, Hf-산화물, Ga-산화물, In-산화물, Nb-산화물, Ti-산화물, Ta-산화물, Y-산화물 그리고 Zr-산화물로부터 선택된 물질을 포함하는 금속 산화물 층을 포함한다. Ga-산화물이 바람직하다. 상기 금속 산화물 층은 특히 ＂버퍼 층＂이며, 또한 페로브스카이트 물질과의 포토에 의해 발생된 전자의 재 조합을 줄이거나 막는 ＂보호 층＂으로 언급되기도 한다.

본 발명의 태양전지 한 실시 예에 따라, 상기 금속 산화물 층은 버퍼 층이며 원자층 증착(ALD)에 의해 상기 발판 구조 상에 제공된다. 2 내지 7, 바람직하게는 3 내지 5, 가장 바람직하게는 약 4 개 층이 ALD에 의해 증착되어 상기 보호 층을 제공하도록 한다. 따라서, 상기 금속 산화물 층은 금속 산화물 다중 층인 것이 좋다.

바람직하게, 상기 금속 산화물 층은 1.5 나노 미터(nm) 또는 그 이하(≤), 바람직하게는 ≤ 1.2 nm 그리고 가장 바람직하게는 ≤ 1 nm인 두께를 갖는다. 한 실시 예에 따라, 상기 금속 산화물 층은 0.2 내지0.8 nm, 바람직하게는 0.3 내지 0.7 nm, 가장 바람직하게는0.4 내지0.6　nm인 두께를 갖는다.

상기 금속 산화물 층 두께는 전도성 지지 층 및/또는 발판 구조 내로 광-여기 페로브스카이트 전자를 터널링하는 것이 여전히 가능하도록 하는 것이 바람직하다. 층의 일정한 두께가 초과되지 않는 다면 터널링은 가능하다. 이 같은 경우, 전자는 반도체 재로 전달되는 것이 막아지지 않거나 최소 또는 허용가능 범위로만 막아지기 때문에, 금속 산화물 층을 통과할 수 있다.

상기 정해진 바와 같은 금속 산화물 층인 보호 층은 2011년 12월 8일 제출되고, 공개번호가 WO2013/084029인 계속 중인 국제출원 제 PCT/IB2011/055550호에서 개시된 바와 같으며, 이는 본원 명세서에서 참고로 인용된다. 계속 중인 상기 국제 출원 제PCT/IB2011/055550호에서 차단 및/또는 절연 층으로 언급되기도 한 상기 보호 층은 전하 운반 매체에서 정공 또는 산화된 종(species과 반도체 물질 내에서 광 발생 전자의 재 조합)(특히 산화 환원 커플)을 줄이는 데 접합하도록 선택된다.

본 발명의 태양전지는 상기 설명된 바와 같은 보호 층(들)과는 독립하여 선택된 0, 1, 2 또는 그 이상의 보호 층을 포함한다. 한 실시 예에 따라, 보호 층은 발판 구조와 페로브스카이트 사이에 제공된다. 하나 이상의 페로브스타이트 층이 있다면, 상기 보호 층은 상기 발판 층과 가장 안쪽 페로브스카이트 층 사이에 제공되는 것이 좋다. 본 발명의 장치에서 여러 개의 페로브스카이트 층이 있는 경우, 가장 안쪽의 페로브스카이트 층은 발판 구조에 가장 가까운 것이며 대향 전극으로부터는 가장 먼 것이고; 그리고 가장 바깥 측 페로브스카이트 층은 상기 발판 구조로부터 가장 먼 것이며 상기 대향 전극으로부터는 가장 가까운 것이다.

한 실시 예에 따라, 보호 층이 페로브스카이트 층과 대향 전극 사이에 제공된다. 여러 개의 페로브스카이트 층이 있다면, 보호 층이 가장 바깥 페로브스카이트 층과 대향 전극 사이에 제공되는 것이 좋다. 다시 말해서, 상기 대향 전극은 (가장 바깥 측) 페로브스카이트 층과 직접 접촉하거나 전지의 안쪽을 향하는 보호 층과 직접 접촉한다. 후자의 경우, 상기 보호 층은 (가장 바깥 측) 페로브스카이트 층과 접촉한다.

개략적으로, 본 발명의 태양전지는 다음 층들을 포함하거나 이들로 구성된다:

(2) 전도성 지지 부 및/또는 전하 콜렉터;

(3) 발판 구조;

(i) 선택적인 보호 층;

(4) 페로브스카이트 층;

(4.1-4.n) n 개의 선택적인 또 다른 페로브스카이트 층, n는 1 내지 10의 정수;

(ii) 선택적인 정공 전도체 층;

(iii) 선택적인 보호 층;

(5) 대향 전극.

본 발명의 방법은 상기 발판 구조 상에 하나 또는 둘 이상의 유기-무기 페로브스카이트 층을 적용하는 단계를 포함한다. 상기 페로브스카이트 층은 적절한 처리에 의해 적용될 수 있다. 한 실시 예에 따라, 하나 또는 둘 이상의 페로브스카이트 층들이 드롭 코팅, 스핀-코팅, 딥-코팅 및 스프레이-코팅 중 어느 하나 또는 이들의 조합에 의해 적용된다.

한 실시 예에 따라, 본 발명의 방법은 표면-증가 발판 구조가 그 위에 제공되는 전도성 지지 층을 제공하고; 상기 발판 구조 위에 또는 상기 발판 구조 상에 제공될 수 있는 보호 층 위에 하나 또는 둘 이상의 유기-무기 페로브스카이트 층을 적용하며; 그리고

대향 전극(counter electrode)을 적용하는 단계로 기본적으로 구성된다. 바람직하게, 이들 단계들은 이 같은 순서로 수행되며, 또 다른 단계가 이들 단계의 순서를 변경하지 않고, 이들 단계 전, 후 또는 이들 단계 내에서 수행된다.

본 발명 방법의 바람직한 실시 예에 따라, 상기 대향 전극은 상기 페로브스카이트 층 상에 적옹되며, 혹은 여러 개의 그와 같은 층들이 있다면, 상기 페로브스카이트 층들의 가장 바깥 측 상에 적용된다. 만약 정공 전도 물질이 사용된다면(가령, 유기 또는 무기), 이 같은 정공 전도 물질은 상기 가장 바깥 측 페로브스타이트 층과 상기 대향 전극 사이에 제공되는 것이 좋다. 이 같은 경우, 본 발명의 방법은 상기 정공 전도체 층 상에 대향 전극을 적용하는 단계를 포함한다.

한 실시 예에 따라, 본 발명의 방법은 보호 층들과 관련하여 본 명세서에서 제공된 설명에 따라, 하나 또는 둘 이상의 보호 층을 적용하는 하나 또는 둘 이상의 단계를 포함한다.

도 1A는 본 발명의 예시적인 태양전지(1)를 도시하며, 도면 부호 (2)는 전도성 지지 부를 나타내고, 이는 도시된 바와 같이 FTO 유리일 수 있으며, 도면 부호 (3)은 발판 구조를 나타내고, 도 1A에서 TiO₂로부터 만들어지는 것으로 표시되며, 도면 부호 (4)는 페도브스카이트 층을 나타내고, 도면 부호(5)는 대항 전극이며, 이는 도 1A에서 도시된 바와 같이 예시적으로 금속으로부터 만들어진다.

본 발명은 이제 실시 예에 대하여 설명될 것이다. 이들 실시 예들은 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 이는 청구범위에 의해 정해진다.

실시 예:

CH ₃ NH ₂ I 합성

CH₃NH₃I 이 250 mL 둥근 바닥 플라스크에서 0 ℃에서 2시간 교반하면서 30 mL 메틸아민(메탄놀 중 40%, TCI)과 32.3 mL 요오드화 수소산(물 중 57 wt%, Aldrich)을 반응시키어 합성되었다. 침전물은 50℃에서 로티-증기(roti-vapor)에 맑은 용액을 넣고 조심스럽게 용매를 제거하여 회수되었다. 황색 원료 제품 메암모늄 요드화물(methylammonium iodide)(CH₃NH₃I)은, 30 분 동안 용액을 교반하여 디에틸 에테르로 세척되고, 3 회 반복 한 다음 마지막으로, 디에틸 에테르와 에탄올의 혼합 용매로부터 재결정되었다. 여과 후, 고체를 수거하고, 24 시간 동안 진공 오븐에서 60 ℃로 건조되었다.

TiO ₂ 나노 시트 의 합성 및 정화

나노 시트의 합성은 전형적인 실험 과정³¹에 의해 수행된다. 30 nm의 측면 길이 그리고 7 nm의 두께를 갖는 잘 정해진 장방형 시트 형 구조를 만들기 위해, 180 ℃ 에서 24시간동안 유지된 150 mL의 건조된 테프론 오토클레이브(Teflonautoclave)에서 Ti(OBu)4 (10 mL, 98%)와 불화수소산(0.8 mL, 47%) 용액이 혼합된다. 상기 반응이 실온으로 냉각된 뒤에, 흰색 분말이 고속 원심분리에 의해 분리되고 에탄올과 뒤이어 증류수로 수회 세척되었다.

주의; 불산은 매우 부식성이 높으며 접촉에 의해 독성을 갖는다. 처리시 주의를 요한다! 불산 용액은 사용시 테프론 용기에 저장한다.

태양전지 생산

~100 nm 두께의 엷은 밀도 TiO₂층이 SnO₂:F 전도 유리 기판(15Ω/cm, Pilkington)위로 분무 열분해 법³²에 의해 증착 된다. TiO₂ 콤팩트 층의 증착 온도는 450 ℃이었다. TiO₂콤팩트 층의 증착 온도는 450 ℃이었다. 나노 다공성 TiO₂ 박막(~ 0.5 μm 두께)은 001 지배적 각면(dominant facets)을 갖는 TiO₂나노 시트를 사용하여 이 같은 기판 상으로 스핀 코팅에 의해 준비되었다. TiO₂층은 500 ℃에서 30분동안 어닐링 되었다. 이 같은 기판은 70 ℃ 에서 30분 동안 40 mM TiCl₄ 수용액에 담가졌으며 증류수와 에탄올로 세척한 다음 500 ℃ 에서 30분 동안 공기 중에서 어닐링 되었다.

TiO₂표면에서 CH₃NH₃PbI₃의 합성은 TiO₂박막에 글러브 박스에서 스핀 코팅 (2000 rpm, 30 sec)에 의해 γ- 부티로 락톤(butyrolactone)과 박막 형성 내 CH₃NH₃I 과 PbI₂의 40 wt% 프리커서 용액을 떨어뜨림으로써 수행되었다.

TiO₂에서 코팅된 박막은 실온에서 건조시킴에 의해 그 색을 변경시켰으며, 고체 상태로 CH₃NH₃PbI₃ 형성을 표시한다. 상기 CH₃NH₃PbI₃박막은 100℃로 15분 동안 아르곤 하에서 어닐링 되었다.

마지막으로 대향 전극이 5×10^-5 Torr 의 압력하에서 골드(gold) 열 증발에 의해 증착 되었다. 활성 영역은 0.12 cm²이었다. 준비 후에, 전지가 공기 중에 노출되도록 허용되었다.

태양 광 특성

태양 광 측정은 450W 크세논 램프(모델 번호 81172, Oriel)가 장착 된 AM 1.5 태양 시뮬레이터를 사용하였다. 그 전력 출력은 IR-차단 필터(KG-3, Schott)가 장착된 기준 Si 광 다이오드를 사용하여 AM 1.5 글로벌 태양 광(100 mW/cm²)과 매치하도록 하여 시뮬레이터 광선과 AM 1.5(350-750 nm 영역에서) 사이의 미스매치를 두 PV 교정 기관[ISE (Germany), NREL (USA)]에서 입증된 측정에 따라 2% 이하로 줄이도록 조정되었다. I-V 곡선이 외부 바이어스를 전지에 적용시키고 발생된 광 전류를 Keithley model 2400 소스 미터를 사용하여 측정함에 의해 얻어졌다. 광 전류의 전압 단계 그리고 지연 시간은 각각 10 mV 및 40 ms이었다. 유사한 데이터 습득 시스템이 사용되어 단색성의 입사 광-전자 전류 변환 효율을 결정하도록 하였다. 완전한 컴퓨터 제어 하에서, 300 W 크세논 램프(ILC Technology, U.S.A.)로부터의 광선이 Gemini-180 더블 단색화 장치(double monochromator) (Jobin Yvon Ltd., U.K.)를 통하여 시험 중인 광 전지에 초점이 맞춰 졌다. 상기 단색화 장치는 IPCE (λ)) = 12400(Jsc/λφ)에 의해 정해지는 IPCE (λ)를 발생시키기 위해 가시 스펙트럼을 통해 증가 되었으며, 이때 λ는 파장, Jsc 는 단락 회로 광 전류 밀도(mA cm^-2), 그리고 φ 는 입사 복사 플럭스(mW cm^-2)이다. 광 전지 성능은 0.49 cm²구멍 면적을 갖는 금속 마스크를 사용하여 측정되었다.

상기 장치의 크로스 섹션은 250KX 5kV의 배율을 사용하는, Zeiss Jemini FEG-SEM에 의해 측정되었다.

결과

TiO₂ 표면에서 CH₃NH₃PbI₃ 의 합성은 TiO₂ 박막에 스핀 코팅에 의해 γ- 부티로 락톤(butyrolactone)과 박막 형성 내 CH₃NH₃I 과 PbI₂의 40 wt% 프리커서 용액을 떨어뜨림으로써 수행되었다. 은 메타놀 용액 및 재 결정화에서 40% 메틸아민과 반응함에 의해 HI로부터 합성되었다. TiO₂에서 코팅된 박막은 실온으로 건조하여 그 색을 변경시키며, 고체 상태에서 CH₃NH₃PbI₃형성을 나타낸다.

도 1A 및 1B는 장치 구조의 방법을 제공하며 그 에너지 레벨 다이어그램을 제공한다. CH₃NH₃PbI₃의 전도 및 밸런스 대역은 TiO₂및 골드 각각으로 전자 주입 및 정공을 허용한다. 저부 층은 전자 콜렉터로서 작용하는 노출된(001) 면 층들을 갖는 콤팩트한 TiO₂ 및 TiO₂나노시트로 구성된다. 광선은 CH₃NH₃PbI₃박막 필름에 의해 흡수되며, 이 같은 CH₃NH₃PbI₃박막 필름은 스핀 코팅 기술에 의해 만들어진다. 골드 접촉은 박막 필름 상부에서 CH₃NH₃PbI₃이 증착된다.

도 2A는 태양전지 단면의 높은 해상도 스캐닝 전자 현미경(HR-SEM) 이미지를 도시한다. 유기 리드 할라이드(organo lead halide) 페로브스카이트가 TiO₂ 나노 시트의 상부에 얇은 층으로 증착되기 때문에, TiO₂ 와 페로브스카이트 사이를 구분하는 것이 어렵다. 도 2B에서, B는 유리 위에서(아래쪽 빨강 곡선) 그리고 메조 포러스 TiO₂필름 위에서(상측 파랑 곡선)CH₃NH₃PbI₃의X-레이 회절(XRD) 패턴을 도시하는 도면이다. TiO₂에서 CH₃NH₃PbI₃ 의 XRD 패턴 피크는 글레스에서 CH₃NH₃PbI₃의 XRD 패턴 피크와 밀접하게 매치한다. 이들 피크는 CH₃NH₃PbI₃의 결정 형태와 일치한다.

도 3A는 10% 및 100% 태양 조명하에서 CH₃NH₃PbI₃의 헤테로 접합 태양전지의 J-V 특징(A)을 도시한다. 유기 납 페로브스카이트 헤테로 접합 태양전지는 0.631 V의 개방-회로 전압, 16.1mA cm^-2 의 단락 회로 전류 밀도, 그리고 100% 태양 세기하에서 5.5% 의 전력 변환 효율(PCE)에 해당하는 57% 채움 인수를 발생시킨다 (표1). 10% 태양 하에서 전력 변환 효율은 7.28%이며, J_sc는2.14 mA cm^- ² 이고_,채움 인수가 62%이며, 그리고 Voc가 0.565 V이다.

입사 광자 전류 변환 효율(IPCE)은 정해진 파장으로 입사 광자에 대한 추출된 전자의 비를 명시한다. 상기 IPCE 스펙트럼(도 3B)은 광선 파장의 함수로서 도시된다. 고체 상태(CH₃NH₃PbI₃) 헤테로 접합 태양전지는 800nm까지 가시광선 파장으로부터 좋은 응답을 보여주며, IPCE 스펙트럼이 400nm 내지 540nm 파장에서 최대 90%에 도달하며, 780nm 파장에 이를 때까지 감소한다. AM1.5이상 태양 방출에서 IPCE 스펙트럼의 집적이 16.2 mA/cm²의 광 전류 밀도를 발생시키며, 이는 측정된 값과 잘 부합하는 것이다.

페로브스카이트 전지의 광 전압 특성

태양 세기(Sun Intensity) (%)	Jsc (mA/cm2)	Voc(mV)	FF	η(%)
10	2.1	565.8	0.62	7.28
100	16.1	631.6	0.57	5.5

도 4A는 TiO₂ (CH₃NH₃PbI₃/TiO₂) 헤테로 접합 태양전지에서 납 페로브스카이트의 J-V 특징을 도시하며, 상기 전지의 아키텍쳐가 최적하게 된다. 이 같은 전지는 18.8 mA/cm²단락 회로 전류 밀도, 0.6의 채움 인수(FF) 그리고 1 태양 조명 하에서 8%의 전력 변환 효율에 도달하는 712 mV의 개방-회로 전압(Voc을 발생시킨다(표 2).

입사 광자-전류 효율(IPCE) 스펙트럼(도 4B)이 광 파장의 함수로서 도시된다. 최적 아키텍쳐를 갖는 고체 상태 CH₃NH₃PbI₃/TiO₂ 헤테로 접합 태양전지가 800 nm까지의 가시광선으로부터 양호한 응답을 제공한다. IPCE 스펙트럼은 400 내지 600 nm 광선 파장 범위에서 최대 약 80%에 도달한다. AM1.5 태양 방출에서 상기 IPCE 스펙트럼에 대한 인티그레이션은 18 mA/cm²광 전류 밀도를 발생시키며, 이는 측정된 값으로부터 계산된 전류 밀도와 잘 맞는다.

최적 아키텍쳐를 갖는 페로브스카이트 전지에 대한 태양 광 특성

태양 세기	Jsc (mA/cm2)	Voc(mV)	FF	η(%)
1	18.8	712.0	0.6	8.04

결론

요약하면, 유기 납 페로브스카이트는 정공 전도체 사용을 제거시킴으로써, 효과적인 감응기 그리고 정공 운반 물질로서 작용한다. 상기 페로브스카이트는 주위 공기에서 안정하고 저 비용 기술에 의해 증착될 수 있다. 이 같은 발명은 고 효율 저 비용 태양 광 전지의 길을 열며, 최적 아키텍쳐에 의해 더욱 개선될 수 있다.

참고 문헌

Claims

전도 지지 층 그리고 표면-증가 발판(surface-increasing scaffold) 구조, 하나 이상의 보호층, 하나 이상의 유기-무기 페로브스카이트층, 그리고 대향 전극 또는 금속 층을 포함하며, 상기 하나 이상의 유기-무기 페로브스카이트층이 상기 표면-증가 발판 구조 위에 또는 상기 표면-증가 발판 구조 상의 한 보호층 위에 제공되고, 상기 표면-증가 발판 구조가 반도체 물질을 포함하고 나노 구조 또는 나노 다공성인 고체 상태 태양 전지로서,
상기 표면-증가 발판 구조가 그램 당 표면적 비가 20 내지 200 m²/g 이며, 두께는 10 내지 2000 nm이고,
상기 대향 전극 또는 금속 층이 상기 페로브스카이트 층과 전기적 접촉하거나 상기 페로브스카이트 층과 대향 전극 또는 금속 층 사이의 보호층과 전기적 접촉하여 제공되고,
상기 보호층이 Mg-산화물, Hf-산화물, Nb-산화물, Ti-산화물, Ta-산화물, Y-산화물 그리고 Zr-산화물로부터 선택된 물질을 포함하는 금속 산화물 층이며, 1nm 이하인 두께를 가지며,
상기 태양 전지가 상기 페로브스카이트 층과 상기 대향 전극 또는 금속 층 사이에서 분리된, 비-페로브스카이트 정공 운반 물질 층을 갖지 않음을 특징으로 고체 상태 태양 전지.
삭제
제1 항에 있어서, 상기 유기-무기 페로브스카이트 층이 아래의 식 (I), (II) , (III), 또는 (IV) 페로브스카이트-구조를 포함하며,

여기서, A는 N-함유 헤테로 고리 및 고리 시스템을 포함한 일차, 이차, 삼차 또는 사차 암모늄 화합물로부터 선택된 유기 1가 양이온이며, 1 내지 15 개의 탄소와 1 내지 20 개의 이종 원자를 가지며;
B는 1 내지 15 개의 탄소 및 2~20 개의 이종 원자를 갖는 2개의 양으로 대전된 질소 원자를 가지는 1 차, 2 차, 3차 또는 4 차 암모늄 유기 화합물로부터 선택되는 유기 2가 양이온이고; .
M는 Cu²⁺, Ni²⁺, Co²⁺, Fe²⁺, Mn²⁺, Cr²⁺, Pd²⁺, Cd²⁺, Ge²⁺, Sn²⁺, Pb²⁺, Eu²⁺, 또는 Yb²⁺으로 구성된 그룹으로부터 선택된 디벌런트 금속 양이온이며;
N는 Bi³⁺ 및 Sb³⁺으로 구성된 그룹으로부터 선택되고; 그리고
X는 l^-, Br^-, I^-, NCS^-, CN^-, 및 NCO^-로부터 독립적으로 선택됨을 특징으로 하는 고체-상태 태양전지.
제1 항에 있어서, 상기 유기-무기 페로브스카이트 층은 다음 식 (V), (VI), (VII), (VIII), (IX) 또는 (X) 중 어느 하나의 페로브스카이트-구조를 포함함을 특징으로 하는 고체-상태 태양전지.

여기서, A는 N-함유 헤테로 고리 및 고리 시스템을 포함한 일차, 이차, 삼차 또는 사차 암모늄 화합물로부터 선택된 유기 1가 양이온이며, 1 내지 15 개의 탄소와 1 내지 20 개의 이종 원자를 가지며;
B는 1 내지 15 개의 탄소 및 2~20 개의 이종 원자를 갖는 2개의 양으로 대전된 질소 원자를 가지는 1 차, 2 차, 3차 또는 4 차 암모늄 유기 화합물로부터 선택되는 유기 2가 양이온이고; 그리고
X는 l^-, Br^-, I^-, NCS^-, CN^-, 및 NCO^-로부터 독립적으로 선택됨을 특징으로 하는 고체-상태 태양전지.
제3항 또는 4항에 있어서, X는 Br^- 또는 I^-로부터 선택됨을 특징으로 하는 고체-상태 태양전지.
제3항 또는 4항에 있어서, A가 다음 식(1) 내지 (8)의 화합물로부터 선택된 1가 양이온이며,

여기서, R¹, R², R³ 및 R⁴중 하나는 지방족 C1 내지 C15 및 방향족 C4 내지 C15 치환제로부터 독립적으로 선택되며, 상기 치환제 내의 하나, 여러 개 또는 모든 수소가 할로겐으로 대체될 수 있으며, 두 개 또는 그 이상의 탄소가 있다면, 상기 치환제 내 상기 탄소의 절반까지 N, S 또는 O 이종 원자에 의해 대체될 수 있고, 그리고 화합물(2) 내지 (8) 중 어느 하나에서, 두 개 또는 그 이상의 치환제가 서로 공유 연결되어 치환된 또는 치환되지 않은 고리 또는 고리 시스템을 형성하도록 함을 특징으로 하는 고체-상태 태양전지.
제3항 또는 4항에 있어서, B는 다음 식(9) 및 (10)의 화합물 중 어느 하나로부터 선택된 2가 양이온이고;

여기서, 식(9)의 화합물에서, L는 1-10개 탄소를 갖는 지방족 또는 방향족 링커 구조이며, 상기 L에서 하나, 여러 개 또는 모든 수소가 할로겐으로 대체될 수 있고, 상기 L에서 0 내지 5개 탄소가 N, S, 또는 O 이종 원자에 의해 독립적으로 대체될 수 있으며;
화합물(10) 내 고리는 상기 N-이종 원자 2개를 포함하여, 4내지 15개 탄소 그리고 2 내지 7개 이종 원자를 포함하는 지방족 또는 방향족 고리 또는 고리 시스템을 나타내는 것이고;
R₁ 및 R₂중 어느 하나는 아래 치환제 (20) 내지 (25) 중 어느 하나로부터 독립적으로 선택되며;

여기서 치환제 (20) 내지 (25) 에서 점선은 상기 치환제가 링커 구조 L에 연결되는 결합을 나타내며;
R¹, R², 및 R³는
여기서, R¹, R², 및 R³ 중 하나는 지방족 C1 내지 C15 및 방향족 C4 내지 C15 치환제로부터 독립적으로 선택되며, 상기 치환제 내의 하나, 여러 개 또는 모든 수소가 할로겐으로 대체될 수 있으며, 두 개 또는 그 이상의 탄소가 있다면, 상기 치환제 내 상기 탄소의 절반까지 N, S 또는 O 이종 원자에 의해 대체될 수 있고,
R₁ 및 R₂가 모두 치환제(20)와 다르다면, 이들은 적용가능에 따라 이들의 치환제 R¹, R², 및 R³들에 의해 서로 공유적으로 연결되며; 그리고
R¹, R², 및 R³중 어느 하나가 만약 존재한다면, 치환제가 R₁ 또는R₂에 존재하는 가에 관계 없이 화합물(10)의 L 또는 고리 구조에 공유적으로 연결될 수 있고;
그리고 식(10)의 화합물에서, 상기 양으로 하전된 니트로겐 원자를 지니는 원은 4 내지 15개 탄소 원자 그리고 2 내지 7개 이종 원자를 포함하는 방향족 고리 또는 고리 시스템을 나타내며, 상기 니트로겐 원자는 상기 고리 또는 고리 시스템의 고리 이종 원자고, 그리고 R⁵ 및 R⁶는 H로부터 그리고 치환제로부터 R¹ 내지R⁴로서 독립적으로 선택됨을 특징으로 하는 고체-상태 태양전지.
삭제
삭제
제1 항에 있어서, 상기 표면-증가 발판 구조가 나노 입자를 포함하거나 이들로부터 준비됨을 특징으로 하는 고체-상태 태양전지.
제10 항에 있어서, 상기 나노 입자가 나노 시트임을 특징으로 하는 고체-상태 태양전지.
삭제
제1 항에 있어서, 둘 또는 그 이상의 연속되는 유기-무기 페로브스카이트 층을 포함하며, 상기 연속되는 페로브스카이트 층이 동일하게 구성될 수 있거나 상기 둘 또는 그 이상의 층들이 다른 분자 구조 또는 조성을 가짐을 특징으로 하는 고체-상태 태양전지.
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