KR102506443B1 - 페로브스카이트 화합물을 포함하는 광전 변환 소자 및 이를 포함하는 촬상 장치 - Google Patents

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Abstract

페로브스카이트 화합물을 포함하는 광전 변환 소자 및 이를 포함하는 촬상 장치가 개시된다.

Description

페로브스카이트 화합물을 포함하는 광전 변환 소자 및 이를 포함하는 촬상 장치{Photoelectric conversion device including perovskite compound and imaging device including the same}
본 발명은 페로브스카이트 화합물을 포함하는 광전 변환 소자 및 이를 포함하는 촬상 장치에 관한 것이다.
광전 변환 소자(photoelectric conversion device)는 광 신호를 전기 신호로 변환하는 소자를 말한다. 통상적으로, 광전 변환 소자는 광 신호를 전기 신호로 변환할 때, 예를 들어 광도전 효과 및 광기전력 효과와 같은 광전 효과를 이용하게 된다.
일 예로서, 광전 변환 소자는 촬상 장치에 이용될 수 있다. 촬상 장치는 광전 변환 소자들이 트랜지스터 상에 이차원적으로 배열되고, 각각의 광전 변환 소자에서 발생된 전기 신호를 수집하는 방식을 이용할 수 있다.
페로브스카이트 화합물을 포함하는 광전 변환 소자 및 이를 포함하는 촬상 장치를 제공하는 것이다. 상세하게는 전자 차단층 및 정공 차단층에 각각 페로브스카이트 화합물을 포함하는 광전 변환 소자 및 이를 포함하는 촬상 장치를 제공하는 것이다.
일 측면에 따르면, 제1도전층; 제2도전층; 상기 제1도전층 및 상기 제2도전층 사이에 개재된 광전 변환층; 상기 광전 변환층 및 상기 제1도전층 사이에 개재된 전자 차단층; 및 상기 광전 변환층 및 상기 제2도전층 사이에 개재된 정공 차단층을 포함하고,
상기 전자 차단층은 하기 화학식 1로 표시되는 제1페로브스카이트 화합물을 포함하고,
상기 정공 차단층은 하기 화학식 2로 표시되는 제2페로브스카이트 화합물을 포함하는, 광전 변환 소자가 제공된다:
<화학식 1>
[A1][B1][X1 (3-n)Y1 n]
상기 화학식 1 중,
A1는 적어도 1종의 1가 유기-양이온(at least one monovalent organic-cation), 1가 무기-양이온 또는 이의 임의의 조합(any combination thereof)이고,
B1는 적어도 1종의 2가 무기-양이온이고,
X1 및 Y1은 서로 독립적으로, 적어도 1종의 1가 음이온이고,
n은 0 ≤ n ≤ 3을 만족하는 실수이고,
<화학식 2>
[A2][B2][X2 (3-m)Y2 m]
상기 화학식 2 중,
A2는 적어도 1종의 1가 유기-양이온(at least one monovalent organic-cation), 1가 무기-양이온 또는 이의 임의의 조합(any combination thereof)이고,
B2는 적어도 1종의 2가 무기-양이온이고,
X2 및 Y2은 서로 독립적으로, 적어도 1종의 1가 음이온이고,
m은 0 ≤ m ≤ 3을 만족하는 실수이다.
다른 측면에 따르면, 제1도전층 상에 상기 화학식 1로 표시되는 제1페로브스카이트 화합물을 포함하는 전자 차단층을 형성하는 단계;
상기 전자 차단층 상에 광전 변환층을 형성하는 단계;
상기 광전 변환층 상에 상기 화학식 2로 표시되는 제2페로브스카이트 화합물을 포함하는 정공 차단층을 형성하는 단계; 및
상기 정공 차단층 상에 제2도전층을 형성하는 단계를 포함하는, 광전 변환 소자의 제조방법이 제공된다.
또 다른 측면에 따르면, 광 조사부; 광 검출기; 및 제어부;를 포함하고, 상기 광 검출기가 전술한 광전 변환 소자를 포함하는, 촬상 장치가 제공된다.
광전 변환 효율이 향상되고, 암전류가 감소된 광전 변환 소자를 제공할 수 있다. 또한, 고품위 촬상 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 일 실시예를 따르는 광전 변환 소자의 측단면도를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2a 및 2b는 광전 변환층 및 전자 차단층의 에너지 레벨을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 3a 및 3b는 광전 변환층 및 정공 차단층의 에너지 레벨을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 일 실시예를 따르는 광전 변환 소자의 구동 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 일 실시예를 따르는 광전 변환 소자의 제조 방법을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 6은 각각 실시예 1의 (a) 전자 차단층, (b) 광전 변환층 및 (c) 정공 차단층의 표면 사진을 나타낸 도면이다.
도 7은 평가예 1에 따른 실시예 1 내지 3과 비교예 1 및 2의 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 평가예 2에 따른 비교예 3 및 4의 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 평가예 3에 따른 실시예 2의 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10a 및 10b는 평가예 4에 따른 비교예 1 및 비교예 5의 광전자 특성 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11은 실시예 1의 전자 차단층의 주사 전자 현미경(SEM: scanning electron microscope) 사진을 나타낸 도면이다.
도 12는 실시예 1의 광전 변환층의 주사 전자 현미경(SEM: scanning electron microscope) 사진을 나타낸 도면이다. 여기서, (b)는 (a)의 확대 사진이고, (c)는 (b)의 확대 사진이고, 스케일 바는 400 ㎛이다.
도 13은 실시예 1의 정공 차단층의 주사 전자 현미경(SEM: scanning electron microscope) 사진을 나타낸 도면이다.
도 14는 실시예 2의 정공 차단층의 주사 전자 현미경(SEM: scanning electron microscope) 사진을 나타낸 도면이다. 여기서, (b)는 (a)의 확대 사진이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 광전 변환 소자, 이의 구동 방법 및 이의 제조 방법에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장 또는 축소될 수 있다.
또한, 이하의 실시예에서, 층, 막 등의 각종 구성 요소가 다른 구성 요소 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 구성 요소에 직접 접하는 경우뿐만 아니라, 그 사이에 다른 구성 요소가 개재된 경우도 포함한다.
본 명세서 중 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
본 명세서 중 "페로브스카이트 화합물"은, 예를 들어 화학식 ABX3로 표시될 수 있으며, 상기 화학식 중 A 및 B는 각각 서로 상이한 크기의 양이온이고, X는 음이온이다. 단위 셀에서, A 양이온은 (0,0,0)에 위치하고, B 양이온은 (1/2,1/2,1/2)에 위치하고, X 음이온은 (1/2,1/2,0)에 위치할 수 있다. A, B 및 X의 종류에 따라 CaTiO3의 이상적인 대칭 구조보다 낮은 대칭성을 갖는 뒤틀린 구조를 가질 수도 있으며, 본 명세서에서는 이상적인 대칭 구조를 갖는 것뿐만 아니라 낮은 대칭성을 갖는 뒤틀린 구조의 것도 포함하는 것으로 이해된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 광전 변환 소자(100)의 측단면도를 개략적으로 도시한다.
광전 변환 소자(100)는 제1도전층(110); 제2도전층(150); 전자 차단층(120); 광전 변환층(130); 및 정공 차단층(140)을 포함한다.
전자 차단층(120), 광전 변환층(130) 및 정공 차단층(140)은 제1도전층(110) 및 제2도전층(150) 사이에 개재된다.
전자 차단층(120)은 제1도전층(110) 및 광전 변환층(130) 사이에 개재된다.
정공 차단층(140)은 제2도전층(150) 및 광전 변환층(130) 사이에 개재된다.
상기 전자 차단층(120)은 하기 화학식 1로 표시되는 제1페로브스카이트 화합물을 포함한다:
<화학식 1>
[A1][B1][X1 (3-n)Y1 n]
상기 화학식 1 중, A1는 적어도 1종의 1가 유기-양이온(at least one monovalent organic-cation), 1가 무기-양이온 또는 이의 임의의 조합(any combination thereof)일 수 있다.
예를 들어, 상기 화학식 1 중, A1는 i) 1종의 1가 유기-양이온, ii) 1종의 1가 무기-양이온, iii) 서로 상이한 2종 이상의 1가 유기-양이온, iv) 서로 상이한 2종 이상의 1가 무기-양이온, 또는 v) 1종 이상의 1가 유기-양이온과 1종 이상의 1가 무기-양이온의 조합일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
다른 예로서, 상기 화학식 1 중, A1는 (R1R2R3C)+, (R1R2R3R4N)+, (R1R2R3R4P)+, (R1R2R3R4As)+, (R1R2R3R4Sb)+, (R1R2N=C(R3)-NR4R5)+, 치환 또는 비치환된 함질소 5원환의 1가 양이온, 치환 또는 비치환된 함질소 6원환의 1가 양이온, 치환 또는 비치환된 7원환의 1가 양이온, Li+, Na+, K+, Rb+, Cs+, Fr+ 또는 이의 임의의 조합이고,
상기 R1 내지 R5, 상기 치환된 함질소 5원환의 1가 양이온의 치환기 중 적어도 하나, 상기 치환된 함질소 6원환의 1가 양이온의 치환기 중 적어도 하나 및 상기 치환된 7원환의 1가 양이온의 치환기 중 적어도 하나는 서로 독립적으로, 수소, 중수소(-D), -F, -Cl, -Br, -I, 히드록실기, 치환 또는 비치환된 C1-C10알킬기, 치환 또는 비치환된 C2-C10알케닐기, 치환 또는 비치환된 C2-C10알키닐기, 치환 또는 비치환된 C1-C10알콕시기, 치환 또는 비치환된 C6-C20아릴기 및 -N(Q1)(Q2) 중에서 선택되고,
상기 Q1 및 Q2는 서로 독립적으로, 수소, 중수소, 히드록실기, C1-C20알킬기, C2-C20알케닐기, C2-C20알키닐기, C1-C20알콕시기 및 C6-C20아릴기 중에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또 다른 예로서, 상기 화학식 1 중, A1는 (R1R2R3C)+, (R1R2R3R4N)+, (R1R2R3R4P)+, (R1R2R3R4As)+, (R1R2R3R4Sb)+, (R1R2N=C(R3)-NR4R5)+, 치환 또는 비치환된 시클로헵타트리에늄, 치환 또는 비치환된 이미다졸륨(imidazolium), 치환 또는 비치환된 피리디늄(pyridinium), 치환 또는 비치환된 피리다지늄, 치환 또는 비치환된 피리미디늄, 치환 또는 비치환된 피라지늄, 치환 또는 비치환된 피라졸륨, 치환 또는 비치환된 티아졸륨, 치환 또는 비치환된 옥사졸륨, 치환 또는 비치환된 피페리디늄, 치환 또는 비치환된 피롤리디늄(pyrrolidinium), 치환 또는 비치환된 피롤리늄(pyrrolinium), 치환 또는 비치환된 피롤륨(pyrrolium), 치환 또는 비치환된 트리아졸륨, 치환 또는 비치환된 시클로헵타트리에늄, Li+, Na+, K+, Rb+, Cs+, Fr+ 또는 이의 임의의 조합이고;
상기 R1 내지 R5, 상기 치환된 이미다졸륨의 치환기 중 적어도 하나, 상기 치환된 피리디늄의 치환기 중 적어도 하나, 상기 치환된 피리다지늄의 치환기 중 적어도 하나, 상기 치환된 피리미디늄의 치환기 중 적어도 하나, 상기 치환된 피라지늄의 치환기 중 적어도 하나, 상기 치환된 피라졸륨의 치환기 중 적어도 하나, 상기 치환된 티아졸륨의 치환기 중 적어도 하나, 상기 치환된 옥사졸륨의 치환기 중 적어도 하나, 상기 치환된 피페리디늄의 치환기 중 적어도 하나, 상기 치환된 피롤리디늄의 치환기 중 적어도 하나, 상기 치환된 피롤리늄의 치환기 중 적어도 하나, 상기 치환된 피롤륨의 치환기 중 적어도 하나 및 상기 치환된 트리아졸륨의 치환기 중 적어도 하나는 서로 독립적으로,
수소, 중수소, -F, -Cl, -Br, -I, 히드록실기, C1-C20알킬기, C2-C10알케닐기, C2-C10알키닐기 및 C1-C20알콕시기;
중수소, -F, -Cl, -Br, -I 및 히드록실기 중에서 선택된 적어도 하나로 치환된, C1-C20알킬기, C2-C10알케닐기, C2-C10알키닐기 및 C1-C20알콕시기;
페닐기, 나프틸기, 비페닐기 및 터페닐기;
중수소, -F, -Cl, -Br, -I, 히드록실기, C1-C20알킬기, C2-C10알케닐기, C2-C10알키닐기 및 C1-C20알콕시기 중에서 선택된 적어도 하나로 치환된, 페닐기, 나프틸기, 비페닐기 및 터페닐기; 및
-N(Q1)(Q2);
중에서 선택되고,
상기 Q1 및 Q2는 서로 독립적으로, 수소, 중수소, C1-C20알킬기, C2-C10알케닐기, C2-C10알키닐기, C1-C20알콕시기 페닐기, 나프틸기, 비페닐기 및 터페닐기 중에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또 다른 예로서, 상기 화학식 1 중, A1는 (R1R2R3R4N)+, (R1R2R3R4P)+, (R1R2R3R4As)+, (R1R2R3R4Sb)+, (R1R2N=C(R3)-NR4R5)+, 치환 또는 비치환된 시클로헵타트리에늄, Li+, Na+, K+, Rb+, Cs+, Fr+ 또는 이의 임의의 조합이고;
상기 R1 내지 R5 및 상기 치환된 시클로헵타트리에늄의 치환기 중 적어도 하나는 서로 독립적으로, 수소, 중수소, -F, -Cl, -Br, -I, 히드록실기, C1-C20알킬기, C2-C10알케닐기, C2-C10알키닐기, C1-C20알콕시기 및 -N(Q1)(Q2) 중에서 선택되고,
상기 Q1 및 Q2는 서로 독립적으로, 수소, 중수소, C1-C20알킬기, C2-C10알케닐기, C2-C10알키닐기 및 C1-C20알콕시기 중에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또 다른 예로서, 상기 화학식 1 중, A1는 (CH3NH3)+, (C2H6PH2)+, (CH3AsH3)+, (NH4)+, (CH3SbH3)+, (C2H6NH2)+, (PH4)+, (CH2N2H4)+, (PF4)+, (CH3PH3)+, (C7H7)+, (SbH4)+, (AsH4)+, (NCl4)+, (NH3OH)+, (NH3NH2)+, (CH(NH2)2)+, (C3N2H5)+, ((CH3)2NH2)+, (NC4H8)+, ((CH3CH2)NH3)+, ((NH2)3C)+, ((CH3CH2CH2CH2)NH3)+, (NH2CHNH2)+, Li+, Na+, K+, Rb+, Cs+, Fr+ 또는 이의 임의의 조합일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또 다른 예로서, 상기 화학식 1 중, A1는 (CH3NH3)+, ((CH3CH2CH2CH2)NH3)+, (NH2CHNH2)+, K+, Rb+, Cs+, 또는 이의 임의의 조합일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 화학식 1 중, B1는 적어도 1종의 2가 무기-양이온일 수 있다.
예를 들어, 상기 화학식 1 중, B1는 i) 1종의 2가 무기-양이온이거나, 또는 ii) 서로 상이한 2종 이상의 2가 무기-양이온의 조합일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
다른 예로서, 상기 화학식 1 중, B1는 희토류 금속의 2가 양이온, 알칼리토금속의 2가 양이온, 전이 금속의 2가 양이온, 후전이 금속의 2가 양이온 또는 이의 임의의 조합일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또 다른 예로서, 상기 화학식 1 중, B1는 La2+, Ce2+, Pr2+, Nd2+, Pm2+, Sm2+, Eu2+, Gd2+, Tb2+, Dy2+, Ho2+, Er2+, Tm2+, Yb2+, Lu2+, Be2+, Mg2+, Ca2+, Sr2+, Ba2+, Ra2+, Pb2+, Sn2+ 또는 이의 임의의 조합일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또 다른 예로서, 상기 화학식 1 중, B1는 Pb2+, Sn2+ 또는 이의 임의의 조합일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또 다른 예로서, 상기 화학식 1 중, B1는 Pb2+일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 화학식 1 중, X1 및 Y1은 서로 독립적으로, 적어도 1종의 1가 음이온일 수 있다. 이 때, X1 및 Y1은 서로 동일하거나 상이할 수 있다.
예를 들어, 상기 화학식 1 중, X1 및 Y1은 서로 독립적으로, i) 1종의 1가 음이온이거나, 또는 ii) 서로 상이한 2종 이상의 1가 음이온의 조합일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
다른 예로서, 상기 화학식 1 중, X1 및 Y1은 서로 독립적으로, 적어도 1종의 할라이드 음이온일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또 다른 예로서, 상기 화학식 1 중, X1 및 Y1은 서로 독립적으로, Cl-, Br- 및 I- 중에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 화학식 1 중, n은 0 ≤ n ≤ 3을 만족하는 실수일 수 있다.
예를 들어, 상기 화학식 1 중, n은 0 ≤ n < 3을 만족하는 실수일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 정공 차단층(140)은 하기 화학식 2로 표시되는 제2페로브스카이트 화합물을 포함한다:
<화학식 2>
[A2][B2][X2 (3-m)Y2 m]
상기 화학식 2 중, A2에 대한 자세한 설명은 화학식 1 중의 A1에 대한 설명을 참조한다.
상기 화학식 2 중, B2에 대한 자세한 설명은 화학식 1 중의 B1에 대한 설명을 참조한다.
상기 화학식 2 중, X2에 대한 자세한 설명은 화학식 1 중의 X1에 대한 설명을 참조한다.
상기 화학식 2 중, Y2에 대한 자세한 설명은 화학식 1 중의 Y1에 대한 설명을 참조한다.
상기 화학식 2 중, m에 대한 자세한 설명은 화학식 1 중의 n에 대한 설명을 참조한다.
일 실시예에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 제1페로브스카이트 화합물 및 상기 화학식 2로 표시되는 제2페로브스카이트 화합물은 서로 독립적으로 CH3NH3PbI3, CH3NH3PbBr3, CH3NH3PbBr(3-o)Io, CH3NH3PbCl(3-o)Bro, CH3NH3PbCl(3-o)Io, CsPbI3, CsPbBr3, CH3CH2CH2CH2NH3PbBr3 , NH2CHNH2PbBr3, NH2CHNH2PbBr(3-o)Io, [CH3NH3](1-x)[NH2CHNH2]xPbBr3, [CH3NH3](1-x)[NH2CHNH2]xPbBr(3-o)Io 중에서 선택되고,
여기서, o는 0 보다 크고 3보다 작은 실수, x는 0보다 크고 1보다 작은 실수일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전자 차단층(120)은 상기 화학식 1로 표시되는 제1페로브스카이트 화합물과 함께 고분자를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 정공 차단층(140)은 상기 화학식 2로 표시되는 제2페로브스카이트와 함께 고분자를 더 포함할 수 있다.
상기 고분자는 상기 제1페로브스카이트 화합물 또는 상기 제2페로브스카이트 화합물과 함께 용매에 용해되어 혼합될 수 있는 것으로서, 예를 들면, 극성 용매에 용해되어 혼합될 수 있는 극성 고분자일 수 있다.
상기 전자 차단층(120)에서 상기 극성 고분자의 함량은 상기 화학식 1로 표시되는 제1페로브스카이트 화합물 100 중량부를 기준으로 하여 5 내지 60 중량부일 수 있다. 예를 들어, 10 내지 50 중량부일 수 있다. 예를 들어, 20 내지 40 중량부일 수 있다. 전자 차단층에서 극성 고분자량 함량이 상기 범위일 경우, 전자 차단층과의 접착력을 향상시켜 전자 차단 능력을 더욱 향상시킬 수 있다. 따라서, 암전류를 감소시켜 광전 변화 효율을 극대화시킬 수 있다.
상기 정공 차단층(140)에서 상기 극성 고분자의 함량은 상기 화학식 2로 표시되는 제2페로브스카이트 화합물 100 중량부를 기준으로 하여 5 내지 60 중량부일 수 있다. 예를 들어, 10 내지 50 중량부일 수 있다. 예를 들어, 20 내지 40 중량부일 수 있다. 정공 차단층에서 극성 고분자량 함량이 상기 범위일 경우, 정공 차단층과의 접착력을 향상시켜 정공 차단 능력을 더욱 향상시킬 수 있다. 따라서, 암전류를 감소시켜 광전 변화 효율을 극대화시킬 수 있다.
상기 극성 고분자 물질은 폴리아믹산, 폴리이미드, 폴리비닐알코올(PVA), 폴리아크릴산, 폴리히드록시에틸메타크릴레이트(PHEMA), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리아크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴(PAN) 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 고분자 물질은 상술한 물질의 공중합체를 포함할 수 있다.
상기 고분자는 제1페로브스카이트 화합물 또는 제2페로브스카이트 화합물과 함께 혼합되어 전자 차단층 또는 정공 차단층의 접착력을 더욱 향상시킬 수 있으며, 전자 차단 능력 또는 정공 차단 능력을 더욱 향상시킴으로써 암전류를 감소시켜 광전 변화 효율을 극대화시킬 수 있다. 예를 들어, 전자 차단층 또는 정공 차단층에서 상기 고분자는 페로브스카이트와 함께 복합체를 형성할 수 있다. 예를 들어, 전자 차단층 또는 정공 차단층에서 상기 고분자는 별도의 상(phase)으로 존재하여 페로브스카이트 상과 서로 분리된 2중층을 형성할 수 있다.
상기 용매는 다양한 용매 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 용매는 물, 메탄올, 에탄올, 아세톤, 벤젠, 톨루엔, 헥산, 아세토니트릴, 디메틸포름아미드(DMF), 디메틸술폭사이드(DMSO), γ-부티로락톤, N-메틸피롤리돈(NMP), 메틸렌클로라이드(CH2Cl2), 클로로포름(CH3Cl), 테트라하이드로퓨란(THF) 및 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 전자 차단층(120)은 CH3NH3PbI3와 함께 극성 고분자인 폴리이미드를 더 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 CH3NH3PbI3는 다결정일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 전자 차단층(120)은 CH3NH3PbI3와 폴리이미드의 복합체를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 전자 차단층(120)은 CH3NH3PbI3와 폴리이미드의 서로 분리된 2중층을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 구현예에 있어서, 상기 정공 차단층(140)은 CH3NH3PbBr3와 함께 극성 고분자인 폴리이미드를 더 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 CH3NH3PbBr3는 다결정일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 정공 차단층(140)은 CH3NH3PbBr3와 폴리이미드의 복합체를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 정공 차단층(140)은 CH3NH3PbBr3와 폴리이미드의 서로 분리된 2중층을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 실시예에 따라, 상기 정공 차단층(140)의 표면에는 규칙적이거나 불규칙적인 다양한 패턴이 형성될 수 있다. 구체적으로는 사각별 형태, 나비 형태, 불가사리 형태, 톱니 형태, 클로버 형태 등이 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전자 차단층(120)은 1 ㎚ 내지 10 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 전자 차단층(120)은 10 ㎚ 내지 10 ㎛ 또는 50 ㎚ 내지 5000 ㎚의 두께를 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 전자 차단층(120)의 두께가 상기 범위를 만족하면, 암전류 감소 효과를 충분히 발휘하면서 광전 변환 효율은 거의 유사한 수준으로 유지되거나 크게 감소되지 않는 광전 변환 소자를 제공할 수 있다.
전자 차단층(120)은 후술하는 바와 같이 형성될 수 있다.
상기 정공 차단층(140)은 1 ㎚ 내지 10 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 정공 차단층(140)은 10 ㎚ 내지 10 ㎛, 또는 50 ㎚ 내지 5000 ㎚의 두께를 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 정공 차단층(140)의 두께가 상기 범위를 만족하면, 암전류 감소 효과를 충분히 발휘하면서 광전 변환 효율은 거의 유사한 수준으로 유지되거나 크게 감소되지 않는 광전 변환 소자를 제공할 수 있다.
정공 차단층(140)은 후술하는 바와 같이 형성될 수 있다.
상기 광전 변환층(130)은 광활성 물질로서, 반도체, 예를 들어, 비정질 Se, CdZnTe, GaAs, InP, Si 및 이의 임의의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또는, 상기 광전 변환층(130)은 광활성 물질로서, 후술하는 화학식 3으로 표시되는 제3페로브스카이트 화합물을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 광전 변환층(130)의 형성 방법은 특별히 한정되지 않으며, 닥터 블레이드(doctor blade) 코팅과 같은 용액 공정, 증착 등의 다양한 방법이 사용될 수 있다.
도 2a 및 2b는 광전 변환층(130)에 포함된 광활성 물질 및 상기 전자 차단층(120)에 포함된 제1페로브스카이트 화합물의 에너지 레벨을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 2a 및 2b를 참조하면, 상기 광활성 물질의 최저 비점유 분자 궤도(LUMO) 준위(EC _L)는 상기 제1페로브스카이트 화합물의 LUMO 준위(EC _ P1) 이하일 수 있다. 광전 변환 소자에 외부 전압이 인가되는 경우, 정공 및 전자 주입이 발생하여, 암전류가 증가되는 문제가 발생될 수 있는데, EC _L ≤ EC _ P1를 만족하면, 전자의 전달을 차단하여 암전류가 감소하는 효과를 제공할 수 있다.
도 2a를 참조하면, 상기 광활성 물질의 최고 점유 분자 궤도(HOMO) 준위(EV _L)는 상기 제1페로브스카이트 화합물의 HOMO 준위(EV _ P1)보다 같거나 낮을 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 도 2b를 참조하면, 상기 광활성 물질의 HOMO 준위(EV _L)는 상기 제1페로브스카이트 화합물의 HOMO 준위(EV _ P1)보다 높을 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 3a 및 3b는 광전 변환층(130)에 포함된 광활성 물질 및 상기 정공 차단층(140)에 포함된 제2페로브스카이트 화합물의 에너지 레벨을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 3a 및 3b를 참조하면, 상기 광활성 물질의 HOMO 준위(EV _L)는 상기 제2페로브스카이트 화합물의 HOMO 준위(EV _ P2) 이상일 수 있다. 광전 변환 소자에 외부 전압이 인가되는 경우, 정공 및 전자 주입이 발생하여, 암전류가 증가되는 문제가 발생될 수 있는데, EV _L ≥ EV _ P2를 만족하면, 정공의 전달을 차단하여 암전류가 감소하는 효과를 제공할 수 있다.
도 3a를 참조하면, 상기 광활성 물질의 LUMO 준위(EC _L)는 상기 제2페로브스카이트 화합물의 LUMO 준위(EC _ P2)보다 같거나 높을 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 도 3b를 참조하면, 상기 광활성 물질의 LUMO 준위(EC _L)는 상기 제2페로브스카이트 화합물의 LUMO 준위(EC _ P2)보다 낮을 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 광전 변환층(130)은 하기 화학식 3으로 표시되는 제3페로브스카이트 화합물을 포함할 수 있다:
<화학식 3>
[A3][B3][X3 (3-k)Y3 k]
상기 화학식 3 중,
A3는 적어도 1종의 1가 유기-양이온(at least one monovalent organic-cation), 1가 무기-양이온 또는 이의 임의의 조합(any combination thereof)이고,
B3는 적어도 1종의 2가 무기-양이온이고,
X3 및 Y3은 서로 독립적으로, 적어도 1종의 1가 음이온이고,
k은 0 ≤ k ≤ 3을 만족하는 실수이다.
상기 제3페로브스카이트 화합물은 다결정일 수 있다. 상기 "다결정"이란 결정들이 서로 접합된 형태를 의미한다. 즉, 상기 제3페로브스카이트 화합물의 결정들이 서로 접합된 형태일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 광전 변환층(130)의 단면은 도 12과 같은 형상을 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 제3페로브스카이트 화합물이 다결정이면, 암전류 감소 효과를 제공하고, 광전 변환 효율의 향상 효과를 제공할 수 있다.
상기 제3페로브스카이트 화합물의 일 결정에서 이의 최장축의 길이는 1㎛ 내지 300 ㎛일 수 있다. 예를 들어, 상기 제3페로브스카이트 화합물의 일 결정에서 이의 최장축의 길이는 10 ㎛ 내지 50 ㎛일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 제3페로브스카이트 화합물의 결정의 최장축의 길이가 상기 범위를 만족하면, 암전류 감소 효과를 충분히 발휘하면서 광전 변환 효율은 감소되지 않는 광전 변환 소자를 제공할 수 있다.
상기 화학식 3 중, A3에 대한 자세한 설명은 화학식 1 중의 A1에 대한 설명을 참조한다.
상기 화학식 3 중, B3에 대한 자세한 설명은 화학식 1 중의 B1에 대한 설명을 참조한다.
상기 화학식 3 중, X3에 대한 자세한 설명은 화학식 1 중의 X1에 대한 설명을 참조한다.
상기 화학식 3 중, Y3에 대한 자세한 설명은 화학식 1 중의 Y1에 대한 설명을 참조한다.
상기 화학식 3 중, k에 대한 자세한 설명은 화학식 1 중의 n에 대한 설명을 참조한다.
일 실시예에 있어서, 상기 화학식 3로 표시되는 제3페로브스카이트 화합물은 CH3NH3PbI3일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 광전 변환층(130)은 광을 흡수할 수 있고, 예를 들어, 적외선, 가시광선 또는 엑스선을 흡수할 수 있다. 더욱 구체적으로, 광전 변환층(130)은 엑스선을 흡수할 수 있다.
통상, 페로브스카이트 화합물을 이용한 태양 전지, 적외선 이미징 장치 및 가시광선 이미징 장치는 광전 변환층을 형성하기 위해 스핀 코팅과 같은 증착 방식을 이용해 1 mm 이하의 두께를 형성하면 충분하다. 그러나, 상기 증착 방식으로는 엑스선 이미징 장치에 적용되는 넓은 면적에 대해 수 백 ㎛ 이상 두께를 갖는 페로브스카이트 광전 변환층을 형성하기 어렵다.
상기 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 용액 기반 공정을 이용한 닥터 블레이드 코팅을 수행하였고, 이를 통해 수 백 ㎛ 이상 두께를 갖는 다결정 페로브스카이트 필름을 형성하였다.
본 발명에 따른 광전 변환층(130)은 0.1 내지 1500 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 광전 변환층(130)의 두께가 상기 범위를 만족하면, 적외선, 가시광선뿐만 아니라, 엑스선과 같이 짧은 파장을 갖는 광의 광전 변환 효율이 향상될 수 있다.
일 구현예에 있어서, 광이 가시광선 또는 적외선인 경우, 광전 변환층(130)은 0.1 ㎛ 내지 1 ㎛의 두께를 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
다른 구현예에 있어서, 광이 엑스선인 경우, 광전 변환층(130)은 300 ㎛ 내지 1500 ㎛의 두께를 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1도전층(110) 및 상기 제2도전층(150)은 목적에 따라 반사형, 투과형 또는 반투과형일 수 있다.
상기 제1도전층(110) 및 상기 제2도전층(150)은 도전성 재료, 예를 들어, 금속, 금속 산화물, 전기 전도성 유기 화합물, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 투과형 제1도전층(110)을 형성하기 위하여, 제1도전층용 물질은 산화인듐주석(ITO), 산화인듐아연(IZO), 산화주석(SnO2), 산화아연(ZnO) 및 이의 임의의 조합 중에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또는, 반투과형 또는 반사형 제1도전층(110)을 형성하기 위하여, 제1도전층용 물질은 금(Au), 은(Ag), 크롬(Cr), 니켈(Ni) 및 이의 임의의 조합 중에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 제2도전층용 물질은 제1도전층용 물질에 대한 설명을 참조한다.
일 구현예에 있어서, 광이 엑스선이면 제2도전층(150)은 반사형, 투과형 또는 반투과형 일 수 있다.
다른 구현예에 있어서, 광이 적외선이거나 가시광선이면 제2도전층(150)은 투과형일 수 있다. 광이 제2도전층(150) 쪽에서 입사되기 때문에, 제2도전층(150)은 충분히 투명해야 한다.
상기 제1도전층(110) 및 상기 제2도전층(150)의 두께는 특별히 한정되지 않으나, 10 ㎚ 내지 2000 ㎚의 두께를 가질 수 있다.
상기 제1도전층(110) 및 상기 제2도전층(150)의 형성 방법은 특별히 한정되지 않으며, 코팅, 증착 등의 다양한 방법이 사용될 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 광전 변환 소자의 구동 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 4는 평판형 촬상 장치를 일 예시로서 도시하는 것이며, 그외에 다른 다양한 변형이 가능하다.
제1도전층(411, 412, 413); 제2도전층(450); 및 제1도전층(411, 412, 413) 및 제2도전층(450) 사이에 개재된 전자 차단층(420), 광전 변환층(430) 및 정공 차단층(440)을 포함하고;
전자 차단층(420)은 제1도전층(411, 412, 413) 및 광전 변환층(430) 사이에 개재되고;
정공 차단층(440)은 제2도전층(450) 및 광전 변환층(430) 사이에 개재되고;
상기 전자 차단층(420)은 상기 화학식 1로 표시되는 제1페로브스카이트 화합물을 포함하고,
상기 정공 차단층(440)은 상기 화학식 2로 표시되는 제2페로브스카이트 화합물을 포함하고,
제1도전층(411, 412, 413)을 음극(negative bias)으로 하고, 제2도전층(450)을 양극(positive bias)으로 하여 전계가 인가될 수 있다.
제1도전층(411, 412, 413), 제2도전층(450), 전자 차단층(420), 광전 변환층(430) 및 정공 차단층(440)은 달리 명시하지 않는 한, 전술한 제1도전층(110), 제2도전층(150), 전자 차단층(120), 광전 변환층(130) 및 정공 차단층(140)에 대한 설명을 참조한다.
제2도전층(450)에는 전원(470)이 연결되어 전계가 인가된다. 전원(470)의 타단은 접지되어 있을 수도 있다. 이에 따라, 제1도전층(411, 412, 413) 및 제2도전층(450) 사이에는 전기장이 걸리게 된다. 광(480)이 광전 변환층(430)에 입사되면, 광전 변환층(430)에 포함된 광활성 물질에 의해 전자와 정공으로 변환된다. 변환된 전자와 정공은 전기장에 의해 제2도전층(450) 및 제1도전층(411, 412, 413)으로 각각 끌려가게 된다.
제1도전층(411, 412, 413)은 검출부(461, 462, 463)와 연결될 수 있다. 제1도전층(411, 412, 413)은 검출부(461, 462, 463) 및 전자 차단층(420) 사이에 개재될 수 있다. 즉, 검출부(461, 462, 463)는 광전 변환층(430)의 배면(즉, 광의 출사면)에 배치될 수 있다.
검출부(461, 462, 463)는 광전 변환층(430)에서 생성된 전하(490)를 검출한다. 검출부(461, 462, 463)는 저장 커패시터(461a, 462a, 463a)와 저장 커패시터(461a, 462a, 463a)에 수집된 전하(490)를 읽어내는 독출회로(461b, 462b, 463b)를 포함할 수 있다.
독출회로(461b, 462b, 463b)는 저장 커패시터(461a, 462a, 463a)의 전하량을 디지털신호로 변환한다. 이러한 디지털신호는 신호처리부에서 영상신호로 변환되게 된다.
제2도전층(450), 전자 차단층(420), 광전 변환층(430) 및 정공 차단층(440)은 제1도전층(411, 412, 413)을 덮도록 형성될 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 광전 변환 소자의 제조 방법을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
일 실시예에 따른 광전 변환 소자의 제조 방법은 제1도전층을 제공하는 단계; 상기 제1도전층 상에 A1-함유 전구체, B1-함유 전구체 및 용매를 포함하는 제1혼합물을 제공하여, 상기 화학식 1로 표시되는 제1페로브스카이트 화합물을 포함하는 전자 차단층을 형성하는 단계; 상기 전자 차단층 상에 광전 변환층을 형성하는 단계; 상기 광전 변환층 상에 A2-함유 전구체, B2-함유 전구체 및 용매를 포함하는 제2혼합물을 제공하여, 상기 화학식 2로 표시되는 제2페로브스카이트 화합물을 포함하는 정공 차단층을 형성하는 단계; 및 상기 정공 차단층 상에 제2도전층을 제공하는 단계를 포함한다.
먼저, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1도전층(510)이 제공된다. 제1도전층(510)은 도 1에서 설명한 바와 같고, 제1도전층(510)은 공지된 다양한 방법이 적용하여 제공될 수 있으므로, 자세한 설명은 생략한다.
그 다음, 제1도전층(510) 상에 전자 차단층(520)이 형성된다. 전자 차단층(520)은 상기 화학식 1로 표시되는 제1페로브스카이트 화합물을 포함한다. 상기 화학식 1로 표시되는 제1페로브스카이트 화합물은 A1-함유 전구체, B1-함유 전구체 및 용매를 포함하는 제1혼합물을 제공함으로써, 형성될 수 있다.
또한, 상기 전자 차단층(520)은 상기 제1페로브스카이트 화합물과 함께 고분자를 더 포함할 수 있다. 따라서, 상기 제1혼합물은 상기 고분자 또는 이의 전구체 물질을 더 포함할 수 있다.
상기 고분자는 다양한 고분자 물질을 포함할 수 있으며, 상기 제1페로브스카이트 화합물과 함께 용매에 용해되어 혼합될 수 있는 극성 고분자일 수 있다. 예를 들면, 상기 극성 고분자 물질은 폴리아믹산, 폴리이미드, 폴리비닐알코올(PVA), 폴리아크릴산, 폴리히드록시에틸메타크릴레이트(PHEMA), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리아크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴(PAN) 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 고분자 물질은 상술한 물질의 공중합체를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1혼합물을 제1도전층(510) 상에 스핀 코팅할 수 있다. 스핀 코팅에 의하여 상기 제1혼합물을 제공할 경우, 스핀 코팅 조건은, 예를 들면, 약 2000rpm 내지 약 4000rpm의 코팅 속도 및 약 80℃ 내지 200℃의 온도 범위 내에서, 상기 제1혼합물의 조성 및 전자 차단층(520)의 구조를 고려하여 선택될 수 있다.
한편, 상기 제1혼합물은 다른 공지된 다양한 방법을 적용하여 제1도전층(510) 상에 제공될 수 있다.
제1도전층(510) 상에 제공된 상기 제1혼합물은 열처리됨으로써 전자 차단층(520)을 형성할 수 있다. 상기 열처리 온도는 약 100℃ 내지 300℃의 온도 범위 내일 수 있다. 상기 열처리 온도가 100℃ 미만인 경우 전자 차단층의 접착력이 감소할 수 있으며, 300℃ 초과인 경우 제1페로브스카이트가 손상될 수 있다.
예를 들어, 열처리 조건은 15분 내지 2시간의 시간 범위 및 100℃ 내지 300℃의 온도 범위 내에서 상기 제1혼합물의 조성 및 전자 차단층(520)의 구조를 고려하여 선택될 수 있다.
이렇게 형성된 전자 차단층(520)은 제1페로브스카이트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1페로브스카이트와 상기 극성 고분자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1페로브스카이트와 상기 극성 고분자의 복합체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1페로브스카이트와 상기 극성 고분자의 서로 분리된 2중층을 포함할 수 있다.
상기 A1-함유 전구체 및 B1-함유 전구체 중 A1 및 B1에 대한 설명은 각각, 상기 화학식 1에 대한 설명 중 A1 및 B1에 대한 설명을 참조한다.
예를 들어, 상기 A1-함유 전구체는 A1의 할로겐화물(예를 들면, (A1)(X1)) 중에서 선택되고, 상기 B1-함유 전구체는 B1의 할로겐화물(예를 들면, (B1)(Y1)2) 중에서 선택될 수 있다. 상기 (A1)(X1) 및 (B1)(Y1)2 중 A1, B1, X1 및 Y1에 대한 설명은 각각, 본 명세서 중 화학식 1에 대한 설명을 참조한다.
상기 용매는 A1-함유 전구체 및 B1-함유 전구체의 용해성이 높은 물질 중에서 선택될 수 있다. 예를 들어, 상기 용매는 디메틸 포름아미드, 디메틸 술폭사이드, γ-부티로락톤, N-메틸-2-피롤리돈 또는 이들의 조합일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
그 다음 상기 전자 차단층(520) 상에 광전 변환층(530)이 제공된다. 광전 변환층(530)은 상기 화학식 3으로 표시되는 제3페로브스카이트 화합물을 포함한다. 상기 화학식 3으로 표시되는 제3페로브스카이트 화합물은 A3-함유 전구체, B3-함유 전구체 및 용매를 포함하는 혼합물에 비용매를 첨가하여 제3혼합물을 제공함으로써, 형성될 수 있다.
상기 용매는 A3-함유 전구체 및 B3-함유 전구체의 용해성이 높은 물질 중에서 선택될 수 있다. 예를 들어, 상기 용매는 디메틸 포름아미드, 디메틸 술폭사이드, γ-부티로락톤 또는 이들의 조합일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 비용매는 A3-함유 전구체 및 B3-함유 전구체의 용해성이 낮은 물질 중에서 선택될 수 있다. 예를 들어, 상기 비용매는 α-터핀올(α-terpineol), 헥실 카비톨(hexyl carbitol), 부틸 카비톨 아세테이트(butyl carbitol acetate), 헥실 셀로솔브(hexyl cellosolve), 부틸 셀로솔브 아세테이트(butyl cellosolve acetate) 등 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 제3혼합물을 전자 차단층(520) 상에 닥터 블레이드(doctor blade) 또는 바(bar) 코팅할 수 있다. 비용매를 첨가함으로써, 제3혼합물의 점도가 높아질 수 있으므로, 닥터 블레이드 또는 바 코팅에 의하여 상기 제3혼합물을 제공할 수 있다. 닥터 블레이드 코팅에 의하여 상기 제3혼합물을 제공하는 경우, 닥터 블레이드 코팅 조건은, 예를 들면, 약 80℃ 내지 200℃의 온도 범위 내에서, 상기 제3혼합물의 조성 및 광전 변환층(530)의 구조를 고려하여 선택될 수 있다.
한편, 상기 제3혼합물은 다른 공지된 다양한 방법을 적용하여 전자 차단층(520) 상에 제공될 수 있다.
전자 차단층(520) 상에 제공된 상기 제3혼합물은 열처리됨으로써 광전 변환층(530)을 형성할 수 있다.
예를 들어, 열처리 조건은 15분 내지 2시간의 시간 범위 및 100℃ 내지 200℃의 온도 범위 내에서 상기 제3혼합물의 조성 및 광전 변환층(530)의 구조를 고려하여 선택될 수 있다.
선택적으로, 상기 제3혼합물을 전자 차단층(520) 상에 제공하여, 상기 화학식 3로 표시되는 제3페로브스카이트 화합물을 포함하는 예비 광전 변환층을 제공한 다음, 상기 예비 광전 변환층을 고온(예를 들어, 100℃ 내지 200℃의 온도 범위)에서 고압(예를 들어, 5atm 내지 10atm의 기압 범위)에서 눌러 광전 변환층을 제공할 수도 있다. 이 때, 선택적으로 A3-함유 전구체를 기체상으로 더 공급할 수도 있다. 이러한 경우, 상기 화학식 3으로 표시되는 제3페로브스카이트 화합물은 다결정일 수 있다.
그 다음, 광전 변환층(530) 상에 정공 차단층(540)이 제공된다. 정공 차단층(540)은 상기 화학식 2로 표시되는 제2페로브스카이트 화합물을 포함한다. 상기 화학식 2로 표시되는 제2페로브스카이트 화합물은 A2-함유 전구체, B2-함유 전구체 및 용매를 포함하는 제2혼합물을 제공함으로써, 형성될 수 있다.
또한, 상기 정공 차단층(540)은 상기 제2페로브스카이트 화합물과 함께 고분자를 더 포함할 수 있다. 따라서, 상기 제2혼합물은 상기 고분자 또는 이의 전구체 물질을 더 포함할 수 있다.
상기 고분자는 다양한 고분자 물질을 포함할 수 있으며, 상기 제2페로브스카이트 화합물과 함께 용매에 혼합될 수 있는 극성 고분자일 수 있다. 예를 들면, 상기 극성 고분자 물질은 폴리아믹산, 폴리이미드, 폴리비닐알코올(PVA), 폴리아크릴산, 폴리히드록시에틸메타크릴레이트(PHEMA), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리아크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴(PAN) 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 고분자 물질은 상술한 물질의 공중합체를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제2혼합물을 광전 변환층(530) 상에 스핀 코팅할 수 있다. 스핀 코팅에 의하여 상기 제2혼합물을 제공할 경우, 스핀 코팅 조건은, 예를 들면, 약 2000rpm 내지 약 4000rpm의 코팅 속도 및 약 80℃ 내지 200℃의 온도 범위 내에서, 상기 제2혼합물의 조성 및 정공 차단층(540)의 구조를 고려하여 선택될 수 있다.
한편, 상기 제2혼합물은 다른 공지된 다양한 방법을 적용하여 광전 변환층(530) 상에 제공될 수 있다.
상기 광전 변환층(530) 상에 제공된 상기 제2혼합물은 열처리됨으로써 정공 차단층(540)을 형성할 수 있다. 상기 열처리 온도는 약 100℃ 내지 300℃의 온도 범위 내일 수 있다. 상기 열처리 온도가 100℃ 미만인 경우 전자 차단층의 접착력이 감소할 수 있으며, 300℃ 초과인 경우 제2페로브스카이트가 손상될 수 있다.
예를 들어, 열처리 조건은 15분 내지 2시간의 시간 범위 및 100℃ 내지 300℃의 온도 범위 내에서 상기 제2혼합물의 조성 및 정공 차단층(540)의 구조를 고려하여 선택될 수 있다.
이렇게 형성된 정공 차단층(540)은 제2페로브스카이트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2페로브스카이트와 상기 극성 고분자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2페로브스카이트와 상기 극성 고분자의 복합체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2페로브스카이트와 상기 극성 고분자의 서로 분리된 2중층을 포함할 수 있다.
상기 A2-함유 전구체 및 B2-함유 전구체 중 A2 및 B2에 대한 설명은 각각, 상기 화학식 2에 대한 설명 중 A2 및 B2에 대한 설명을 참조한다.
예를 들어, 상기 A2-함유 전구체는 A2의 할로겐화물(예를 들면, (A2)(X2)) 중에서 선택되고, 상기 B2-함유 전구체는 B2의 할로겐화물(예를 들면, (B2)(Y2)2) 중에서 선택될 수 있다. 상기 (A2)(X2) 및 (B2)(Y2)2 중 A2, B2, X2 및 Y2에 대한 설명은 각각, 본 명세서 중 화학식 1에 대한 설명을 참조한다.
상기 용매는 A2-함유 전구체 및 B2-함유 전구체의 용해성이 높은 물질 중에서 선택될 수 있다. 예를 들어, 상기 용매는 디메틸 포름아미드, 디메틸 술폭사이드, γ-부티로락톤, N-메틸-2-피롤리돈 또는 이들의 조합일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
그 다음, 정공 차단층(540) 상에 제2도전층(550)이 제공된다. 제2도전층(550)은 도 1에서 설명한 바와 같고, 제2도전층(550)은 공지된 다양한 방법이 적용하여 제공될 수 있으므로, 자세한 설명은 생략한다.
일 실시예에 따른 광전 변환 소자는 촬상 장치에 포함될 수 있다. 상기 촬상 장치는 고정식 또는 이동식일 수 있다.
상기 촬상 장치는 광 조사부, 광 검출부 및 제어부를 포함할 수 있다.
상기 광 조사부는 광을 발생시키는 광 공급원 및 발생된 광의 경로를 안내하여 광의 조사영역을 조절하는 콜리메이터(collimator)를 포함할 수 있다.
상기 광 공급원은, 예를 들어 엑스선 관(X-ray tube)을 포함할 수 있다. 상기 엑스선 관은 양극과 음극으로 된 2극 진공관으로 구현될 수 있다. 엑스선관의 음극과 양극 사이에 가해지는 전압을 관전압이라 하며, 그 크기는 파고치 kVp로 표시할 수 있다. 관전압이 증가하면 열전자의 속도가 증가되고 결과적으로 타겟 물질에 충돌하여 발생되는 엑스선의 에너지(광자의 에너지)가 증가된다. 엑스선관에 흐르는 전류는 관전류라 하며 평균치 mA로 표시할 수 있고, 관전류가 증가하면 필라멘트에서 방출되는 열전자의 수가 증가하고 결과적으로 타겟 물질에 충돌하여 발생되는 엑스선의 선량(엑스선 광자의 수)이 증가된다. 따라서, 관전압에 의해 엑스선의 에너지가 제어될 수 있고, 관전류 및 엑스선 노출 시간에 의해 엑스선의 세기 또는 선량이 제어될 수 있다.
상기 광 검출부는 상기 광 조사부에서 조사되어 대상체를 투과한 광을 검출하는 것으로, 예를 들어, 평판형의 광 검출기를 포함할 수 있다. 상기 광 검출기는 도 1을 참조하여 설명한 광전 변환 소자(100)를 포함할 수 있다.
상기 제어부는 전압 발생부, 신호처리부 및 조작부를 포함하며, 상기 촬상 장치의 전반적인 동작을 제어할 수 있다.
상기 전압 발생부는 광의 발생을 위한 고전압을 발생시켜 상기 광 조사부 내의 상기 광 공급원에 전압을 인가한다.
신호처리부는 상기 광 검출부에서 검출된 정보를 처리하여 영상을 생성하거나 상기 조작부에 입력된 정보를 기반으로 제어신호를 생성하여 상기 촬상 장치의 각종 구성부들을 제어할 수 있도록 한다.
상기 조작부는 상기 촬상 장치의 조작을 위한 인터페이스를 제공하는 것으로서, 사용자로부터 상기 촬상 장치의 조작을 위한 명령 및 촬상에 관한 각종 정보를 입력받을 수 있다.
상기 촬상 장치는 출력부를 더 포함할 수 있다. 상기 출력부는 광의 조사 등과 같은 촬상 관련 정보를 나타내거나 상기 신호처리부에서 생성된 영상을 표시할 수 있다.
이하, 실시예를 들어, 일 실시예에 따른 광전 변환 소자에 대하여 보다 구체적으로 설명하나, 본 발명이 하기의 합성예 및 실시예로 한정되는 것은 아니다. 하기 합성예 중 "'A' 대신 'B'를 사용하였다"란 표현 중 'B'의 사용량과 'A'의 사용량은 몰당량 기준으로 동일하다.
[ 실시예 ]
제조예 1. 전자 차단 물질 (혼합물 B)의 제조
(1) 혼합물 A의 제조
반응 용기에 ρ-페닐렌디아민 및 비페닐-테트라카르복실산 이무수물을 1:0.975의 몰비로 혼합한 후, 상기 혼합물에 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)을 첨가하고 질소분위기 하에 상온에서 5시간 동안 교반하였다. 그 후, 상기 혼합물을 40℃의 밀폐 반응 용기에서 12 시간 동안 반응시킴으로써 혼합물 A를 제조하였다.
(2) 혼합물 B의 제조
상기 혼합물 A 4.8g에 CH3NH3I 1.59g, PbI2 4.61g, 및 디메틸포름아미드 2.4g을 첨가한 후, 상온에서 밤새도록 교반함으로써 혼합물 B를 제조하였다.
제조예 2. 정공 차단 물질 (혼합물 C, 혼합물 D 또는 혼합물 E)의 제조
2-1. 혼합물 C의 제조
반응 용기에 CH3NH3Br, PbBr2, 디메틸 포름아미드 및 디메틸술폭사이드를 1:1:6.7:2의 몰비로 혼합한 후, 상온에서 1시간 동안 교반함으로써 혼합물 C를 제조하였다.
2-2. 혼합물 D의 제조
(1) 혼합물 A의 제조
반응 용기에 ρ-페닐렌디아민 및 비페닐-테트라카르복실산 이무수물을 1:0.975의 몰비로 혼합한 후, 상기 혼합물에 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)을 첨가하고 질소분위기 하에 상온에서 5시간 동안 교반하였다. 그 후, 상기 혼합물을 40℃의 밀폐 반응 용기에서 12 시간 동안 반응시킴으로써 혼합물 A를 제조하였다.
(2) 혼합물 D의 제조
상기 혼합물 A 9.6g에 CH3NH3Br 2.34g, PbBr2 7.67g, 및 디메틸포름아미드 4.8g을 첨가한 후, 상온에서 밤새도록 교반함으로써 혼합물 D를 제조하였다.
2-3. 혼합물 E의 제조
제조예 2-2에서 CH3NH3Br를 2.34g 대신 1.17g 사용하고, PbBr2를 7.67g 대신 3.835g 사용한 것을 제외하고는 상기 제조예 2-2와 동일한 방법으로 혼합물 E를 제조하였다.
제조예 3. 광전 변환 물질 (혼합물 F 또는 혼합물 G)의 제조
3-1. 혼합물 F의 제조
반응 용기에 CH3NH3I, PbI2, 디메틸 포름아미드 및 디메틸술폭사이드를 1:1:6.7:2의 몰비로 첨가한 다음, 1시간 동안 교반함으로써 혼합물 F를 제조하였다.
3-2. 혼합물 G의 제조
반응 용기에 PbI2 18.44g 및 γ-부티로락톤 7.75g을 혼합하고, 80℃에서 1시간 동안 교반한 후, CH3NH3I 6.36g을 더 첨가하고, 90~100℃에서 4시간 동안 교반하여 반응시켰다. 그 후, 상기 혼합물에 α-터핀올 4g을 더 첨가하고, 90~100℃에서 4시간 동안 교반함으로써 혼합물 G를 제조하였다.
실시예 1. 광전 변환 소자의 제작
비정질 ITO를 유리 기판 상에 스퍼터링하여 200㎚ 두께의 제1도전층을 형성하였다.
상기 제1도전층 상에 혼합물 B를 2000 rpm으로 30초 동안 스핀코팅한 후, 120℃에서 30분 동안 건조함으로써 3㎛ 두께의 전자 차단층을 형성하였다.
상기 전자 차단층 상에 혼합물 G를 닥터 블레이드(doctor blade) 코팅한 후, 120℃에서 1시간 열처리하고, 다시 90℃의 진공 오븐에서 1 시간 열처리함으로써, 예비 광전 변환층을 형성하였다. 상기 예비 광전 변환층을 120℃에서 5 기압으로 눌러 830㎛ 두께의 광전 변환층을 형성하였다.
상기 광전 변환층 상에 혼합물 C를 2000 rpm으로 30초 동안 스핀 코팅하였다. 이 때, 스핀 코팅한지 10초되는 시점부터 디에틸 에테르를 초당 2㎖의 속도로 20초간 적가하였다. 이를 100℃에서 10분간 열처리하여 1㎛ 두께의 정공 차단층을 형성하였다.
상기 정공 차단층 상에 비정질 ITO가 200㎚의 두께로 스퍼터링된 유리 기판을 결합하여 제2도전층을 형성함으로써, 광전 변환 소자를 제작하였다.
실시예 1에 따른 전자 차단층, 광전 변환층 및 정공 차단층의 표면 사진을 도 6a 내지 6c에 나타내었다.
또한, 실시예 1의 광전 변환 소자 중의 전자 차단층, 광전 변환층 및 정공 차단층의 SEM 이미지를 각각 도 11, 12 및 13에 도시하였다.
실시예 2. 광전 변환 소자의 제작
정공 차단층 형성시 혼합물 C 대신 혼합물 D를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 광전 변환 소자를 제작하였다.
실시예 2의 광전 변환 소자 중의 정공 차단층의 SEM 이미지를 도 14에 도시하였다.
도 14를 참조하면, 상기 정공 차단층의 표면에 사각별 형태의 패턴이 형성된 것을 확인할 수 있다.
실시예 3. 광전 변환 소자의 제작
정공 차단층 형성시 혼합물 C 대신 혼합물 E를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 광전 변환 소자를 제작하였다.
비교예 1. 광전 변환 소자의 제작
정공 차단층 및 전자 차단층을 포함하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 광전 변환 소자를 제작하였다.
비교예 2. 광전 변환 소자의 제작
정공 차단층 형성시 혼합물 C 대신 TiO2를 사용하고, 전자 차단층 형성시 혼합물 B 대신 Spiro-OMeTAD(2,2',7,7'-테트라키스(N,N-디메톡시페닐-아민)9,9'-스피로-비플루오렌)을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 광전 변환 소자를 제작하였다.
비교예 3. 광전 변환 소자의 제작
전자 차단층 형성시 혼합물 B 대신 혼합물 A를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 광전 변환 소자를 제작하였다.
비교예 4. 광전 변환 소자의 제작
전자 차단층 형성시 혼합물 B 대신 혼합물 A를 사용하고, 120℃ 대신 200℃에서 건조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 광전 변환 소자를 제작하였다.
비교예 5. 광전 변환 소자의 제작
정공 차단층 및 전자 차단층을 포함하지 않고, 광전 변환층 형성시 혼합물 G를 닥터 블레이드(doctor blade) 코팅하는 대신 혼합물 F를 스핀 코팅하여 0.5㎛ 두께의 광전 변환층을 형성한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 광전 변환 소자를 제작하였다.
평가예 1
실시예 1 내지 3과 비교예 1 및 2의 광전 변환 소자에 대해 다양한 전압을 인가하고, 이에 따른 전류 밀도를 측정하였다. 이 때, 나머지 조건은 동일하나 백색광이 있는 조건(Photo)과 백색광이 없는 조건(Dark)을 설정하여 실험을 반복하였다. 이의 실험 결과를 도 7에 나타내었다.
도 7를 참조하면, 실시예 1 내지 3의 광전 변환 소자가 더 낮은 암전류를 갖는다는 것을 확인할 수 있다.
평가예 2
비교예 3 및 4의 광전 변환 소자에 대해 다양한 전압을 인가하고, 이에 따른 전류 밀도를 측정하였다. 이 때, 나머지 조건은 동일하나 백색광이 있는 조건(Photo)과 백색광이 없는 조건(Dark)을 설정하여 실험을 반복하였다. 이의 실험 결과를 도 8에 나타내었다.
도 8를 참조하면, 비교예 3 및 4의 광전 변환 소자의 경우, 전자 차단층으로 폴리이미드만을 사용함에 따라 광전류 및 암전류 모두 크게 감소하였음을 확인할 수 있다. 특히, 비교예 4의 경우, 이미드화(imidization)의 진행에 따라 암전류는 물론 광전류도 크게 감소하였음을 확인할 수 있다. 이 결과는 전자 차단층 형성시 혼합물 B 대신 A를 사용할 경우, 생성된 폴리이미드가 광생성된 전하가 전극으로 이동하는 데 배리어(barrier)로서 작용하는 것으로 보인다.
평가예 3
실시예 2의 광전 변환 소자에 대해 다양한 전압을 인가하고, 이에 따른 전류를 측정하였다.
이 때, 엑스선을 상기 광전 변환 소자에 조사하였는데, 상기 엑스선 공급원과 상기 광전 변환 소자 사이의 거리는 30cm이었고, 엑스선의 관전압은 100kvp이고, 엑스선의 관전류는 20 mA였으며, 엑스선의 조사 시간은 0.2초였다.
이의 실험 결과를 도 9에 나타내었다.
도 9를 참조하면, 실시예 2의 광전 변환 소자가 엑스선에 대한 감도가 우수함을 확인할 수 있다.
평가예 4
비교예 1 및 비교예 5의 광전 변환 소자에 대해 광전 변환층의 (a) 광 흡수 스펙트럼 및 (b) 시간에 따른 광 발광 강도를 측정하였고, 이의 결과를 각각 도 10(a) 및 10(b)에 나타내었다. 이 때, 여기원으로 505 ㎚ 파장의 광원을 이용하였고, 시간 분해 광 발광(time-resolved photoluminescence)을 이용하여 캐리어 라이프타임(lifetime) τ을 측정하였다.
도 10(a)를 참조하면, 비교예 5의 광전 변환층은 약 760 ㎚ 부근에서 흡수단(absorption edge)를 나타낸 반면에, 비교예 1의 광전 변환층은 약 840 ㎚ 부근에서 확장된 흡수대(absorption band)를 나타내었다. 또한, 비교예 1은 비교예 5에 비해 약 100 배 정도 더 강한 광 발광을 나타내었다.
또한, 도 10(b)를 참조하면, 비교예 5의 광전 변환층은 약 128 ns의 캐리어 라이프타임(τ) 값을 나타낸 반면에, 비교예 1의 광전 변환층은 약 1,052 ns의 캐리어 라이프타임(τ) 값을 나타내었다.
이 결과로부터 광전 변환층 형성시 혼합물 F를 스핀 코팅하여 수 ㎛ 두께의 광전 변환층을 형성하는 것 보다 혼합물 G를 닥터 블레이드(doctor blade) 코팅하여 수 백 ㎛ 이상 두께의 광전 변환층을 형성하는 경우, 더욱 우수한 광전 변환 효율을 나타낼 수 있음을 알 수 있다.
100: 광전 변환 소자
110, 411, 412, 413, 510: 제1도전층
120, 420, 520: 전자 차단층
130, 430, 530: 광전 변환층
140, 440, 540: 정공 차단층
150, 450, 550: 제2도전층
461, 462, 463: 검출부
461b, 462b, 463b: 독출회로
461a, 462a, 463a: 저장 커패시터
470: 전원
480: 광
490: 전하

Claims (27)

  1. 제1도전층; 제2도전층; 상기 제1도전층 및 상기 제2도전층 사이에 개재된 광전 변환층; 상기 광전 변환층 및 상기 제1도전층 사이에 개재된 전자 차단층; 및 상기 광전 변환층 및 상기 제2도전층 사이에 개재된 정공 차단층을 포함하고,
    상기 전자 차단층은 하기 화학식 1로 표시되는 제1페로브스카이트 화합물 및 극성 고분자를 포함하고,
    상기 정공 차단층은 하기 화학식 2로 표시되는 제2페로브스카이트 화합물 및 극성 고분자를 포함하고,
    상기 광전 변환층은 하기 화학식 3으로 표시되는 제3페로브스카이트 화합물을 포함하는, 광전 변환 소자:
    <화학식 1>
    [A1][B1][X1 (3-n)Y1 n]
    상기 화학식 1 중,
    A1는 적어도 1종의 1가 유기-양이온(at least one monovalent organic-cation), 1가 무기-양이온 또는 이의 임의의 조합(any combination thereof)이고,
    B1는 적어도 1종의 2가 무기-양이온이고,
    X1 및 Y1은 서로 독립적으로, 적어도 1종의 1가 음이온이고,
    n은 0 ≤ n ≤ 3을 만족하는 실수이고,
    <화학식 2>
    [A2][B2][X2 (3-m)Y2 m]
    상기 화학식 2 중,
    A2는 적어도 1종의 1가 유기-양이온(at least one monovalent organic-cation), 1가 무기-양이온 또는 이의 임의의 조합(any combination thereof)이고,
    B2는 적어도 1종의 2가 무기-양이온이고,
    X2 및 Y2은 서로 독립적으로, 적어도 1종의 1가 음이온이고,
    m은 0 ≤ m ≤ 3을 만족하는 실수이고,
    <화학식 3>
    [A3][B3][X3 (3-k)Y3 k]
    상기 화학식 3 중,
    A3는 적어도 1종의 1가 유기-양이온(at least one monovalent organic-cation), 1가 무기-양이온 또는 이의 임의의 조합(any combination thereof)이고,
    B3는 적어도 1종의 2가 무기-양이온이고,
    X3 및 Y3은 서로 독립적으로, 적어도 1종의 1가 음이온이고,
    k는 0≤k≤3을 만족하는 실수이다.
  2. 제1항에 있어서,
    1가 유기-양이온은 (R1R2R3R4N)+, (R1R2R3R4P)+, (R1R2R3R4As)+, (R1R2R3R4Sb)+, (R1R2N=C(R3)-NR4R5)+, 치환 또는 비치환된 시클로헵타트리에늄, Li+, Na+, K+, Rb+, Cs+, Fr+ 또는 이의 임의의 조합 중에서 선택되고;
    상기 R1 내지 R5 및 상기 치환된 시클로헵타트리에늄의 치환기 중 적어도 하나는 서로 독립적으로, 수소, 중수소, -F, -Cl, -Br, -I, 히드록실기, C1-C20알킬기, C2-C10알케닐기, C2-C10알키닐기, C1-C20알콕시기 및 -N(Q1)(Q2) 중에서 선택되고,
    상기 Q1 및 Q2는 서로 독립적으로, 수소, 중수소, C1-C20알킬기, C2-C10알케닐기, C2-C10알키닐기 및 C1-C20알콕시기 중에서 선택되는, 광전 변환 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    A1 및 A2는 서로 독립적으로 (CH3NH3)+, ((CH3CH2CH2CH2)NH3)+, (NH2CHNH2)+, K+, Rb+, Cs+ 및 이의 임의의 조합 중에서 선택되는, 광전 변환 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    B1 및 B2는 서로 독립적으로 La2 +, Ce2 +, Pr2 +, Nd2 +, Pm2 +, Sm2 +, Eu2 +, Gd2 +, Tb2+, Dy2 +, Ho2 +, Er2 +, Tm2 +, Yb2 +, Lu2 +, Be2 +, Mg2 +, Ca2 +, Sr2 +, Ba2 +, Ra2 +, Pb2 +, Sn2 + 또는 이의 임의의 조합중에서 선택되는, 광전 변환 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    B1 및 B2는 서로 독립적으로 Pb2 +인, 광전 변환 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    X1, Y1, X2 및 Y2는 서로 독립적으로 Cl-, Br- 및 I- 중에서 선택되는, 광전 변환 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 1로 표시되는 제1페로브스카이트 화합물 및 상기 화학식 2로 표시되는 제2페로브스카이트 화합물은 서로 독립적으로 CH3NH3PbI3, CH3NH3PbBr3, CH3NH3PbCl3, CH3NH3PbBr(3-o)Io, CH3NH3PbCl(3-o)Bro, CH3NH3PbCl(3-o)Io, CsPbI3, CsPbBr3, CH3CH2CH2CH2NH3PbBr3, NH2CHNH2PbBr3, NH2CHNH2PbBr(3-o)Io, [CH3NH3](1-x)[NH2CHNH2]xPbBr3 및 [CH3NH3](1-x)[NH2CHNH2]xPbBr(3-o)Io 중에서 선택되고, 여기서, o는 0 보다 크고 3보다 작은 실수, x는 0보다 크고 1보다 작은 실수인, 광전 변환 소자.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서
    상기 전자 차단층에서 극성 고분자의 함량은 화학식 1로 표시되는 제1페로브스카이트 화합물 100 중량부를 기준으로 하여 5 내지 60 중량부이고,
    상기 정공 차단층에서 극성 고분자의 함량은 화학식 2로 표시되는 제2페로브스카이트 화합물 100 중량부를 기준으로 하여 5 내지 60 중량부인, 광전 변환 소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 극성 고분자는 폴리아믹산, 폴리이미드, 폴리비닐알코올(PVA), 폴리아크릴산, 폴리히드록시에틸메타크릴레이트(PHEMA), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리아크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴(PAN) 및 이의 임의의 조합 중에서 선택되는, 광전 변환 소자.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 전자 차단층은 CH3NH3PbI3와 폴리이미드를 포함하고,
    상기 정공 차단층은 CH3NH3PbBr3와 폴리이미드를 포함하는, 광전 변환 소자.
  12. 제11항에 있어서
    상기 정공 차단층의 표면에 사각별 형태, 나비 형태, 불가사리 형태, 톱니 형태 또는 클로버 형태의 패턴이 형성된, 광전 변환 소자.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제3페로브스카이트 화합물의 최저 비점유 분자 궤도(LUMO) 준위는 상기 제1페로브스카이트 화합물의 LUMO 준위 이하이고,
    상기 제3페로브스카이트 화합물의 최고 점유 분자 궤도(HOMO) 준위는 상기 제2페로브스카이트 화합물의 HOMO 준위 이상인, 광전 변환 소자.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제3페로브스카이트 화합물은 다결정인, 광전 변환 소자.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 3으로 표시되는 제3페로브스카이트 화합물은 결정들이 서로 접합된 형태인, 광전 변환 소자.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 3으로 표시되는 제3페로브스카이트 화합물의 최장축의 길이는 1 ㎛ 내지 300 ㎛ 인, 광전 변환 소자.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 3으로 표시되는 제3페로브스카이트 화합물은 CH3NH3PbI3인, 광전 변환 소자.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 광전 변환층은 적외선, 가시광선 또는 엑스선을 흡수하는, 광전 변환 소자.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 광전 변환층은 0.1 내지 1500 ㎛의 두께를 갖는, 광전 변환 소자.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 제2도전층은 반사형, 투과형 또는 반투과형인, 광전 변환 소자.
  21. 제1도전층 상에 하기 화학식 1로 표시되는 제1페로브스카이트 화합물 및 극성 고분자를 포함하는 전자 차단층을 형성하는 단계;
    상기 전자 차단층 상에 하기 화학식 3으로 표시되는 제3페로브스카이트 화합물을 포함하는 광전 변환층을 형성하는 단계;
    상기 광전 변환층 상에 하기 화학식 2로 표시되는 제2페로브스카이트 화합물 및 극석 고분자를 포함하는 정공 차단층을 형성하는 단계; 및
    상기 정공 차단층 상에 제2도전층을 형성하는 단계를 포함하는, 광전 변환 소자의 제조방법:
    <화학식 1>
    [A1][B1][X1 (3-n)Y1 n]
    상기 화학식 1 중,
    A1는 적어도 1종의 1가 유기-양이온(at least one monovalent organic-cation), 1가 무기-양이온 또는 이의 임의의 조합(any combination thereof)이고,
    B1는 적어도 1종의 2가 무기-양이온이고,
    X1 및 Y1은 서로 독립적으로, 적어도 1종의 1가 음이온이고,
    n은 0 ≤ n ≤ 3을 만족하는 실수이고,
    <화학식 2>
    [A2][B2][X2 (3-m)Y2 m]
    상기 화학식 2 중,
    A2는 적어도 1종의 1가 유기-양이온(at least one monovalent organic-cation), 1가 무기-양이온 또는 이의 임의의 조합(any combination thereof)이고,
    B2는 적어도 1종의 2가 무기-양이온이고,
    X2 및 Y2은 서로 독립적으로, 적어도 1종의 1가 음이온이고,
    m은 0 ≤ m ≤ 3을 만족하는 실수이고,
    <화학식 3>
    [A3][B3][X3 (3-k)Y3 k]
    상기 화학식 3 중,
    A3는 적어도 1종의 1가 유기-양이온(at least one monovalent organic-cation), 1가 무기-양이온 또는 이의 임의의 조합(any combination thereof)이고,
    B3는 적어도 1종의 2가 무기-양이온이고,
    X3 및 Y3은 서로 독립적으로, 적어도 1종의 1가 음이온이고,
    k는 0≤k≤3을 만족하는 실수이다.
  22. 삭제
  23. 제21항에 있어서,
    상기 전자 차단층을 형성하는 단계는 상기 제1도전층 상에 상기 화학식 1로 표시되는 제1페로브스카이트 화합물, 및 극성고분자 또는 이의 전구체의 혼합물을 스핀 코팅한 후, 100 내지 300℃로 열처리하여 수행되는, 광전 변화 소자의 제조 방법.
  24. 제21항에 있어서,
    상기 광전 변환층을 형성하는 단계는
    (a) A3-함유 전구체, B3-함유 전구체 및 용매를 포함하는 혼합물에 비용매를 첨가한 후, 70℃ 내지 120℃의 온도에서 교반하여 상기 화학식 3으로 표시되는 상기 제3페로브스카이트 화합물 용액을 제조하는 단계; 및
    (b) 상기 제3페로브스카이트 화합물 용액을 상기 전자 차단층 상에 닥터 블레이드(doctor blade) 또는 바(bar) 코팅하는 단계를 포함하고,
    상기 용매는 디메틸 포름아미드, 디메틸 술폭사이드, γ-부티로락톤, 또는 이들의 조합이고,
    상기 비용매는 α-터핀올(α-terpineol), 헥실 카비톨(hexyl carbitol), 부틸 카비톨 아세테이트(butyl carbitol acetate), 헥실 셀로솔브(hexyl cellosolve), 부틸 셀로솔브 아세테이트(butyl cellosolve acetate), 또는 이들의 조합인, 광전 변화 소자의 제조 방법.
  25. 광 조사부; 광 검출기; 및 제어부;를 포함하고,
    상기 광 검출기가 제1항 내지 제7항 및 제9항 내지 제20항 중 어느 한 항의 광전 변환 소자를 포함하는, 촬상 장치.
  26. 제1항에 있어서,
    상기 극성 고분자는 상기 제1페로브스카이트 화합물 또는 상기 제2페로브스카이트 화합물과 복합체를 형성하는, 광전 변환 소자.
  27. 제1항에 있어서,
    상기 극성 고분자와 상기 제1페로브스카이트 화합물은 각각 별도의 층에 존재하거나,상기 극성 고분자와 상기 제2페로브스카이트 화합물은 각각 별도의 층에 존재하는 광전 변환 소자.
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