KR102629585B1 - 광전 변환 소자 및 이를 포함하는 촬상 장치 - Google Patents
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Abstract
광전 변환 소자 및 이를 포함하는 촬상 장치가 개시된다.
Description
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.
광전 변환 소자 및 이를 포함하는 촬상 장치를 제공하는 것이다. 상세하게는 페로브스카이트 화합물을 포함하는 광전 변환 소자 및 이를 포함하는 촬상 장치를 제공하는 것이다.
일 측면에 따르면, 제1도전층; 제2도전층; 및 상기 제1도전층 및 상기 제2도전층 사이에 개재된 광전 변환층 및 정공 차단층을 포함하고;
상기 정공 차단층은 상기 제2도전층 및 상기 광전 변환층 사이에 개재되고;
상기 정공 차단층은 하기 화학식 1로 표시되는 제1페로브스카이트 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 실수이다.
다른 측면에 따르면, 제1도전층; 제2도전층; 및 상기 제1도전층 및 상기 제2도전층 사이에 개재된 광전 변환층을 포함하고;
상기 광전 변환층은 하기 화학식 2로 표시되는 제2페로브스카이트 화합물을 포함하고,
상기 제2페로브스카이트 화합물은 다결정인, 광전 변환 소자가 제공된다:
<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.
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 정공 차단층의 에너지 레벨을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 다른 실시예를 따르는 광전 변환 소자의 측단면도를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 일 실시예를 따르는 광전 변환 소자의 구동 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 다른 실시예를 따르는 광전 변환 소자의 구동 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 일 실시예를 따르는 광전 변환 소자의 제조 방법을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 7은 다른 실시예를 따르는 광전 변환 소자의 제조 방법을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 8은 평가예 1에 따른 실시예 1의 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9은 평가예 1에 따른 비교예 1의 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 평가예 2에 따른 실시예 2 및 비교예 3의 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11은 평가예 3에 따른 실시예 2의 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 12는 평가예 3에 따른 비교예 2의 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 13는 실시예 2의 광전 변환층의 주사 전자 현미경(SEL: scanning electron microscope) 사진을 나타낸 도면이다.
도 14는 비교예 2의 광전 변환층의 SEL 사진을 나타낸 도면이다.
도 2a 및 2b는 광전 변환층 및 정공 차단층의 에너지 레벨을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 다른 실시예를 따르는 광전 변환 소자의 측단면도를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 일 실시예를 따르는 광전 변환 소자의 구동 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 다른 실시예를 따르는 광전 변환 소자의 구동 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 일 실시예를 따르는 광전 변환 소자의 제조 방법을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 7은 다른 실시예를 따르는 광전 변환 소자의 제조 방법을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 8은 평가예 1에 따른 실시예 1의 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9은 평가예 1에 따른 비교예 1의 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 평가예 2에 따른 실시예 2 및 비교예 3의 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11은 평가예 3에 따른 실시예 2의 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 12는 평가예 3에 따른 비교예 2의 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 13는 실시예 2의 광전 변환층의 주사 전자 현미경(SEL: scanning electron microscope) 사진을 나타낸 도면이다.
도 14는 비교예 2의 광전 변환층의 SEL 사진을 나타낸 도면이다.
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 따른 광전 변환 소자(100)의 측단면도를 개략적으로 도시한다.
광전 변환 소자(100)는 제1도전층(110); 제2도전층(140); 광전 변환층(120); 및 정공 차단층(130)을 포함한다.
광전 변환층(120) 및 정공 차단층(130)은 제1도전층(110) 및 제2도전층(140) 사이에 개재된다.
정공 차단층(130)은 제2도전층(140) 및 광전 변환층(120) 사이에 개재된다.
정공 차단층(130)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 R4 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.
일 실시예에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 제1페로브스카이트 화합물은 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.
정공 차단층(130)은 1 ㎚ 내지 10 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 정공 차단층(130)은 10 ㎚ 내지 10 ㎛, 또는 50 ㎚ 내지 5000 ㎚의 두께를 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 정공 차단층(130)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(130)은 후술하는 바와 같이 형성될 수 있다.
제1도전층(110) 및 제2도전층(140)은 목적에 따라 반사형, 투과형 또는 반투과형일 수 있다.
제1도전층(110) 및 제2도전층(140)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, 제1도선성층용 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(140)은 반사형, 투과형 또는 반투과형 일 수 있다.
다른 구현예에 있어서, 광이 적외선이거나 가시광선이면 제2도전층(140)은 투과형일 수 있다. 광이 제2도전층(140) 쪽에서 입사되기 때문에, 제2도전층(140)은 충분히 투명해야 한다.
제1도전층(110) 및 제2도전층(140)의 두께는 특별히 한정되지 않으나, 10 ㎚ 내지 2000 ㎚의 두께를 가질 수 있다.
제1도전층(110) 및 제2도전층(140)의 형성 방법은 특별히 한정되지 않으며, 코팅, 증착 등의 다양한 방법이 사용될 수 있다.
광전 변환층(120)은 광활성 물질로서, 반도체, 예를 들어, 비정질 Se, CdZnTe, GaAs, InP, Si 및 이의 임의의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또는, 광전 변환층(120)은 광활성 물질로서, 후술하는 화학식 2로 표시되는 제2페로브스카이트 화합물을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
광전 변환층(120)은 광을 흡수할 수 있고, 예를 들어, 적외선, 가시광선 또는 엑스선을 흡수할 수 있다. 더욱 구체적으로, 광전 변환층(120)은 엑스선을 흡수할 수 있다.
광전 변환층(120)은 0.1 ㎛ 내지 2000 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 광전 변환층(120)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(120)은 0.1 ㎛ 내지 1 ㎛의 두께를 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
다른 구현예에 있어서, 광이 엑스선인 경우 광전 변환층(120)은 100 ㎛ 내지 2000 ㎛의 두께를 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
광전 변환층(120)의 형성 방법은 특별히 한정되지 않으며, 코팅과 같은 용액 공정, 증착 등의 다양한 방법이 사용될 수 있다.
도 2a 및 2b는 광전 변환층(120)에 포함된 광활성 물질 및 상기 제1페로브스카이트 화합물의 에너지 레벨을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 2a 및 2b를 참조하면, 상기 광활성 물질의 밴드갭(BgapL)은 상기 제1페로브스카이트 화합물의 밴드갭(BgapP)보다 작을 수 있다. 광전 변환 소자에 외부 전압이 인가되는 경우, 정공 및 전자 주입이 발생하여, 암전류가 증가되는 문제가 발생될 수 있는데, BgapL < BgapP를 만족하면, 암전류가 감소하는 효과를 제공할 수 있다.
예를 들어, BgapP는 1.56 eV 내지 9.00 eV일 수 있다.
예를 들어, BgapL는 1.40 eV 내지 3.00 eV일 수 있다.
도 2a를 참조하면, 상기 광활성 물질의 LUMO 에너지 레벨은 상기 제1페로브스카이트 화합물의 LUMO 에너지 레벨보다 높을 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 2b를 참조하면, 상기 광활성 물질의 LUMO 에너지 레벨은 상기 제1페로브스카이트 화합물의 LUMO 에너지 레벨보다 같거나 낮을 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광전 변환 소자(300)의 측단면도를 개략적으로 도시한다.
광전 변환 소자(300)는 제1도전층(310); 제2도전층(340); 및 광전 변환층(320); 을 포함한다.
광전 변환층(320)은 제1도전층(310) 및 제2도전층(340) 사이에 개재된다.
광전 변환층(320)은 하기 화학식 2로 표시되는 제2페로브스카이트 화합물을 포함할 수 있다:
<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.
상기 제2페로브스카이트 화합물은 다결정일 수 있다. 즉, 상기 제2페로브스카이트 화합물의 결정들이 서로 접합된 형태일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 광전 변환층(320)의 단면은 도 13과 같은 형상을 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 제2페로브스카이트 화합물이 다결정이면, 암전류 감소 효과를 제공하고, 광전 변환 효율의 향상 효과를 제공할 수 있다.
상기 제2페로브스카이트 화합물의 일 결정에서 이의 최장축의 길이는 1㎛ 내지 300 ㎛일 수 있다. 예를 들어, 상기 제2페로브스카이트 화합물의 일 결정에서 이의 최장축의 길이는 10 ㎛ 내지 50 ㎛일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 제2페로브스카이트 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 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 2로 표시되는 제2페로브스카이트 화합물은 CH3NH3PbI3일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
광전 변환층(320)은 광을 흡수할 수 있고, 예를 들어, 적외선, 가시광선 또는 엑스선을 흡수할 수 있다. 더욱 구체적으로, 광전 변환층(320)은 엑스선을 흡수할 수 있다.
광전 변환층(320)은 0.1 ㎛ 내지 2000 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 광전 변환층(320)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(320)은 0.1 ㎛ 내지 1 ㎛의 두께를 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
다른 구현예에 있어서, 광이 엑스선인 경우 광전 변환층(320)은 100 ㎛ 내지 2000 ㎛의 두께를 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 구현예에 있어서, 광이 엑스선이면 제2도전층(340)은 반사형, 투과형 또는 반투과형 일 수 있다.
다른 구현예에 있어서, 광이 적외선이거나 가시광선이면 제2도전층(340)은 투과형일 수 있다. 광이 제2도전층(340) 쪽에서 입사되기 때문에, 제2도전층(340)은 충분히 투명해야 한다.
광전 변환 소자(300)는 정공 차단층(미도시)을 포함하는 등의 다양한 변형이 가능하다. 구체적으로, 광전 변환 소자(300)은 상기 화학식 1로 표시되는 제1페로브스카이트 화합물을 포함하는 정공 차단층을 더 포함할 수 있고, 상기 정공 차단층은 광전 변환층(320) 및 제2도전층(340) 사이에 개재될 수 있다.
제1도전층(310), 제2도전층(340) 및 광전 변환층(320)에 대한 설명은 전술한 제1도전층(110), 제2도전층(140) 및 광전 변환층(120)에 대한 설명을 참조한다.
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(440); 및 제1도전층(411, 412, 413) 및 제2도전층(440) 사이에 개재된 광전 변환층(420) 및 정공 차단층(430)을 포함하고;
정공 차단층(430)은 제2도전층(440) 및 광전 변환층(420) 사이에 개재되고;
상기 정공 차단층은 상기 화학식 1로 표시되는 제1페로브스카이트 화합물을 포함하고,
제1도전층(411, 412, 413)을 음극(negative bias)으로 하고, 제2도전층(440)을 양극(positive bias)으로 하여 전계가 인가될 수 있다.
제1도전층(411, 412, 413), 제2도전층(440), 광전 변환층(420) 및 정공 차단층(430)은 달리 명시하지 않는 한, 전술한 제1도전층(110), 제2도전층(140), 광전 변환층(120) 및 정공 차단층(130)에 대한 설명을 참조한다.
제2도전층(440)에는 전원(460)이 연결되어 전계가 인가된다. 전원(460)의 타단은 접지되어 있을 수도 있다. 이에 따라, 제1도전층(411, 412, 413) 및 제2도전층(440) 사이에는 전기장이 걸리게 된다. 광(470)이 광전 변환층(420)에 입사되면, 광전 변환층(420)에 포함된 광활성 물질에 의해 전자와 정공으로 변환된다. 변환된 전자와 정공은 전기장에 의해 제2도전층(440) 및 제1도전층(411, 412, 413)으로 각각 끌려가게 된다.
제1도전층(411, 412, 413)은 검출부(451, 452, 453)와 연결될 수 있다. 제1도전층(411, 412, 413)은 검출부(451, 452, 453) 및 광전 변환층(420) 사이에 개재될 수 있다. 즉, 검출부(451, 452, 453)는 광전 변환층(420)의 배면(즉, 광의 출사면)에 배치될 수 있다.
검출부(451, 452, 453)는 광전 변환층(420)에서 생성된 전하(480)를 검출한다. 검출부(451, 452, 453)는 저장 커패시터(451a, 452a, 453a)와 저장 커패시터(451a, 452a, 453a)에 수집된 전하 전하(480)를 읽어내는 독출회로(451b, 452b, 453b)를 포함할 수 있다.
독출회로(451b, 452b, 453b)는 저장 커패시터(451a, 452a, 453a)의 전하량을 디지털신호로 변환한다. 이러한 디지털신호는 신호처리부에서 영상신호로 변환되게 된다.
제2도전층(440), 광전 변환층(420) 및 정공 차단층(430)은 제1도전층(411, 412, 413)을 덮도록 형성될 수 있다.
도 5는 다른 실시예에 따른 광전 변환 소자의 구동 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 5는 평판형 촬상 장치를 일 예시로서 도시하는 것이며, 그외에 다른 다양한 변형이 가능하다.
제1도전층(511, 512, 513); 제2도전층(540); 및 제1도전층(511, 512, 513) 및 제2도전층(540) 사이에 개재된 광전 변환층(520)을 포함하고;
광전 변환층(520)은 상기 화학식 2로 표시되는 제2페로브스카이트 화합물을 포함하고,
상기 제2페로브스카이트 화합물은 다결정일 수 있다.
제1도전층(511, 512, 513)을 음극(negative bias)으로 하고, 제2도전층(540)을 양극(positive bias)으로 하여 전계가 인가될 수 있다.
제1도전층(511, 512, 513), 제2도전층(540), 광전 변환층(520), 검출부(551, 552, 553), 저장 커패시터(551a, 552a, 553a), 독출회로(551b, 552b, 553b), 광(570) 및 전하(580)에 대한 설명은, 달리 명시하지 않는 한, 제1도전층(411, 412, 413), 제2도전층(440), 광전 변환층(420), 검출부(451, 452, 453), 저장 커패시터(451a, 452a, 453a), 독출회로(451b, 452b, 453b), 광(470) 및 전하(480)에 대한 설명을 참조한다.
도 6은 일 실시예에 따른 광전 변환 소자의 제조 방법을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
일 실시예에 따른 광전 변환 소자의 제조 방법은 제1도전층을 제공하는 단계; 광전 변환층을 제공하는 단계; A1-함유 전구체, B1-함유 전구체 및 용매를 포함하는 제1혼합물을 제공하여, 상기 화학식 1로 표시되는 제1페로브스카이트 화합물을 포함하는 정공 차단층을 형성하는 단계; 및 제2도전층을 제공하는 단계; 를 포함한다.
먼저, 도 6에 도시된 바와 같이, 제1도전층(610)이 제공된다. 제1도전층(610)은 도 1에서 설명한 바와 같고, 제1도전층(610)은 공지된 다양한 방법이 적용하여 제공될 수 있으므로, 자세한 설명은 생략한다.
그 다음, 제1도전층(610) 상에 광전 변환층(620)이 제공된다. 광전 변환층(620)은 도 1에서 설명한 바와 같고, 광전 변환층(620)은 공지된 다양한 방법이 적용하여 제공될 수 있으므로, 자세한 설명은 생략한다.
그 다음, 광전 변환층(620) 상에 정공 차단층(630)이 제공된다. 정공 차단층(630)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.
예를 들어, 상기 제1혼합물을 광전 변환층(620) 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 정공 차단층(630)의 구조를 고려하여 선택될 수 있다.
한편, 상기 제1혼합물은 다른 공지된 다양한 방법을 적용하여 광전 변환층(620) 상에 제공될 수 있다.
정공 차단층(630) 상에 제공된 상기 제1혼합물은 열처리됨으로써 정공 차단층(630)을 형성할 수 있다.
예를 들어, 열처리 조건은 15분 내지 2시간의 시간 범위 및 100℃ 내지 200℃의 온도 범위 내에서 상기 제1혼합물의 조성 및 정공 차단층(630)의 구조를 고려하여 선택될 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, 정공 차단층(630) 상에 제2도전층(640)이 제공된다. 제2도전층(640)은 도 1에서 설명한 바와 같고, 제2도전층(640)은 공지된 다양한 방법이 적용하여 제공될 수 있으므로, 자세한 설명은 생략한다.
도 7은 다른 실시예에 따른 광전 변환 소자의 제조 방법을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
다른 실시예에 따른 광전 변환 소자의 제조 방법은 제1도전층을 제공하는 단계; 상기 화학식 2로 표시되는 제2페로브스카이트 화합물을 포함하는 광전 변환층을 제공하는 단계; 및 제2도전층을 제공하는 단계; 를 포함하고,
상기 광전 변환층을 제공하는 단계는 A2-함유 전구체, B2-함유 전구체 및 용매를 포함하는 제2혼합물을 제공하는 단계; 및 상기 제2혼합물에 비용매를 첨가하여 제3혼합물을 제공하는 단계;를 포함한다.
먼저, 도 7에 도시된 바와 같이, 제1도전층(710)이 제공된다. 제1도전층(710)은 도 1에서 설명한 바와 같고, 제1도전층(710)은 공지된 다양한 방법이 적용하여 제공될 수 있으므로, 자세한 설명은 생략한다.
그 다음, 제1도전층(710) 상에 광전 변환층(720)이 제공된다. 광전 변환층(720)은 상기 화학식 2로 표시되는 제2페로브스카이트 화합물을 포함한다. 상기 화학식 2로 표시되는 제2페로브스카이트 화합물은 A2-함유 전구체, B2-함유 전구체 및 용매를 포함하는 제2혼합물을 제공하고, 상기 제2혼합물에 비용매를 첨가하여 제3혼합물을 제공함으로써, 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 A2-함유 전구체는 A2의 할로겐화물(예를 들면, (A2)(X2)) 중에서 선택되고, 상기 B1-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 2에 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 또는 이들의 조합일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 비용매는 A2-함유 전구체 및 B2-함유 전구체의 용해성이 낮은 물질 중에서 선택될 수 있다. 예를 들어, 상기 비용매는 α-터핀올(α-terpineol)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 제3혼합물을 제1도전층(710) 상에 바 코팅할 수 있다. 비용매를 첨가함으로써, 제3혼합물의 점도가 높아질 수 있으므로, 바 코팅에 의하여 상기 제3혼합물을 제공할 수 있다. 바 코팅에 의하여 상기 제3혼합물을 제공하는 경우, 바 코팅 조건은, 예를 들면, 약 80℃ 내지 200℃의 온도 범위 내에서, 상기 제3혼합물의 조성 및 광전 변환층(720)의 구조를 고려하여 선택될 수 있다.
한편, 상기 제3혼합물은 다른 공지된 다양한 방법을 적용하여 제1도전층(710) 상에 제공될 수 있다.
제1도전층(710) 상에 제공된 상기 제3혼합물은 열처리됨으로써 광전 변환층(720)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(720)의 구조를 고려하여 선택될 수 있다.
선택적으로, 상기 제3혼합물을 제1도전층(710) 상에 제공하여, 상기 화학식 2로 표시되는 제2페로브스카이트 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 A2-함유 전구체를 기체상으로 더 공급할 수도 있다. 이러한 경우, 상기 화학식 2로 표시되는 제2페로브스카이트 화합물은 다결정일 수 있다.
그 다음, 광전 변환층(720) 상에 제2도전층(740)이 제공된다. 제2도전층(740)은 도 1에서 설명한 바와 같고, 제2도전층(740)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 1 및 3을 참조하여 설명한 광전 변환 소자(100, 300)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: 혼합물 A의 제조
반응 용기에 CH3NH3Br, PbBr2, 디메틸 포름아미드 및 디메틸술폭사이드를 1:1:6.76:2의 몰비로 첨가한 다음, 1시간 동안 교반함으로써 혼합물 A를 제조하였다.
제조예 2: 혼합물 C의 제조
(1) 혼합물 B의 제조
반응 용기에 CH3NH3I, PbI2 및 γ-부티로락톤을 1:1:2.5의 몰비로 80℃에서 밤새도록 교반하여 혼합물 B를 제조하였다.
(2) 혼합물 C의 제조
상기 혼합물 B에 혼합물 B에 포함된 γ-부티로락톤의 30 중량%의 함량만큼 α-터핀올을 더 첨가하고, 80℃에서 밤새도록 교반하여 혼합물 C를 제조하였다.
비교제조예 1: 혼합물 X의 제조
(1) 혼합물 B의 제조
반응 용기에 CH3NH3I, PbI2 및 γ-부티로락톤을 1:1:2.5의 몰비로 80℃에서 밤새도록 교반하여 혼합물 B를 제조하였다.
(2) 혼합물 X의 제조
상기 혼합물 B에 혼합물 B에 포함된 γ-부티로락톤의 30 중량%의 함량만큼 α-터핀올을 더 첨가하고, 80℃에서 30분 동안 교반하여 혼합물 X를 제조하였다.
실시예 1
(1) 제1기판의 형성
비정질 ITO를 유리 기판 상에 스퍼터링하여 200㎚ 두께의 제1도전층을 형성하였다.
상기 제1도전층 상에 혼합물 C를 410 ± 20 ㎛의 두께로 바 코팅하였다. 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 400 ± 5 ㎛ 두께의 광전 변환층을 형성함으로써, 제1기판을 형성하였다.
(2) 제2기판의 형성
비정질 ITO를 유리 기판 상에 스퍼터링하여 200㎚ 두께의 제2도전층을 형성하였다.
상기 제2도전층 상에 혼합물 A를 2000 rpm으로 30초 동안 스핀 코팅하였다. 이 때, 스핀 코팅한지 10초되는 시점부터 디에틸 에테르를 초당 2ml의 속도로 20초간 적가하였다. 이를 100℃에서 10분간 열처리하여, CH3NH3PbBr3를 포함한 700㎚ 두께의 정공 차단층을 형성함으로써, 제2기판을 형성하였다.
(3) 광전 변환 소자의 제작
상기 제1기판 상에 상기 제2기판을 결합함으로써 유리 기판 ITO/정공차단층/광전변환층/ITO/유리 기판으로 구성된 광전 변환 소자를 제작하였다.
비교예 1
10 ㎛의 폴리이미드 정공 차단층을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 광전 변환 소자를 제작하였다.
평가예 1
실시예 1 및 비교예 1의 광전 변환 소자에 대해 다양한 전압을 인가하고, 이에 따른 전류 밀도를 측정하였다. 이 때, 나머지 조건은 동일하나 외광이 있는 조건(Photo)과 외광이 없는 조건(Dark)을 설정하여 실험을 반복하였다. 실시예 1에 대한 실험 결과를 도 8에 나타내었고, 비교예 1에 대한 실험 결과를 도 9에 나타내었다.
도 8 및 9를 참조하면, 실시예 1의 광전 변환 소자가 더 낮은 암전류를 갖는다는 것을 확인할 수 있다.
실시예 2
비정질 ITO를 유리 기판 상에 스퍼터링하여 200㎚ 두께의 제1도전층을 형성하였다.
상기 제1도전층 상에 혼합물 C를 410 ± 20 ㎛의 두께로 바 코팅하였다. 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 400 ± 5 ㎛ 두께의 광전 변환층을 형성하였다.
상기 광전 변환층 상에 비정질 ITO가 200 ㎚의 두께로 스퍼터링된 유리 기판을 결합하여 제2도전층을 형성함으로써, 광전 변환 소자를 제작하였다.
실시예 2의 광전 변환 소자 중의 광전 변환층의 SEL 이미지를 도 13에 도시하였다.
비교예 2
광전 변환층 형성 시 혼합물 C 대신 혼합물 X를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 광전 변환 소자를 제작하였다.
비교예 2의 광전 변환 소자 중의 광전 변환층의 전자현미경 이미지를 도 14에 도시하였다.
평가예 2
실시예 2 및 비교예 2의 광전 변환 소자에 대해 다양한 전압을 인가하고, 이에 따른 전류 밀도를 측정하였다. 이 때, 나머지 조건은 동일하나 외광이 있는 조건(Photo)과 외광이 없는 조건(Dark)을 설정하여 실험을 반복하였다. 그 결과를 도 10에 나타내었다.
도 10을 참조하면, 실시예 2의 광전 변환 소자가 더 낮은 암전류를 갖는다는 것을 확인할 수 있다.
평가예 3
실시예 2의 광전 변환 소자에 대해 다양한 전압을 인가하고, 비교예 2의 광전 변환 소자에 대해 600V의 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. 실시예 2에 대한 실험 결과를 도 11에 나타내었고, 비교예 2에 대한 실험 결과를 도 12에 나타내었다.
도 11 및 12를 참조하면, 실시예 2의 광전 변환 소자가 엑스선에 대한 감도가 더 높음을 확인할 수 있다.
100, 300: 광전 변환 소자
110, 310, 610, 710, 411, 412, 413, 511, 512, 513: 제1도전층
120, 320, 420, 520, 620, 720: 광전 변환층
130, 430, 730: 정공 차단층
140, 340, 440, 540, 640, 740: 제2도전층
451, 452, 453, 551, 552, 553: 검출부
451b, 452b, 453b, 551b, 552b, 553b: 독출회로
451a, 452a, 453a, 551a, 552a, 553a: 저장 커패시터
460, 560: 전원
470, 570: 광
480, 580: 전하
110, 310, 610, 710, 411, 412, 413, 511, 512, 513: 제1도전층
120, 320, 420, 520, 620, 720: 광전 변환층
130, 430, 730: 정공 차단층
140, 340, 440, 540, 640, 740: 제2도전층
451, 452, 453, 551, 552, 553: 검출부
451b, 452b, 453b, 551b, 552b, 553b: 독출회로
451a, 452a, 453a, 551a, 552a, 553a: 저장 커패시터
460, 560: 전원
470, 570: 광
480, 580: 전하
Claims (19)
- 제1도전층; 제2도전층; 및 상기 제1도전층 및 상기 제2도전층 사이에 개재된 광전 변환층을 포함하고;
상기 광전 변환층은 제2페로브스카이트 화합물을 포함하고,
상기 제2페로브스카이트 화합물은 결정들이 서로 접합된 형태의 다결정이고, 하기 화학식 2로 표시되고,
상기 제2페로브스카이트 화합물 결정의 최장축의 길이는 1㎛ 내지 300 ㎛인, 광전 변환 소자:
<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. - 제1항에 있어서,
상기 화학식 2로 표시되는 제2페로브스카이트 화합물은 CH3NH3PbI3인, 광전 변환 소자. - 제1항에 있어서,
상기 광전 변환층은 적외선, 가시광선 또는 엑스선을 흡수하는, 광전 변환 소자. - 제1항에 있어서,
상기 광전 변환층은 0.1 ㎛ 내지 2000 ㎛의 두께를 갖는, 광전 변환 소자. - 제1항에 있어서,
상기 제2도전층은 반사형, 투과형 또는 반투과형인, 광전 변환 소자. - 제1항에 있어서,
상기 제2도전층 및 상기 광전 변환층 사이에 개재된 정공 차단층을 더 포함하고,
상기 정공 차단층은 하기 화학식 1로 표시되는 제1페로브스카이트 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 실수이다. - 제6항에 있어서,
A1는 (CH3NH3)+, ((CH3CH2CH2CH2)NH3)+, K+, Rb+, Cs+, 또는 이의 임의의 조합인, 광전 변환 소자. - 제6항에 있어서,
B1는 Pb2+인, 광전 변환 소자. - 제6항에 있어서,
X1 및 Y1은 서로 독립적으로, Cl-, Br- 및 I- 중에서 선택되는, 광전 변환 소자. - 제6항에 있어서,
상기 화학식 1로 표시되는 제1페로브스카이트 화합물은 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 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. - 제6항에 있어서,
상기 정공 차단층은 1 ㎚ 내지 10 ㎛의 두께를 갖는, 광전 변환 소자. - 제6항에 있어서,
상기 제2도전층은 반사형, 투과형 또는 반투과형인, 광전 변환 소자. - 제6항에 있어서,
상기 광전 변환층은 적외선, 가시광선 또는 엑스선을 흡수하는, 광전 변환 소자. - 제6항에 있어서,
상기 광전 변환층은 0.1 ㎛ 내지 2000 ㎛의 두께를 갖는, 광전 변환 소자. - 제6항에 있어서,
상기 광전 변환층은 광활성 물질을 포함하고;
상기 제2페로브스카이트 화합물의 밴드갭(BgapL)은 상기 제1페로브스카이트 화합물의 밴드갭(BgapP)보다 작은, 광전 변환 소자. - 광 조사부; 광 검출기; 및 제어부;를 포함하고,
상기 광 검출기가 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항의 광전 변환 소자를 포함하는, 촬상 장치. - 삭제
- 삭제
- 삭제
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