KR102644072B1 - 페로브스카이트 및 다른 태양 전지 물질 - Google Patents

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제레드 에이. 츄트
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Abstract

광기전력 디바이스, 예컨대 태양 전지, 하이브리드 태양 전지-배터리 및 다른 이러한 디바이스는 2개의 전극 사이에 배치된 활성 층을 포함할 수 있으며, 상기 활성 층은 페로브스카이트 물질 및 다른 물질, 예컨대 메조다공성 물질, 계면 층, 얇은-코트 계면 층 및 그의 조합을 갖는다. 페로브스카이트 물질은 광활성일 수 있다. 페로브스카이트 물질은 광기전력 디바이스에서 2종 이상의 다른 물질 사이에 배치될 수 있다. 광기전력 디바이스의 활성 층 내에 이들 물질을 다양한 배열로 포함시키는 것은 디바이스 성능을 개선시킬 수 있다. 다른 물질, 예컨대, 예를 들어: 추가의 페로브스카이트 및 추가의 계면 층을 포함시켜 디바이스 성능을 추가로 개선시킬 수 있다.

Description

페로브스카이트 및 다른 태양 전지 물질 {PEROVSKITE AND OTHER SOLAR CELL MATERIALS}
태양 에너지 또는 방사선으로부터 전력을 생성하기 위한 광기전력 (PV)의 사용은, 예를 들어, 전력원, 저배출 또는 무배출, 전력 그리드와 독립적인 전력 생산, 내구성 물리적 구조 (이동 부품 없음), 안정하고 신뢰성 있는 시스템, 모듈 구성, 비교적 신속한 설치, 안정한 제조 및 사용, 및 사용의 우수한 여론 및 수용을 포함한 많은 이익을 제공할 수 있다.
본 개시내용의 특색 및 이점은 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 쉽게 명백할 것이다. 수많은 변형이 관련 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이루어질 수 있지만, 이러한 변형은 본 발명의 취지 내에 있다.
도 1은 본 개시내용의 일부 실시예에 따른 DSSC의 다양한 층을 도시하는 DSSC 설계의 도시이다.
도 2는 본 개시내용의 일부 실시예에 따른 DSSC의 다양한 층을 도시하는 DSSC 설계의 또 다른 도시이다.
도 3은 본 개시내용의 일부 실시예에 따른 BHJ 디바이스 설계의 예시적인 도시이다.
도 4는 본 개시내용의 일부 실시예에 따른 활성 층을 포함한 전형적 광기전력 전지의 개략도이다.
도 5는 본 개시내용의 일부 실시예에 따른 전형적 고체 상태 DSSC 디바이스의 개략도이다.
도 6은 본 개시내용의 일부 실시예에 따른 예시적인 하이브리드 PV 배터리의 구성요소의 도시이다.
도 7은 본 개시내용의 일부 실시예에 따른 예시적인 PV 디바이스의 구성요소를 도시하는 양식화된 다이어그램이다.
도 8a는 본 개시내용의 일부 실시예에 따른 하이브리드 PV 배터리를 도시하는 양식화된 다이어그램이다.
도 8b는 본 개시내용의 일부 실시예에 따른 하이브리드 PV 배터리에 관한 전기적 등가 다이어그램이다.
도 9는 본 개시내용의 일부 실시예에 따른 예시적인 PV 디바이스의 구성요소를 나타내는 양식화된 다이어그램이다.
도 10은 본 개시내용의 일부 실시예에 따른 예시적인 PV 디바이스의 구성요소를 나타내는 양식화된 다이어그램이다.
도 11은 본 개시내용의 일부 실시예에 따른 예시적인 PV 디바이스의 구성요소를 나타내는 양식화된 다이어그램이다.
유기, 비-유기 및/또는 하이브리드 PV와 호환성인 PV 기술의 다양한 측면의 개선은 OPV 및 다른 PV 둘 다의 비용을 더욱 낮추는데 유망하다. 예를 들어, 일부 태양 전지, 예컨대 고체 상태 염료-감응 태양 전지는 신규하고 비용-효율적이고 고-안정성의 대안적인 구성요소, 예컨대 고체 상태 전하 수송 물질 (또는 통칭적으로 "고체 상태 전해질")을 이용할 수 있다. 또한, 다양한 종류의 태양 전지는 유리하게는, 다른 이점 중에서도, 현존하는 통상적인 옵션보다 비용-효율적이고 내구성일 수 있는 계면 물질 및 다른 물질을 포함할 수 있다.
본 개시내용은 일반적으로 태양 방사선으로부터 전기 에너지의 생성에 있어서 물질의 조성물, 광기전력 전지 내의 장치 및 물질의 사용 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시내용은 물질의 광활성 및 다른 조성물, 뿐만 아니라 장치, 사용 방법, 및 물질의 이러한 조성물의 형성에 관한 것이다.
물질의 이들 조성물의 예는, 예를 들어, 정공-수송 물질 및/또는 예를 들어 계면 층, 염료 및/또는 PV 디바이스의 다른 요소로서의 사용에 적합할 수 있는 물질을 포함할 수 있다. 이러한 화합물은 다양한 PV 디바이스, 예컨대 이종접합 전지 (예를 들어, 이중층 및 벌크), 하이브리드 전지 (예를 들어, 유기물과, CH3NH3PbI3, ZnO 나노로드 또는 PbS 양자점); 및 DSSC (염료-감응 태양 전지)에서 활용될 수 있다. 후자인 DSSC는 3가지 형태로 존재한다: 용매-기재 전해질, 이온성 액체 전해질, 및 고체 상태 정공 수송체 (또는 고체 상태 DSSC, 즉 SS-DSSC). 일부 실시예에 따른 SS-DSSC 구조는 전해질이 실질적으로 없을 수 있으며, 정공-수송 물질, 예컨대 스피로-OMeTAD, CsSnI3 및 다른 활성 물질을 다소 함유한다.
본 개시내용의 일부 실시예에 따른 물질 중 일부 또는 전부는 또한 유리하게는 임의의 유기 또는 다른 전자 디바이스에서 사용될 수 있으며, 일부 예는 배터리, 전계 효과 트랜지스터 (FET), 발광 다이오드 (LED), 비-선형 광학 디바이스, 멤리스터, 커패시터, 정류기 및/또는 정류 안테나를 포함하나, 이에 제한되지는 않는다.
일부 실시예에서, 본 개시내용은 PV 및 다른 유사한 디바이스 (예를 들어, 배터리, 하이브리드 PV 배터리, 다중접합 PV, FET, LED 등)를 제공할 수 있다. 이러한 디바이스는 일부 실시예에서 개선된 활성 물질, 계면 층 및/또는 하나 이상의 페로브스카이트 물질을 포함할 수 있다. 페로브스카이트 물질은 PV 또는 다른 디바이스의 다양한 하나 이상의 측면에 혼입될 수 있다. 일부 실시예에 따른 페로브스카이트 물질은 화학식 CMX3을 가질 수 있으며, 여기서 C는 하나 이상의 양이온 (예를 들어, 아민, 암모늄, 1족 금속, 2족 금속 및/또는 다른 양이온 또는 양이온-유사 화합물)을 포함하고; M은 하나 이상의 금속 (예시는 Fe, Co, Ni, Cu, Sn, Pb, Bi, Ge, Ti, 및 Zr 포함)을 포함하고; X는 하나 이상의 음이온을 포함한다. 다양한 실시예에 따른 페로브스카이트 물질은 하기에 보다 상세하게 논의된다.
광기전력 전지 및 다른 전자 디바이스
일부 PV 실시예는 도 1, 3, 4 및 5에 나타내어진 바와 같이 태양 전지의 다양한 예시적인 도시를 참조하여 설명될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에 따른 예시적인 PV 아키텍처는 실질적으로 기판-애노드-IFL-활성 층-IFL-캐소드 형태를 가질 수 있다. 일부 실시예의 활성 층은 광활성일 수 있고/거나, 이는 광활성 물질을 포함할 수 있다. 다른 층 및 물질은 종래 기술에서 공지된 바와 같이 전지에서 활용될 수 있다. 게다가, 용어 "활성 층"의 사용은 임의의 다른 층의 특성을 어떤 방식으로도 제한하거나 다르게는 명백하게 또는 내재적으로 규정하는 것으로 의도되지는 않는 것을 유의해야 한다 - 예를 들어, 일부 실시예에서, 어느 하나 또는 둘 다의 IFL는 이들이 반전도성일 수 있는 한 또한 활성일 수 있다. 특히, 도 4를 참조하면, 양식화된 일반적 PV 전지(2610)가 도시되며, 이는 PV 내의 일부 층의 고도의 계면 성질을 예시한다. PV(2610)는 여러 PV 디바이스, 예컨대 DSSC PV 실시예에 적용가능한 일반적인 아키텍처를 나타낸다. PV 전지(2610)는 태양 방사선(2614)이 층을 거쳐 투과하는 것을 가능하게 하는 유리 (또는 태양 방사선에 대해 유사하게 투명한 물질)의 투명 층(2612)을 포함한다. 일부 실시예의 투명 층은 또한 기판으로서 (예를 들어, 도 1의 기판 층(1507)과 같이) 지칭할 수 있고, 이는 다양한 경질 또는 가요성 물질, 예컨대 유리, 폴리에틸렌, PET, 캡톤(Kapton), 석영, 알루미늄 호일, 금 호일 또는 스틸 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 광활성 층(2616)은 전자 공여자 또는 p-형 물질(2618) 및 전자 수용자 또는 n-형 물질(2620)로 구성된다. 활성 층 또는 도 4에 도시된 바와 같은 광-활성 층(2616)이 2개의 전기 전도성 전극 층(2622 및 2624) 사이에 개재된다. 도 4에서, 전극 층(2622)은 ITO 물질이다. 앞서 언급한 바와 같이, 도 4에 나타내어진 디바이스에서 그러하더라도, 일부 실시예의 활성 층은 반드시 광활성일 필요는 없다. 전극 층(2624)는 알루미늄 물질이다. 다른 물질은 관련 기술분야에 공지된 바와 같이 사용될 수 있다. 전지(2610)는 또한 PEDOT:PSS 물질로서 도 4의 예에 나타내어진, 계면 층 (IFL)(2626)을 포함한다. IFL은 전하 분리에 도움이 될 수 있다. 일부 실시예에서, IFL(2626)은 자기 조립 단층 (SAM)으로서 또는 얇은 필름으로서 본 개시내용에 따른 광활성 유기 화합물을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, IFL(2626)은 얇은-코트 이중층을 포함할 수 있으며, 이는 하기에 보다 상세하게 논의된다. 또한 디바이스의 알루미늄-캐소드 측 상에 IFL(2627)이 있을 수 있다. 일부 실시예에서, 디바이스의 알루미늄-캐소드 측 상의 IFL(2627)은 또한 또는 그 대신에 자기 조립 단층 (SAM)으로서 또는 얇은 필름으로서 본 개시내용에 따른 광활성 유기 화합물을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 디바이스의 알루미늄-캐소드 측 상의 IFL(2627)은 또한 또는 그 대신에 얇은-코트 이중층을 포함할 수 있다 (또한 하기에 보다 상세하게 논의됨). 일부 실시예에 따른 IFL은 특징이 반전도성일 수 있고, p-형 또는 n-형일 수 있다. 일부 실시예에서, 디바이스의 캐소드 측 상의 IFL (예를 들어, 도 4에 나타내어진 바와 같은 IFL(2627))은 p-형일 수 있고, 디바이스의 애노드 측 상의 IFL (예를 들어, 도 4에 나타내어진 바와 같은 IFL(2626))이 n-형일 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서는, 캐소드-측 IFL이 n-형일 수 있고, 애노드-측 IFL이 p-형일 수 있다. 전지(2610)는 리드(2630) 및 배출 유닛(2632), 예컨대 배터리에 부착된다.
또한 추가 실시예는 양식화된 BHJ 디바이스 설계를 도시한 도 3을 참조하여 설명할 수 있고, 유리 기판(2401); ITO (주석-도핑된 인듐 옥시드) 전극(2402); 계면 층 (IFL)(2403); 광활성 층(2404); 및 LiF/Al 캐소드(2405)를 포함한다. 참조된 BHJ 구성의 물질은 단지 예이고; 관련 기술분야에 공지된 임의의 다른 BHJ 구성이 본 개시내용과 일치하여 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 광활성 층(2404)은 도 4의 디바이스의 활성 또는 광활성 층(2616)이 포함할 수 있는 어느 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다.
도 1은 일부 실시예에 따른 DSSC PV의 간략화된 도시이고, 여기서 이러한 예시적인 PV의 조립을 설명하기 위한 목적으로 참조된다. 도 1에 나타내어진 바와 같은 예시적인 DSSC는 하기에 따라 구축될 수 있다: 전극 층(1506) (플루오린-도핑된 주석 옥시드, FTO로 나타내어짐)은 기판 층(1507) (유리로 나타내어짐) 상에 침착된다. 메조다공성 층 ML(1505) (이는 일부 실시예에서는 TiO2일 수 있음)은 전극 층(1506) 상에 침착되고, 이어서 광전극 (지금까지 기판 층(1507), 전극 층(1506) 및 메조다공성 층(1505) 포함)을 용매 (나타내지 않음) 및 염료(1504) 중에 침지시킨다. 이는 염료(1504)를 ML의 표면에 결합된 채로 남겨둔다. 개별 반대-전극은 기판 층(1501) (또한 유리로 나타내어짐) 및 전극 층(1502) (Pt/FTO로 나타내어짐)을 포함하여 제조된다. 광전극 및 반대-전극은 도 1에 나타내어진 바와 같이 2개의 기판 층(1501 및 1507) 사이에 다양한 층(1502-1506)을 개재하고, 전극 층(1502 및 1506)이 각각 캐소드 및 애노드로 활용되는 것을 가능하게 하도록 조합된다. 전해질의 층(1503)은 염료 층(1504) 이후에 완료된 광전극 상에 직접 또는 디바이스 내의 개구부, 전형적으로 반대-전극 기판(1501)에서 샌드-블라스팅에 의해 예비-시추된 구멍을 통해 침착된다. 전지는 또한 리드 및 배출 유닛, 예컨대 배터리 (나타내지 않음)에 부착될 수 있다. 기판 층(1507) 및 전극 층(1506) 및/또는 기판 층(1501) 및 전극 층(1502)은 태양 방사선이 광활성 염료(1504)를 거쳐 통과하는 것을 허용하기에 충분한 투명성을 가져야 한다. 일부 실시예에서, 반대-전극 및/또는 광전극은 경질일 수 있고, 반면에 다른 실시예에서는 어느 하나 또는 둘 다는 가요성일 수 있다. 다양한 실시예의 기판 층은 유리, 폴리에틸렌, PET, 캡톤, 석영, 알루미늄 호일, 금 호일 및 스틸 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, DSSC는 디바이스의 광활성 층을 통한 광의 경로 길이를 증가시키기 위해 (그에 의해 광이 광활성 층에 흡수되는 가능성이 증가함) 입사광을 산란시키도록, 도 2에 나타내어진 바와 같이, 집광 층(1601)을 추가로 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 본 개시내용은 고체 상태 DSSC를 제공한다. 일부 실시예에 따른 고체 상태 DSSC는 액체 전해질을 포함하는 DSSC에 영향을 미칠 수 있는 누출 및/또는 부식 문제의 결핍과 같은 이점을 제공할 수 있다. 게다가, 고체 상태 전하 캐리어는 보다 빠른 디바이스 물리학 (예를 들어, 보다 빠른 전하 수송)을 제공할 수 있다. 추가적으로, 고체 상태 전해질은, 일부 실시예에서, 광활성일 수 있고, 이에 따라 고체 상태 DSSC 디바이스로부터 유도된 동력에 기여할 수 있다.
고체 상태 DSSC의 일부 예는 전형적 고체 상태 DSSC의 양식화된 개략도인 도 5를 참고하여 설명될 수 있다. 예를 들어 도 4에 도시된 예시적인 태양 전지와 같이, 제1 및 제2 활성 (예를 들어, 전도성 및/또는 반전도성) 물질 (각각 (2810 및 2815))로 구성된 활성 층은 전극(2805 및 2820) (도 5에 각각 Pt/FTO 및 FTO로 나타내어짐) 사이에 개재된다. 도 5에 도시된 실시예에서, 제1 활성 물질(2810)은 p-형 활성 물질이고, 고체 상태 전해질을 포함한다. 특정 실시예에서, 제1 활성 물질(2810)은 유기 물질, 예컨대 스피로-OMeTAD 및/또는 폴리(3-헥실티오펜), 무기 2원, 3원, 4원 또는 그 초과의 착물, 임의의 고체 반전도성 물질, 또는 그의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 활성 물질은 추가적으로 또는 그 대신에 옥시드 및/또는 술피드 및/또는 셀레니드 및/또는 아이오다이드 (예를 들어, CsSnI3)를 포함할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 일부 실시예의 제1 활성 물질은 고체 상태 p-형 물질을 포함할 수 있으며, 이는 구리 인듐 술피드를 포함할 수 있고, 일부 실시예에서 이는 구리 인듐 갈륨 셀레니드를 포함할 수 있다. 도 5에 나타내어진 제2 활성 물질(2815)은 n-형 활성 물질이고, 염료로 코팅된 TiO2를 포함한다. 일부 실시예에서, 제2 활성 물질은 마찬가지로 유기 물질, 예컨대 스피로-OMeTAD, 무기 2원, 3원, 4원 또는 그 초과의 착물, 또는 그의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 제2 활성 물질은 옥시드, 예컨대 알루미나를 포함할 수 있고/거나 이는 술피드를 포함할 수 있고/거나 이는 셀레니드를 포함할 수 있다. 따라서, 일부 실시예에서, 제2 활성 물질은 구리 인듐 술피드를 포함할 수 있고, 일부 실시예에서, 이는 구리 인듐 갈륨 셀레니드 금속을 포함할 수 있다. 일부 실시예의 제2 활성 물질(2815)는 메조다공성 층을 구성할 수 있다. 게다가, 활성인 것 뿐만 아니라, 제1 및 제2 활성 물질(2810 및 2815) 중 어느 하나 또는 둘 다는 광활성일 수 있다. 다른 실시예 (도 5에 나타내지 않음)에서, 제2 활성 물질은 고체 전해질을 포함할 수 있다. 또한, 제1 및 제2 활성 물질(2810 및 2815) 중 어느 하나가 고체 전해질을 포함하는 실시예에서, PV 디바이스는 유효량의 액체 전해질이 결핍될 수 있다. p-형인 것으로 도 5에 나타내고 언급하였지만, 고체 상태 층 (예를 들어, 고체 전해질을 포함하는 제1 활성 물질)은 일부 실시예에서 그 대신에 n-형 반전도성일 수 있다. 그러면, 이러한 실시예에서, 염료로 코팅된 제2 활성 물질 (예를 들어, 도 5에 나타내어진 바와 같은 TiO2 (또는 다른 메조다공성 물질))은 p-형 반전도성일 수 있다 (도 5에 나타내고 그에 관해 논의된 n-형 반전도성과는 반대로).
기판 층(2801 및 2825) (둘 다 도 5에 유리로 나타내어짐)은 도 5의 예시적인 전지의 외부 상단 및 하단 층을 각각 형성한다. 이들 층은 태양 방사선이 염료를 포함하는 활성/광활성 층, 제1 및 제2 활성 및/또는 광활성 물질(2810 및 2815), 예컨대 유리, 폴리에틸렌, PET, 캡톤, 석영, 알루미늄 호일, 금 호일 및/또는 스틸을 통과하는 것을 허용하기에 충분한 투명성을 갖는 임의의 물질을 포함할 수 있다. 게다가, 도 5에 나타내어진 실시예에서, 전극(2805) (Pt/FTO로 나타내어짐)은 캐소드이고 전극(2820)은 애노드이다. 도 4에 도시된 예시적인 태양 전지에서와 같이, 태양 방사선은 기판 층(2825) 및 전극(2820)을 거쳐 활성 층 안으로 통과하며, 이때 태양 방사선의 적어도 부분이 흡수되어 전기 생성을 가능하게 하는 하나 이상의 여기자를 생산한다.
일부 실시예에 따른 고체 상태 DSSC는 도 1에 양식화된 바와 같이 도시된 DSSC에 관하여 상기 기재된 것과 실질적으로 유사한 방식으로 구축될 수 있다. 도 5에 나타내어진 실시예에서, p-형 활성 물질(2810)는 도 1의 전해질(1503)에 상응하고; n-형 활성 물질(2815)는 도 1의 염료(1504) 및 ML(1505) 둘 다에 상응하고; 전극(2805 및 2820)은 각각 도 1의 전극 층(1502 및 1506)에 상응하고; 기판 층(2801 및 2825)은 각각 기판 층(1501 및 1507)에 상응한다.
본 개시내용의 다양한 실시예는 다른 것들 중에서도 활성 물질 (정공-수송 및/또는 전자-수송 층 포함), 계면 층, 및 전체 디바이스 설계를 포함한, 태양 전지 및 다른 디바이스의 다양한 측면에서 개선된 물질 및/또는 설계를 제공한다.
계면 층
본 개시내용은 일부 실시예에서 얇은-코트 IFL을 포함한, PV 내에 하나 이상의 계면 층의 유리한 물질 및 설계를 제공한다. 얇은-코트 IFL은 본원에 논의된 다양한 실시예에 따른 PV 중 하나 이상의 IFL에 사용될 수 있다.
먼저, 앞서 언급된 바와 같이, 하나 이상의 IFL (예를 들어, 도 4에 나타내어진 바와 같은 어느 하나 또는 둘 다의 IFL(2626 및 2627))은 자기 조립 단층 (SAM)으로서 또는 얇은 막으로서 본 개시내용의 광활성 유기 화합물을 포함할 수 있다. 본 개시내용의 광활성 유기 화합물이 SAM으로 적용되는 경우에, 이는 이것이 애노드 및 캐소드 중 어느 하나 또는 둘 다의 표면에 공유적으로 또는 달리 결합될 수 있는 결합 기를 포함할 수 있다. 일부 실시예의 결합 기는 COOH, SiX3 (여기서 X는 삼원 규소 화합물, 예컨대 Si(OR)3 및 SiCl3을 형성하는데 적합한 임의의 모이어티일 수 있음), SO3, PO4H, OH, CH2X (여기서 X는 17족 할라이드를 포함할 수 있음) 및 O 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 결합 기는 전자-끄는 모이어티, 전자 공여자 모이어티 및/또는 코어 모이어티에 공유적으로 또는 달리 결합될 수 있다. 결합 기는 두께 내에 단일 분자 (또는 일부 실시예에서, 다수의 분자)의 방향성의 조직화된 층을 형성하도록 하는 방식으로 전극 표면에 부착될 수 있다 (예를 들어, 다수의 광활성 유기 화합물이 애노드 및/또는 캐소드에 결합되는 경우). 언급된 바와 같이, SAM은 공유 상호작용을 통해 부착될 수 있으나, 일부 실시예에서는 이는 이온성, 수소-결합 및/또는 분산력 (즉, 반 데르 발스) 상호작용을 통해 부착될 수 있다. 게다가, 특정 실시예에서, 광 노출 시, SAM은 쯔비터이온성 여기 상태에 들어갈 수 있으며, 이로 인해 전하 캐리어를 활성 층으로부터 전극 (예를 들어, 애노드 또는 캐소드)으로 향하게 할 수 있는 고도로 분극화된 IFL을 생성한다. 이 증진된 전하-캐리어 주입은, 일부 실시예에서는, 활성 층의 단면을 전자적으로 폴링하고, 이에 따라 그의 각각의 전극을 향하는 전하 캐리어 표류 속도를 증가시킴으로써 (예를 들어, 정공을 애노드로; 전자를 캐소드로) 달성될 수 있다. 일부 실시예의 애노드 적용을 위한 분자는 조정가능한 화합물을 포함할 수 있으며, 이는 코어 모이어티에 결합된 일차 전자 공여자 모이어티를 포함하고, 상기 코어 모이어티는 또한 전자-끄는 모이어티에 결합되고, 상기 전자-끄는 모이어티는 또한 결합 기에 결합된다. 일부 실시예에 따른 캐소드 적용에서, IFL 분자는 코어 모이어티에 결합된 전자 부족 모이어티를 포함하는 조정가능한 화합물을 포함할 수 있으며, 상기 코어 모이어티는 또한 전자 공여자 모이어티에 결합되고, 상기 전자 공여자 모이어티는 또한 결합 기에 결합된다. 광활성 유기 화합물이 이러한 실시예에 따라 IFL로 사용되는 경우에, 일부 실시예에서 이는 광활성일 필요는 없지만, 광활성 특징을 유지할 수 있다.
광활성 유기 화합물 SAM IFL 이외에 또는 그 대신에, 일부 실시예에 따른 PV는 이러한 실시예의 제1 또는 제2 활성 물질 (예를 들어, 도 5에 나타내어진 바와 같은 제1 또는 제2 활성 물질(2810 또는 2815)) 중 적어도 부분 상에 코팅된 얇은 계면 층 ("얇은-코트 계면 층" 또는 "얇은-코트 IFL")을 포함할 수 있다. 또한, 얇은-코트 IFL의 적어도 부분은 염료로 코팅될 수 있다. 얇은-코트 IFL은 또한 n- 또는 p-형일 수 있고; 일부 실시예에서, 이는 기저 물질 (예를 들어, TiO2 또는 다른 메조다공성 물질, 예컨대 제2 활성 물질(2815)의 TiO2)과 동일한 형을 가질 수 있다. 제2 활성 물질은 알루미나 (예를 들어, Al2O3)를 포함하는 얇은-코트 IFL로 코팅된 TiO2를 포함할 수 있으며 (도 5에 나타내지 않음), 상기 얇은-코트 IFL은 또한 염료로 코팅된다. 본원에 TiO2 및/또는 티타니아에 대한 언급은 본원에 기재된 이러한 주석-옥시드 화합물 내의 주석 및 옥시드의 비를 제한하고자 하지는 않는다. 즉, 티타니아 화합물은 그의 다양한 산화 상태 (예를 들어, 티타늄 I, 티타늄 II, 티타늄 III, 티타늄 IV) 중 어느 하나 이상의 티타늄을 포함할 수 있고, 이에 따라 다양한 실시예는 티타늄 및 옥시드의 화학량론적 및/또는 비-화학량론적 양을 포함할 수 있다. 따라서, 다양한 실시예는 (TiO2 대신에 또는 이외에) TixOy를 포함할 수 있으며, 여기서 x는 1 내지 100의 정수 또는 비-정수의 임의의 값일 수 있다. 일부 실시예에서, x는 대략 0.5 내지 3일 수 있다. 마찬가지로, y는 대략 1.5 내지 4일 수 있다 (또한, 정수일 필요는 없음). 따라서, 일부 실시예는, 예를 들어, TiO2 및/또는 Ti2O3을 포함할 수 있다. 또한, 티타늄과 옥시드 사이의 비 또는 비의 조합이 어떠하던지 티타니아는 일부 실시예에서 아나타제, 루틸 및 무정형 중 어느 하나 이상을 포함한, 어느 하나 이상의 결정 구조를 가질 수 있다.
일부 실시예의 얇은-코트 IFL에 사용하기 위한 다른 예시적인 금속 옥시드는 반전도성 금속 옥시드, 예컨대 NiO, WO3, V2O5, 또는 MoO3을 포함할 수 있다. 제2 (예를 들어, n-형) 활성 물질이, Al2O3을 포함하는 얇은-코트 IFL로 코팅된 TiO2를 포함하는 예시적 실시예는, 예를 들어, Al(NO3)3·xH2O와 같은 전구체 물질, 또는 TiO2 상에 Al2O3을 침착시키는데 적합한 임의의 다른 물질로 형성될 수 있고, 열 어닐링 및 염료 코팅이 이어질 수 있다. MoO3 코팅이 대신 사용되는 예시적 실시예에서는, 코팅은 Na2Mo4·2H2O와 같은 전구체 물질로 형성될 수 있고; 반면에 일부 실시예에 따른 V2O5 코팅은 NaVO3과 같은 전구체 물질로 형성될 수 있고; 일부 실시예에 따른 WO3 코팅은 NaWO4·H2O와 같은 전구체 물질로 형성될 수 있다. 전구체 물질 (예를 들어, Al(NO3)3·xH2O)의 농도는 TiO2 또는 다른 활성 물질 상에 침착된 최종 필름 두께 (여기서 Al2O3의 것)에 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 전구체 물질의 농도를 변경하는 것은 최종 필름 두께를 제어할 수 있는 방법일 수 있다. 예를 들어, 보다 두꺼운 필름 두께는 보다 큰 전구체 물질 농도로부터 유래할 수 있다. 보다 두꺼운 필름 두께는 금속 옥시드 코팅을 포함하는 PV 디바이스에서 반드시 보다 큰 PCE를 야기하지는 않을 수 있다. 따라서, 일부 실시예의 방법은 대략 0.5 내지 10.0 mM 범위의 농도를 갖는 전구체 물질을 사용하여 TiO2 (또는 다른 메조다공성) 층을 코팅하는 것을 포함할 수 있고; 다른 실시예는 대략 2.0 내지 6.0 mM, 또는 다른 실시예에서는 대략 2.5 내지 5.5 mM 범위의 농도를 갖는 전구체 물질로 층을 코팅하는 것을 포함할 수 있다.
게다가, 본원에서 Al2O3 및/또는 알루미나로 언급될지라도, 알루미늄과 산소의 다양한 비가 알루미나를 형성하는데 사용될 수 있다는 것을 유의해야 한다. 따라서, 본원에 논의된 일부 실시예가 Al2O3를 기준으로 설명되었을지라도, 이러한 설명은 산소 내의 알루미늄의 요구되는 비를 정의하고자 하지는 않는다. 오히려, 실시예는 각각 AlxOy에 따른 알루미늄 옥시드 비를 가지며, 여기서 x는 대략 1 내지 100의 정수 또는 비-정수의 임의의 값일 수 있는, 어느 하나 이상의 알루미늄-옥시드 화합물을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, x는 대략 1 내지 3일 수 있다 (또한, 정수일 필요는 없음). 마찬가지로, y는 0.1 내지 100의 정수 또는 비-정수의 임의의 값일 수 있다. 일부 실시예에서, y는 2 내지 4일 수 있다 (또한, 정수일 필요는 없음). 또한, AlxOy의 다양한 결정질 형태, 예컨대 알루미나의 알파, 감마 및/또는 무정형 형태가 다양한 실시예에서 존재할 수 있다.
마찬가지로, 본원에서 MoO3, WO3 및 V2O5로 언급될지라도, 이러한 화합물은 그 대신에 또는 그 이외에 MoxOy, WxOy 및 VxOy로 각각 나타내어질 수 있다. MoxOy 및 WxOy 각각에 관하여, x는 대략 0.5 내지 100의 정수 또는 비-정수의 임의의 값일 수 있고; 일부 실시예에서, 이는 대략 0.5 내지 1.5일 수 있다. 마찬가지로, y는 대략 1 내지 100의 정수 또는 비-정수의 임의의 값일 수 있다. 일부 실시예에서, y는 대략 1 내지 4의 임의의 값일 수 있다. VxOy에 관하여, x는 대략 0.5 내지 100의 정수 또는 비-정수의 임의의 값일 수 있고; 일부 실시예에서, 이는 대략 0.5 내지 1.5일 수 있다. 마찬가지로, y는 대략 1 내지 100의 정수 또는 비-정수의 임의의 값일 수 있고; 특정 실시예에서, 이는 대략 1 내지 10의 정수 또는 비-정수 값일 수 있다.
유사하게, 본원에서 일부 예시적 실시예에서 CsSnI3에 대한 언급은 다양한 실시예에 따른 세슘-주석-아이오딘 화합물의 구성요소 원소의 비를 제한하고자 하지는 않는다. 일부 실시예는 주석 및 아이오다이드의 화학량론적 및/또는 비-화학량론적 양을 포함할 수 있고, 이에 따라 이러한 실시예는 그 대신에 또는 그 이외에 세슘, 주석 및 아이오딘의 다양한 비, 예컨대 각각 CsxSnyIz의 비를 갖는 어느 하나 이상의 세슘-주석-아이오딘 화합물을 포함할 수 있다. 이러한 실시예에서, x는 0.1 내지 100의 정수 또는 비-정수의 임의의 값일 수 있다. 일부 실시예에서, x는 대략 0.5 내지 1.5일 수 있다 (또한, 정수일 필요는 없음). 마찬가지로, y는 0.1 내지 100의 정수 또는 비-정수의 임의의 값일 수 있다. 일부 실시예에서, y는 대략 0.5 내지 1.5일 수 있다 (또한, 정수일 필요는 없음). 마찬가지로, z는 0.1 내지 100의 정수 또는 비-정수의 임의의 값일 수 있다. 일부 실시예에서, z는 대략 2.5 내지 3.5일 수 있다. 추가적으로 CsSnI3은 다른 물질, 예컨대 SnF2로, 그 사이의 모든 값 (정수 및 비-정수)을 포함한 0.1:1 내지 100:1 범위의 CsSnI3:SnF2 비로 도핑되거나 배합될 수 있다.
또한, 얇은-코트 IFL은 이중층을 포함할 수 있다. 따라서, 얇은-코트 IFL이 금속-옥시드 (예컨대 알루미나)를 포함하는 예로 돌아가면, 얇은-코트 IFL은 TiO2-더하기-금속-옥시드를 포함할 수 있다. 이러한 얇은-코트 IFL은 단독의 메조다공성 TiO2 또는 다른 활성 물질과 비교하여 전하 재조합에 저항하는 보다 큰 능력을 가질 수 있다. 게다가, TiO2 층의 형성에 있어서, 2차 TiO2 코팅은 본 개시내용의 일부 실시예에 따르면, TiO2 입자의 충분한 물리적 상호연결을 제공하기 위해 종종 필요하다. 메조다공성 TiO2 (또는 다른 메조다공성 활성 물질) 상에 이중층 얇은-코트 IFL을 코팅하는 것은 금속 옥시드 및 TiCl4 둘 다를 포함하는 화합물을 사용하는 코팅의 조합을 포함할 수 있으며, 이는 금속-옥시드 및 2차 TiO2 코팅의 조합을 포함하는 이중층 얇은-코트 IFL을 생성하고, 어느 하나의 물질의 사용을 통해 그 자신에 대한 성능 개선을 제공할 수 있다.
이전에 논의된 얇은-코트 IFL 및 TiO2 상에 이들을 코팅하는 방법은, 일부 실시예에서, 액체 전해질을 포함하는 DSSC에 사용될 수 있다. 따라서, 얇은-코트 IFL의 예로 돌아가서 한 예로서 다시 도 1을 참조하면, 도 1의 DSSC는 메조다공성 층(1505) 상에 코팅된 상기 기재된 바와 같은 얇은-코트 IFL을 추가로 포함할 수 있다 (즉, 얇은-코트 IFL은 메조다공성 층(1505)과 염료(1504) 사이에 삽입될 것임).
일부 실시예에서, DSSC와 관련하여 이전에 논의된 얇은-코트 IFL은 PV (예를 들어, 하이브리드 PV 또는 다른 PV), 전계 효과 트랜지스터, 발광 다이오드, 비-선형 광학 디바이스, 멤리스터, 커패시터, 정류기, 정류 안테나 등의 반도체 디바이스의 임의의 계면 층에서 사용될 수 있다. 게다가, 일부 실시예의 얇은-코트 IFL은, 본 개시내용의 다양한 실시예 중 하기 중 어느 하나 이상을 포함하나 이에 제한되지는 않는 본 개시내용에서 논의된 다른 화합물과 조합으로 임의의 다양한 디바이스에서 사용될 수 있다: 고체 정공-수송 물질, 예컨대 활성 물질 및 첨가제 (예컨대, 일부 실시예에서, 케노데옥시콜산 또는 1,8-디아이오도옥탄).
다른 예시적인 전자 디바이스
일부 실시예에 따른 또 다른 예시적인 디바이스는 단일체 얇은-필름 PV 및 배터리 디바이스 또는 하이브리드 PV 배터리이다.
본 개시내용의 일부 실시예에 따른 하이브리드 PV 배터리는 일반적으로 공통 전극을 공유하고 전기적으로 직렬 또는 병렬로 커플링된 PV 전지 및 배터리 부분을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예의 하이브리드 PV 배터리는, 예시적인 하이브리드 PV 배터리의 구성요소의 양식화된 다이어그램인 도 6을 참조하여 설명할 수 있으며, 캡슐화제(3601); 적어도 3개의 전극(3602, 3604 및 3606), 디바이스의 PV 부분 및 디바이스의 배터리 부분에 의해 공유된 공통 전극 (여기서 (3604))인 것 중 적어도 하나; PV 활성 층(3603); 배터리 활성 층(3605); 및 기판(3607)을 포함한다. 이러한 예시적 실시예에서, 디바이스의 PV 전지는 하나의 전극(3602) (이는 일부 실시예에서는 PV 전극으로 지칭될 수 있음) 및 PV 활성 층(3603)을 포함할 수 있고, 반면에 디바이스의 배터리는 다른 비-공유 전극(3606) (이는 일부 실시예에서는 배터리 전극으로 지칭될 수 있음) 및 배터리 활성 층(3605)을 포함할 수 있다. 이러한 실시예의 PV 전지 및 배터리 부분은 공통 전극(3604)을 공유한다. 일부 실시예에서, 하이브리드 PV 배터리는 단일체일 수 있으며, 즉 단일 기판 상에 임프린트될 수 있다. 이러한 실시예에서, PV 전지 및 배터리 부분 둘 다는 얇은-필름 유형 디바이스여야 한다. 일부 실시예에서, PV 전지 및 배터리 둘 다는 고-처리량 기술, 예컨대 잉크-젯, 다이-슬롯, 그라비어, 및 임프린트 롤-투-롤 인쇄에 의해 인쇄될 수 있다.
일부 실시예의 PV 전지는 DSSC, BHJ, 하이브리드 PV 또는 관련 기술분야에 공지된 임의의 다른 PV, 예컨대 카드뮴 텔룰라이드 (CdTe) PV 또는 CIGS (구리-인듐-갈륨-셀레니드) PV를 포함할 수 있다. 예를 들어, 하이브리드 PV 배터리의 PV 전지가 DSSC를 포함하는 실시예에서, PV 전지는 도 1의 예시적인 액체 전해질 DSSC와 도 6의 예시적인 하이브리드 PV 배터리의 PV 전지 사이의 비교에 의해 설명될 수 있다. 구체적으로, PV 전극(3602)은 전극 층(1502)에 상응할 수 있고; PV 활성 층(3603)은 전해질(1503), 염료(1504) 및 ML(1505)에 상응할 수 있고; 공통 전극(3604)은 전극 층(1506)에 상응할 수 있다. 본 개시내용의 도움으로 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 명백할 것인 바와 같이, 임의의 다른 PV는 하이브리드 PV 배터리의 일부 실시예의 PV 전지 구성요소에 유사하게 상응할 수 있다. 게다가, 본원에 논의된 PV 디바이스와 같이, 디바이스의 PV 전지 내의 PV 활성 층은 일부 실시예에서 하기 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다: 계면 층 및 제1 및/또는 제2 활성 물질 (그의 각각은 n-형 또는 p-형 반전도성일 수 있고, 이들 중 어느 하나 또는 둘 다는 본원에 논의된 다양한 실시예에 따른 금속-옥시드 계면 층을 포함할 수 있음).
이러한 디바이스의 배터리 부분은 관련 기술분야에 공지된 배터리, 예컨대 리튬 이온 또는 아연 공기에 따라 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 배터리는 얇은-필름 배터리일 수 있다.
따라서, 예를 들어, 일부 실시예에 따른 하이브리드 PV 배터리는 아연-공기 배터리와 통합된 DSSC를 포함할 수 있다. 디바이스 둘 다는 얇은-필름 유형이고, 본 개시내용의 일부 실시예에 따라, 고-처리량 기술, 예컨대 잉크-젯 롤-투-롤 인쇄에 의해 인쇄될 수 있다. 본 예에서, 아연-공기 배터리는 먼저 반대-전극이 구비된 기판 (기판(3607)에 상응함) 상에 인쇄된다. 그러면, 광활성 층 (PV 활성 층(3603)에 상응함)이 전극(3604) 상에 후속적으로 인쇄됨에 따라 배터리 반대-전극은 공통 전극 (공통 전극(3604)에 상응함)이 된다. 디바이스는 최종 전극 (PV 전극(3602)에 상응함)이 구비되고, 캡슐화제 (캡슐화제(3601)에 상응함) 내에 캡슐화된다. 캡슐화제는 에폭시, 폴리비닐리덴 플루오라이드 (PVDF), 에틸-비닐 아세테이트 (EVA), 파릴렌 C 또는 디바이스를 환경으로부터 보호하기에 적합한 임의의 다른 물질을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 하이브리드 PV 배터리는 공지된 배터리 또는 PV 디바이스에 비해 여러 이점을 제공할 수 있다. 하이브리드 PV 배터리가 단일체인 실시예에서, 이는 접속 와이어의 결핍으로 인해 증가된 내구성을 나타낼 수 있다. 그렇지 않으면 별개인 2개의 디바이스의 하나로의 조합 (PV 및 배터리)은 별개의 배터리를 충전하기 위한 별개의 PV의 사용과 비교하여 전체 크기 및 중량을 추가로 유리하게 감소시킬 수 있다. 하이브리드 PV 배터리가 얇은-필름 유형 PV 전지 및 배터리 부분을 포함하는 것인 실시예에서, 얇은-유형 PV 전지는 유리하게는 배터리 산업에 공지된 기판, 예컨대 폴리이미드 (예를 들어, 캡톤 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET)) 상에 배터리와 함께 인-라인 인쇄될 수 있다. 또한, 이러한 하이브리드 PV 배터리의 최종 형태 인자는, 일부 실시예에서, 표준 배터리의 형태 인자에 맞춰질 수 있다 (예를 들어, 가전 제품, 예컨대 코인, AAA, AA, C, D 또는 그 밖의 것에 사용하기 위해; 또는 예를 들어 휴대 전화에 사용하기 위해). 일부 실시예에서, 배터리는 디바이스로부터 제거한 후 태양광에 배치하여 충전될 수 있다. 다른 실시예에서, 배터리는 배터리의 PV 전지가 디바이스로부터 외부에 면하여 (즉, 배터리가 디바이스 내에 봉입되지 않음) 디바이스가 태양광에 대한 노출에 의해 충전될 수 있도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 휴대 전화는 전화기의 외부에 면하는 배터리의 PV 전지를 갖는 하이브리드 PV 배터리를 포함할 수 있다 (전화기의 커버된 부분 내에 배터리를 전적으로 위치시키는 것과는 반대로).
또한, 본 개시내용의 일부 실시예는 다중-광활성-층 PV 전지를 제공할 수 있다. 이러한 전지는 적어도 2개의 광활성 층을 포함할 수 있으며, 각각의 광활성 층은 공유된 양측 전도성 (즉, 전도체/절연체/전도체) 기판에 의해 다른 것으로부터 분리된다. 일부 실시예의 광활성 층 및 공유 기판(들)은 전도성 층 (예를 들어, 전도성 기판, 또는 기판에 결합되거나 다르게는 커플링된 전도체) 사이에 개재될 수 있다. 일부 실시예에서, 전도체 및/또는 기판 중 어느 하나 이상은 UV, 가시, 또는 IR 스펙트럼 내에서 적어도 일부 전자기 방사선에 대해 투명할 수 있다.
각각의 광활성 층은 본원의 다른 곳에 논의된 다양한 PV 디바이스 (예를 들어, DSSC, BHJ, 하이브리드) 중 어느 것의 활성 및/또는 광활성 층(들)에 따른 구성을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 각각의 광활성 층은 전자기 방사선의 상이한 파장을 흡수할 수 있다. 이러한 구성은 본 개시내용의 도움으로 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 명백할 것인 임의의 적합한 수단에 의해 달성될 수 있다.
일부 실시예에 따른 예시적인 다중-광활성-층 PV 전지는, 일부 이러한 PV 전지의 기본 구조를 도시하는 도 7의 양식화된 다이어그램을 참조하여 설명될 수 있다. 도 7은 공유된 양측 전도성 기판(3710)에 의해 분리된 제1 및 제2 광활성 층 (각각 (3701 및 3705))을 나타낸다 (예를 들어, 도 7은 일반적 성질의 전도체/절연체/전도체의 아키텍처를 나타내어짐). 2개의 광활성 층(3701 및 3705) 및 공유된 기판(3710)은 제1 및 제2 전도성 기판(3715 및 3720) 사이에 개재된다. 이 예시적인 설치에서, 각각의 광활성 층(3701 및 3705)은 DSSC-유사 구성에 따라 염료를 포함한다. 또한, 제1 광활성 층(3701)의 염료는 가시 EM 스펙트럼의 제1 부분 (예를 들어, 입사된 청색 및 녹색 광(3750 및 3751))에서 전자기 방사선을 흡수할 수 있고, 반면에 제2 광활성 층(3705)의 염료는 가시 EM 스펙트럼의 상이한 제2 부분 (예를 들어, 적색 및 황색 광(3755 및 3756))에서 전자기 방사선을 흡수할 수 있다. 도 7에 도시된 디바이스의 경우에는 아니지만, 일부 실시예에 따른 디바이스는 중첩됨에도 다양한 파장 범위의 방사선을 흡수할 수 있는 염료 (또는 다른 광활성 층 물질)를 포함할 수 있다는 것을 유의해야 한다. 각각의 광활성 층에서 여기 시 (예를 들어, 입사 태양 방사선에 의해), 정공은 제1 광활성 층(3701)으로부터 제1 전도성 기판(3715)으로, 마찬가지로 제2 광활성 층(3705)으로부터 제2 전도성 기판(3720)으로 유동할 수 있다. 부수적인 전자 수송은 따라서 각각의 광활성 층(3701 및 3705)으로부터 공유된 전도성 기판(3710)에 이르기까지 일어날 수 있다. 전기 전도체 또는 전도체들 (예를 들어, 도 7에서와 같은 리드(3735))은 제1 및 제2 전도성 기판(3715 및 3720) 각각으로부터 떨어져 회로의 음의 방향(3730)을 향하는 (예를 들어, 캐소드 음극 배터리 단자 등을 향하는) 정공의 수송을 추가로 제공할 수 있고, 반면에 전도체 또는 전도체들 (예를 들어, 도 7에서와 같은 리드(3745 및 3746))은 전자를 공유된 기판(3710)으로부터 떨어져 회로의 양의 방향(3735)을 향하여 운반할 수 있다.
일부 실시예에서, 2개 이상의 다중-광활성-층 PV 전지는 접속되거나 다르게는 전기적으로 커플링될 수 있다 (예를 들어, 직렬로). 예를 들어, 도 7의 예시적 실시예를 다시 참조하면, 전자를 제1 및 제2 전도성 기판(3715 및 3720) 각각으로부터 떨어진 곳으로 전도하는 와이어(3735)는 또한 제2 다중-광활성-층 PV 전지의 양측 공유된 전도성 기판 (예를 들어, 도 7의 예시적인 PV 전지의 공유된 전도성 기판(3710)에 상응하는 공유된 전도성 기판)에 접속될 수 있다. 임의의 수의 PV 전지는 이와 같이 직렬로 접속될 수 있다. 일부 실시예에서 말단 효과는 본질적으로 전기적으로 직렬로 접속된 다수의 병렬 PV 전지 쌍이다 (여기서 2개의 광활성 층 및 공유된 양측 전도성 기판을 갖는 각각의 다중-광활성-층 PV 전지는 한 쌍의 병렬 PV 전지로 생각될 수 있음). 유사하게, 3개의 광활성 층 및 각각의 광활성 층 사이에 개재된 2개의 공유된 양측 전도성 기판을 갖는 다중-광활성-층 PV 전지는 병렬 PV 전지의 트리오, 및 4, 5개 및 그 초과의 광활성 층을 포함하는 다중-광활성-층 PV 전지에 대한 것 등으로 동등하게 생각될 수 있다.
게다가, 전기적으로 커플링된 다중-광활성-층 PV 전지는 하나 이상의 배터리에 추가로 전기적으로 커플링되어 특정 실시예에 따른 하이브리드 PV 배터리를 형성할 수 있다.
특정 실시예에서, 직렬의 2개 이상의 다중-광활성-층 PV 전지의 전기 커플링 (예를 들어, 병렬 PV 전지 쌍의 2개 이상의 유닛의 직렬 접속)은, 캡핑 애노드(3870)와 캡핑 캐소드(3880) 사이에 4개의 다중-광활성-층 PV 전지(3810, 3820, 3830 및 3840)의 직렬 전기 커플링을 도시한 도 8a에 도시된 것과 유사한 형태로 수행될 수 있다. PV 전지(3810, 3820, 3830 및 3840)는 공통의 제1 외부 기판(3850)을 갖고, PV 전지(3820 및 3830)는 공통의 제2 외부 기판(3851)을 갖는다. 또한, 공통의 공유된 기판(3855)은 직렬 접속의 길이에 이르고, 각각의 PV 전지에 대해 도 7에서 양식화된 실시예의 공유된 기판(3710)에 상응한다. 도 8a의 실시예에 나타내어진 다중-광활성-층 PV 전지(3810, 3820, 3830 및 3840) 각각은 2개의 광활성 층 (예를 들어, PV 전지(3810) 내의 광활성 층(3811 및 3812)) 및 2개의 광전극 (예를 들어, PV 전지(3810) 내의 광전극(3815 및 3816))을 포함한다. 본 실시예 및 다른 상응하는 실시예에 따른 광활성 층은 상기 개시된 바와 같이 임의의 광활성 및/또는 활성 물질을 포함할 수 있고 (예를 들어, 제1 활성 물질, 제2 활성 물질 및/또는 하나 이상의 계면 층), 광전극은 본원에 논의된 바와 같이 전극으로서 적합한 임의의 기판 및/또는 전도성 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 광활성 층 및 광전극의 배열은 전지에서 전지로 번갈아 일어날 수 있다 (예를 들어, 전기 커플링을 직렬로 확립하기 위해). 예를 들어, 도 8a에 나타내어진 바와 같이, 전지(3810)는 광전극-광활성 층-공유 기판-광활성 층-광전극에 따라 공유된 외부 기판 사이에 배열되고, 반면에 전지(3820)는 광전극 및 광활성 층이 인접한 전지(3810)에 대하여 교환되는 배열을 나타내고, 전지(3830)는 마찬가지로 광전극 및 광활성 층이 인접한 전지(3820)에 대하여 교환되는 배열을 나타낸다 (또한 이에 따라 전지(3810)와 유사하게 배열됨). 도 8a는 추가적으로 PV 전지(3810, 3820, 3830 및 3840)의 전기 커플링을 가능하게 하도록 공통 기판(3850, 3851 및 3855) 각각의 부분에 커플링된 복수의 투명한 전극(3801, 3802, 3803, 3804, 3805, 3806, 3807 및 3808)을 나타낸다. 또한, 도 8a는 일부 실시예에 따라 일련의 PV 전지의 배터리 (여기서, Li-이온 배터리(3860))에 대한 전기 커플링을 나타낸다. 이러한 커플링은 PV 전지가 이전에 논의된 일부 실시예의 하이브리드 PV-배터리의 충전에 대해 유사한 방식으로 Li-이온 배터리를 충전 가능하게 할 수 있다. 도 8b는 도 8a의 디바이스에서 생성된 전류 유동을 나타내는 전기적 등가 다이어그램이다.
첨가제
이전에 언급된 바와 같이, 일부 실시예에 따른 PV 및 다른 디바이스는 첨가제 (이는, 예를 들어, 아세트산, 프로판산, 트리플루오로아세트산, 케노데옥시콜산, 데옥시콜산, 1,8-디아이오도옥탄 및 1,8-디티오옥탄 중 어느 하나 이상일 수 있음)를 포함할 수 있다. 이러한 첨가제는 염료 침지 직전에 전처리로서 사용되거나 염료와 다양한 비로 혼합되어 침지 용액을 형성할 수 있다. 이들 첨가제는 일부 경우에, 개방 활성 부위를 차단하고, 염료 분자 중 분자 정렬을 유도함으로써, 예를 들어, 염료 용해도를 증가시키는 기능을 하여, 염료 분자의 군집화를 방지할 수 있다. 이들은 본원에 논의된 바와 같은 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 광활성 화합물을 포함한 임의의 적합한 염료와 함께 사용될 수 있다.
복합 페로브스카이트 물질 디바이스 설계
일부 실시예에서, 본 개시내용은 하나 이상의 페로브스카이트 물질을 포함한 PV 및 다른 유사한 디바이스 (예를 들어, 배터리, 하이브리드 PV 배터리, FET, LED 등)의 복합 설계를 제공할 수 있다. 페로브스카이트 물질은 PV 또는 다른 디바이스의 다양한 하나 이상의 측면에 혼입될 수 있다. 일부 실시예에 따른 페로브스카이트 물질은 화학식 CMX3을 가질 수 있으며, 여기서 C는 하나 이상의 양이온 (예를 들어, 아민, 암모늄, 1족 금속, 2족 금속 및/또는 다른 양이온 또는 양이온-유사 화합물)을 포함하고; M은 하나 이상의 금속 (예시는 Fe, Co, Ni, Cu, Sn, Pb, Bi, Ge, Ti, 및 Zr을 포함함)을 포함하고; X는 하나 이상의 음이온을 포함한다. 일부 실시예에서, C는 하나 이상의 유기 양이온을 포함할 수 있다.
특정 실시예에서, C는 화학식 [NR4]+의 유기 양이온인 암모늄을 포함할 수 있으며, 여기서 R 기는 동일하거나 상이한 기일 수 있다. 적합한 R 기는 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸 기 또는 그의 이성질체; 시클릭, 분지형 또는 직쇄의 임의의 알칸, 알켄, 또는 알킨 CxHy (여기서 x = 1 - 20, y = 1 - 42); 알킬 할라이드, CxHyXz (x = 1 - 20, y = 0 - 42, z = 1 - 42, X = F, Cl, Br, 또는 I); 임의의 방향족 기 (예를 들어, 페닐, 알킬페닐, 알콕시페닐, 피리딘, 나프탈렌); 적어도 하나의 질소가 고리 내에 함유된 시클릭 복합체 (예를 들어, 피리딘, 피롤, 피롤리딘, 피페리딘, 테트라히드로퀴놀린); 임의의 황-함유 기 (예를 들어, 술폭시드, 티올, 알킬 술피드); 임의의 질소-함유 기 (니트록시드, 아민); 임의의 인-함유 기 (포스페이트); 임의의 붕소-함유 기 (예를 들어, 보론산); 임의의 유기 산 (예를 들어, 아세트산, 프로판산); 및 그의 에스테르 또는 아미드 유도체; 알파, 베타, 감마, 및 보다 큰 유도체를 포함한 임의의 아미노산 (예를 들어, 글리신, 시스테인, 프롤린, 글루탐산, 아르기닌, 세린, 히스티딘, 5-암모늄발레르산); 임의의 규소-함유 기 (예를 들어, 실록산); 및 임의의 알콕시 또는 기 -OCxHy (여기서 x = 0 - 20, y = 1 - 42)를 포함하나, 이에 제한되지는 않는다.
특정 실시예에서, C는 화학식 [R2NCHNR2]+의 유기 양이온인 포름아미디늄을 포함할 수 있으며, 여기서 R 기는 동일하거나 상이한 기일 수 있다. 적합한 R 기는 수소, 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸 기 또는 그의 이성질체; 시클릭, 분지형 또는 직쇄의 임의의 알칸, 알켄, 또는 알킨 CxHy (여기서 x = 1 - 20, y = 1 - 42); 알킬 할라이드, CxHyXz (x = 1 - 20, y = 0 - 42, z = 1 - 42, X = F, Cl, Br, 또는 I); 임의의 방향족 기 (예를 들어, 페닐, 알킬페닐, 알콕시페닐, 피리딘, 나프탈렌); 적어도 하나의 질소가 고리 내에 함유된 시클릭 복합체 (예를 들어, 이미다졸, 벤즈이미다졸, 디히드로피리미딘, (아졸리디닐리덴메틸)피롤리딘, 트리아졸); 임의의 황-함유 기 (예를 들어, 술폭시드, 티올, 알킬 술피드); 임의의 질소-함유 기 (니트록시드, 아민); 임의의 인-함유 기 (포스페이트); 임의의 붕소-함유 기 (예를 들어, 보론산); 임의의 유기 산 (아세트산, 프로판산) 및 그의 에스테르 또는 아미드 유도체; 알파, 베타, 감마, 및 보다 큰 유도체를 포함한 임의의 아미노산 (예를 들어, 글리신, 시스테인, 프롤린, 글루탐산, 아르기닌, 세린, 히스티딘, 5-암모늄발레르산); 임의의 규소-함유 기 (예를 들어, 실록산); 및 임의의 알콕시 또는 기 -OCxHy (여기서 x = 0 - 20, y = 1 - 42)를 포함하나, 이에 제한되지는 않는다.
특정 실시예에서, C는 화학식 [(R2N)2C=NR2]+의 유기 양이온인 구아니디늄을 포함할 수 있으며, 여기서 R 기는 동일하거나 상이한 기일 수 있다. 적합한 R 기는 수소, 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸 기 또는 그의 이성질체; 시클릭, 분지형 또는 직쇄의 임의의 알칸, 알켄, 또는 알킨 CxHy (여기서 x = 1 - 20, y = 1 - 42); 알킬 할라이드, CxHyXz (x = 1 - 20, y = 0 - 42, z = 1 - 42, X = F, Cl, Br, 또는 I); 임의의 방향족 기 (예를 들어, 페닐, 알킬페닐, 알콕시페닐, 피리딘, 나프탈렌); 적어도 하나의 질소를 고리 내에 함유하는 시클릭 복합체 (예를 들어, 옥타히드로피리미도[1,2-a]피리미딘, 피리미도[1,2-a]피리미딘, 헥사히드로이미다조[1,2-a]이미다졸, 헥사히드로피리미딘-2-이민); 임의의 황-함유 기 (예를 들어, 술폭시드, 티올, 알킬 술피드); 임의의 질소-함유 기 (니트록시드, 아민); 임의의 인-함유 기 (포스페이트); 임의의 붕소-함유 기 (예를 들어, 보론산); 임의의 유기 산 (아세트산, 프로판산) 및 그의 에스테르 또는 아미드 유도체; 알파, 베타, 감마, 및 보다 큰 유도체를 포함한 임의의 아미노산 (예를 들어, 글리신, 시스테인, 프롤린, 글루탐산, 아르기닌, 세린, 히스티딘, 5-암모늄발레르산); 임의의 규소-함유 기 (예를 들어, 실록산); 및 임의의 알콕시 또는 기 -OCxHy (여기서 x = 0 - 20, y = 1 - 42)를 포함하나, 이에 제한되지는 않는다.
특정 실시예에서, C는 화학식 [(R2N)2C=C(NR2)2]+의 유기 양이온인 에텐 테트라민 양이온을 포함할 수 있으며, 여기서 R 기는 동일하거나 상이한 기일 수 있다. 적합한 R 기는 수소, 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸 기 또는 그의 이성질체; 시클릭, 분지형 또는 직쇄의 임의의 알칸, 알켄, 또는 알킨 CxHy (여기서 x = 1 - 20, y = 1 - 42); 알킬 할라이드, CxHyXz (x = 1 - 20, y = 0 - 42, z = 1 - 42, X = F, Cl, Br, 또는 I); 임의의 방향족 기 (예를 들어, 페닐, 알킬페닐, 알콕시페닐, 피리딘, 나프탈렌); 적어도 하나의 질소를 고리 내에 함유하는 시클릭 복합체 (예를 들어, 2-헥사히드로피리미딘-2-일리덴헥사히드로피리미딘, 옥타히드로피라지노[2,3-b]피라진, 피라지노[2,3-b]피라진, 퀴녹살리노[2,3-b]퀴녹살린); 임의의 황-함유 기 (예를 들어, 술폭시드, 티올, 알킬 술피드); 임의의 질소-함유 기 (니트록시드, 아민); 임의의 인-함유 기 (포스페이트); 임의의 붕소-함유 기 (예를 들어, 보론산); 임의의 유기 산 (아세트산, 프로판산) 및 그의 에스테르 또는 아미드 유도체; 알파, 베타, 감마, 및 보다 큰 유도체를 포함한 임의의 아미노산 (예를 들어, 글리신, 시스테인, 프롤린, 글루탐산, 아르기닌, 세린, 히스티딘, 5-암모늄발레르산); 임의의 규소-함유 기 (예를 들어, 실록산); 및 임의의 알콕시 또는 기 -OCxHy (여기서 x = 0 - 20, y = 1 - 42)를 포함하나, 이에 제한되지는 않는다.
일부 실시예에서, X는 하나 이상의 할라이드를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, X는 그 대신에 또는 그 이외에 16족 음이온을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 16족 음이온은 술피드 또는 셀레니드일 수 있다. 일부 실시예에서, 각각의 유기 양이온 C는 각각의 금속 M보다 클 수 있고, 각각의 음이온 X는 양이온 C 및 금속 M 둘 다와 결합할 수 있다. 다양한 실시예에 따른 페로브스카이트 물질의 예는 CsSnI3 (본원에 사전에 논의됨) 및 CsxSnyIz (여기서 x, y 및 z는 이전 논의에 따라 달라짐)를 포함한다. 다른 예는 화학식 CsSnX3의 화합물을 포함하며, 여기서 X는 I3, I2.95F0.05; I2Cl; ICl2; 및 Cl3 중 어느 하나 이상일 수 있다. 다른 실시예에서, X는 I, Cl, F, 및 Br 중 어느 하나 이상을 Cs 및 Sn과 비교하여 X의 총 비가 CsSnX3의 일반적 화학량론이 되는 양으로 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, X를 구성하는 원소의 합한 화학량론은 CsxSnyIz에 관하여 사전에 논의된 바와 같은 Iz와 동일한 규칙을 따를 수 있다. 또 다른 예는 화학식 RNH3PbX3의 화합물을 포함하며, 여기서 R은 CnH2n+1일 수 있고, n은 0-10 범위이고, X는 F, Cl, Br, 및 I 중 어느 하나 이상을 양이온 RNH3 및 금속 Pb와 비교하여 X의 총 비가 RNH3PbX3의 일반적 화학량론이 되는 양으로 포함할 수 있다. 추가로, R의 일부 구체적 예는 H, 알킬 쇄 (예를 들어, CH3, CH3CH2, CH3CH2CH2 등), 및 알파, 베타, 감마, 및 보다 큰 유도체를 포함한 아미노산 (예를 들어, 글리신, 시스테인, 프롤린, 글루탐산, 아르기닌, 세린, 히스티딘, 5-암모늄발레르산)을 포함한다.
일부 실시예에서, 페로브스카이트 물질은 활성 물질로서 PV 또는 다른 디바이스에 포함될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 페로브스카이트 물질은 일부 실시예의 제1 및 제2 활성 물질 중 어느 하나 또는 둘 다 (예를 들어, 도 5의 활성 물질(2810 및 2815))로서의 역할을 할 수 있다. 보다 일반적인 용어로, 본 개시내용의 일부 실시예는 하나 이상의 페로브스카이트 물질을 포함하는 활성 층을 갖는 PV 또는 다른 디바이스를 제공한다. 이러한 실시예에서, 페로브스카이트 물질 (즉, 어느 하나 이상의 페로브스카이트 물질(들)을 포함한 물질)은 다양한 아키텍처의 활성 층에 사용될 수 있다. 게다가, 페로브스카이트 물질은 활성 층의 어느 하나 이상의 구성요소 (예를 들어, 각각이 하기에 보다 상세하게 논의된, 전하 수송 물질, 메조다공성 물질, 광활성 물질 및/또는 계면 물질)의 기능(들)을 수행할 수 있다. 다른 실시예에서는 복수의 페로브스카이트 물질이 디바이스에 포함될 수 있고, 각각의 페로브스카이트 물질이 하나 이상의 이러한 기능을 수행할 수 있을지라도, 일부 실시예에서는 동일한 페로브스카이트 물질이 다수의 이러한 기능을 수행할 수 있다. 특정 실시예에서, 페로브스카이트 물질이 어떠한 역할을 수행하던지, 이는 다양한 상태로 디바이스 내에 제조되고/거나 존재할 수 있다. 예를 들어, 이는 일부 실시예에서 실질적으로 고체일 수 있다. 다른 실시예에서, 이는 용액일 수 있거나 (예를 들어, 페로브스카이트 물질은 액체 중에 용해되고 상기 액체 중의 그의 개별적 이온 아종으로 존재할 수 있음); 이는 (예를 들어, 페로브스카이트 물질 입자의) 현탁액일 수 있다. 용액 또는 현탁액은 (예를 들어, 디바이스의 또 다른 구성요소, 예컨대 메조다공성, 계면, 전하 수송, 광활성 또는 다른 층 상에, 및/또는 전극 상에) 디바이스 내에 코팅되거나 다르게는 침착될 수 있다. 일부 실시예에서 페로브스카이트 물질은 (예를 들어, 얇은-필름 고체로서 증착에 의해) 디바이스의 또 다른 구성요소의 표면 상에 계내에서 형성될 수 있다. 페로브스카이트 물질을 포함하는 고체 또는 액체 층을 형성하는 임의의 다른 적합한 수단이 사용될 수 있다.
일반적으로, 페로브스카이트 물질 디바이스는 제1 전극, 제2 전극, 및 페로브스카이트 물질을 포함하는 활성 층을 포함할 수 있으며, 상기 활성 층은 제1 및 제2 전극 사이에 적어도 부분적으로 배치된다. 일부 실시예에서, 제1 전극은 애노드 및 캐소드 중 하나일 수 있고, 제2 전극은 애노드 및 캐소드 중 다른 하나일 수 있다. 특정 실시예에 따른 활성 층은 하기 중 어느 하나 이상을 포함한, 어느 하나 이상의 활성 층 구성요소를 포함할 수 있다: 전하 수송 물질; 액체 전해질; 메조다공성 물질; 광활성 물질 (예를 들어, 염료, 규소, 카드뮴 텔룰라이드, 카드뮴 술피드, 카드뮴 셀레니드, 구리 인듐 갈륨 셀레니드, 갈륨 아르세나이드, 게르마늄 인듐 포스피드, 반전도성 중합체, 다른 광활성 물질)); 및 계면 물질. 이들 활성 층 구성요소 중 어느 하나 이상은 하나 이상의 페로브스카이트 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 활성 층 구성요소 중 일부 또는 전부는 하위-층에 전체적으로 또는 부분적으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 활성 층은 하기 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다: 계면 물질을 포함한 계면 층; 메조다공성 물질을 포함한 메조다공성 층; 및 전하 수송 물질을 포함한 전하 수송 층. 일부 실시예에서, 광활성 물질, 예컨대 염료는 이들 층 중 어느 하나 이상에 코팅되거나 다르게는 침착될 수 있다. 특정 실시예에서, 어느 하나 이상의 층은 액체 전해질로 코팅될 수 있다. 또한, 계면 층은 일부 실시예에 따른 활성 층 중 임의의 2개 이상의 다른 층 사이에 및/또는 층과 코팅 사이에 (예컨대 염료와 메조다공성 층 사이에) 및/또는 2개의 코팅 사이에 (예컨대 액체 전해질과 염료 사이에) 및/또는 활성 층 구성요소와 전극 사이에 포함될 수 있다. 본원에서 층에 대한 언급은 최종 배열 (예를 들어, 디바이스 내에 개별적으로 정의가능한 각각의 물질의 실질적으로 불연속적인 부분)을 포함할 수 있고/거나 층에 대한 언급은 각각의 층에서 물질(들)의 후속적인 섞임 가능성에도 불구하고 디바이스의 구축 동안의 배열을 의미할 수 있다. 층은 일부 실시예에서 불연속이고, 실질적으로 인접하고 있는 물질을 포함할 수 있다 (예를 들어, 층은 도 1에 양식화 도시된 바와 같을 수 있음). 다른 실시예에서, 층은 실질적으로 섞일 수 있으며 (예를 들어, BHJ, 하이브리드 및 일부 DSSC 전지의 경우에서와 같이), 그의 예는 도 4에서 광활성 층(2616) 내에 제1 및 제2 활성 물질(2618 및 2620)에 의해 나타내어진다. 일부 실시예에서, 도 4의 디바이스에 의해 또한 나타내어진 바와 같이, 디바이스는 제1 및 제2 활성 물질(2618 및 2620)의 섞인 층을 포함하는 광활성 층(2616) 이외에도, 불연속적인 인접하고 있는 층(2627, 2626 및 2622)을 함유하는 이들 두 종류의 층의 혼합물을 포함할 수 있다. 임의의 경우에, 어떠한 종류던지 임의의 2개 이상의 층을 특정 실시예에서 고 접촉 표면적을 달성하도록 하는 방식으로 서로 인접하게 (및/또는 서로 섞이게) 배치할 수 있다. 특정 실시예에서, 페로브스카이트 물질을 포함하는 층은 고 접촉 표면적을 달성하도록 하나 이상의 다른 층에 인접하게 배치될 수 있다 (예를 들어, 페로브스카이트 물질이 저 전하 이동도를 나타내는 경우에). 다른 실시예에서, 고 접촉 표면적은 필요하지 않을 수 있다 (예를 들어, 페로브스카이트 물질이 고 전하 이동도를 나타내는 경우에).
일부 실시예에 따른 페로브스카이트 물질 디바이스는 임의로 하나 이상의 기판을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 및 제2 전극 중 어느 하나 또는 둘 다는 전극이 기판과 활성 층 사이에 실질적으로 배치되도록 기재 상에 코팅되거나 다르게는 배치될 수 있다. 디바이스의 구성 물질 (예를 들어, 기판, 전극, 활성 층 및/또는 활성 층 구성요소)은 다양한 실시예에서 완전히 또는 부분적으로 경질 또는 가요성일 수 있다. 일부 실시예에서, 전극은 기판으로서 작용할 수 있으며, 이에 의해 개별 기판에 대한 필요가 부정된다.
게다가, 특정 실시예에 따른 페로브스카이트 물질 디바이스는 (예를 들어, 집광 층, 예컨대 도 2에 나타내어진 예시적인 PV에서 도시된 바와 같은 집광 층(1601) 내에) 집광 물질을 임의로 포함할 수 있다. 또한, 페로브스카이트 물질 디바이스는 어느 하나 이상의 첨가제, 예컨대 본 개시내용의 일부 실시예에 관하여 상기 논의된 첨가제 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
페로브스카이트 물질 디바이스에 포함될 수 있는 다양한 물질 중 일부의 설명은 부분적으로 도 9를 참조하여 이루어질 것이다. 도 9는 일부 실시예에 따른 페로브스카이트 물질 디바이스(3900)의 양식화된 다이어그램이다. 디바이스(3900)의 다양한 구성요소가 인접하고 있는 물질을 포함하는 불연속적인 층으로서 도시되었지만, 도 9는 양식화된 다이어그램이고, 따라서 그에 따른 실시예는, 본원에서 이전에 논의된 "층"의 용법과 일치하여, 이러한 불연속적인 층 및/또는 실질적으로 섞인 인접하고 있지 않은 층을 포함할 수 있는 것으로 이해하여야 한다. 디바이스(3900)는 제1 및 제2 기판(3901 및 3913)을 포함한다. 제1 전극(3902)은 제1 기판(3901)의 내부 표면 상에 배치되고, 제2 전극(3912)은 제2 기판(3913)의 내부 표면 상에 배치된다. 활성 층(3950)은 2개의 전극(3902 및 3912) 사이에 개재된다. 활성 층(3950)은 메조다공성 층(3904); 제1 및 제2 광활성 물질(3906 및 3908); 전하 수송 층(3910) 및 여러 계면 층을 포함한다. 도 9는 게다가 활성 층(3950)의 하위-층이 계면 층에 의해 분리되고, 추가로 계면 층이 각각의 전극(3902 및 3912) 상에 배치된 것인 실시예에 따른 예시적인 디바이스(3900)를 도시한다. 특히, 제2, 제3, 및 제4 계면 층(3905, 3907 및 3909)은 각각 메조다공성 층(3904), 제1 광활성 물질(3906), 제2 광활성 물질(3908) 및 전하 수송 층(3910) 각각의 사이에 배치된다. 제1 및 제5 계면 층(3903 및 3911)은 각각 (i) 제1 전극(3902)과 메조다공성 층(3904); 및 (ii) 전하 수송 층(3910)과 제2 전극(3912) 사이에 배치된다. 따라서, 도 9에 도시된 예시적인 디바이스의 아키텍처는 하기와 같이 특징화될 수 있다: 기판-전극-활성 층-전극-기판. 활성 층(3950)의 아키텍처는 하기와 같이 특징화될 수 있다: 계면 층-메조다공성 층-계면 층-광활성 물질-계면 층-광활성 물질-계면 층-전하 수송 층-계면 층. 이전에 언급한 바와 같이, 일부 실시예에서, 계면 층이 존재할 필요가 없거나; 하나 이상의 계면 층은, 전부가 아니라 특정한, 활성 층의 구성요소 및/또는 디바이스의 구성요소 사이에만 포함될 수 있다.
기판, 예컨대 제1 및 제2 기판(3901 및 3913) 중 어느 하나 또는 둘 다는 가요성 또는 경질일 수 있다. 2개의 기판이 포함되면, 적어도 하나는 전자기 (EM) 방사선 (예컨대, 예를 들어, UV, 가시 또는 IR 방사선)에 대해 투명하거나 반투명이어야 한다. 1개의 기판이 포함되면, 디바이스의 부분이 EM 방사선이 활성 층(3950)과 접촉하는 것을 허용하는 한 그럴 필요는 없지만, 이는 유사하게 투명 또는 반투명일 수 있다. 적합한 기판 물질은 하기 중 어느 하나 이상을 포함한다: 유리; 사파이어; 마그네슘 옥시드 (MgO); 운모; 중합체 (예를 들어, PET, PEG, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등); 세라믹; 직물 (예를 들어, 목화, 실크, 울); 목재; 건식벽체; 금속; 및 그의 조합.
이전에 언급한 바와 같이, 전극 (예를 들어, 도 9의 전극(3902 및 3912) 중 하나)은 애노드 또는 캐소드일 수 있다. 일부 실시예에서, 하나의 전극은 캐소드로서 기능할 수 있고, 다른 하나의 전극은 애노드로서 기능할 수 있다. 전극(3902 및 3912) 중 어느 하나 또는 둘 다는 리드, 케이블, 와이어, 또는 디바이스(3900)에 및/또는 그로부터 전하 수송을 가능하게 하는 다른 수단에 커플링될 수 있다. 전극은 임의의 전도성 물질을 구성할 수 있고, 적어도 하나의 전극은 EM 방사선에 대해 투명 또는 반투명이고/이거나 EM 방사선이 활성 층(3950)의 적어도 부분에 접촉하는 것을 가능하게 하는 방식으로 배열되어야 한다. 적합한 전극 물질은 하기 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다: 인듐 주석 옥시드 또는 주석-도핑된 인듐 옥시드 (ITO); 플루오린-도핑된 주석 옥시드 (FTO); 카드뮴 옥시드 (CdO); 아연 인듐 주석 옥시드 (ZITO); 알루미늄 아연 옥시드 (AZO); 알루미늄 (Al); 금 (Au); 칼슘 (Ca); 마그네슘 (Mg); 티타늄 (Ti); 스틸; 탄소 (및 그의 동소체); 및 그의 조합.
메조다공성 물질 (예를 들어, 도 9의 메조다공성 층(3904)에 포함된 물질)은 임의의 세공-함유 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 세공은 직경이 약 1 내지 약 100 nm 범위일 수 있고; 다른 실시예에서, 세공 직경은 약 2 내지 약 50 nm 범위일 수 있다. 적합한 메조다공성 물질은 하기 중 어느 하나 이상을 포함한다: 본원의 다른 곳에 논의된 임의의 계면 물질 및/또는 메조다공성 물질; 알루미늄 (Al); 비스무트 (Bi); 인듐 (In); 몰리브데넘 (Mo); 니오븀 (Nb); 니켈 (Ni); 규소 (Si); 티타늄 (Ti); 바나듐 (V); 아연 (Zn); 지르코늄 (Zr); 상기 금속 중 어느 하나 이상의 옥시드 (예를 들어, 알루미나, 세리아, 티타니아, 아연 옥시드, 지르코니아 등); 상기 금속 중 어느 하나 이상의 술피드; 상기 금속 중 어느 하나 이상의 니트라이드; 및 그의 조합.
광활성 물질 (예를 들어, 도 9의 제1 또는 제2 광활성 물질(3906 또는 3908))은 임의의 광활성 화합물, 예컨대 규소 (일부 경우에, 단결정질 규소), 카드뮴 텔룰라이드, 카드뮴 술피드, 카드뮴 셀레니드, 구리 인듐 갈륨 셀레니드, 갈륨 아르세나이드, 게르마늄 인듐 포스피드, 하나 이상의 반전도성 중합체 및 그의 조합 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 광활성 물질은 그 대신에 또는 그 이외에 염료 (예를 들어, N719, N3, 다른 루테늄-기재 염료)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 염료 (어떠한 조성이든지)는 또 다른 층 (예를 들어, 메조다공성 층 및/또는 계면 층) 상에 코팅될 수 있다. 일부 실시예에서, 광활성 물질은 하나 이상의 페로브스카이트 물질을 포함할 수 있다. 페로브스카이트-물질-함유 광활성 물질은 고체 형태를 가질 수 있거나, 일부 실시예에서 이는 페로브스카이트 물질을 포함하는 현탁액 또는 용액을 포함하는 염료의 형태를 취할 수 있다. 이러한 용액 또는 현탁액은 다른 염료와 유사한 방식으로 다른 디바이스 구성요소 상에 코팅될 수 있다. 일부 실시예에서, 고체 페로브스카이트-함유 물질은 임의의 적합한 수단 (예를 들어, 증착, 용액 침착, 고체 물질의 직접 배치 등)에 의해 침착될 수 있다. 다양한 실시예에 따른 디바이스는 1, 2, 3종 또는 그 초과의 광활성 화합물 (예를 들어, 1, 2, 3종 또는 그 초과의 페로브스카이트 물질, 염료 또는 그의 조합)을 포함할 수 있다. 다수의 염료 또는 다른 광활성 물질을 포함한 특정 실시예에서, 2종 이상의 염료 또는 다른 광활성 물질 각각은 하나 이상의 계면 층에 의해 분리될 수 있다. 일부 실시예에서, 다수의 염료 및/또는 광활성 화합물은 적어도 부분적으로 섞일 수 있다.
전하 수송 물질 (예를 들어, 도 9에서 전하 수송 층(3910)의 전하 수송 물질)은 고체 상태 전하 수송 물질 (즉, 통칭적으로 불리는 고체 상태 전해질)을 포함할 수 있거나, 이는 액체 전해질 및/또는 이온성 액체를 포함할 수 있다. 액체 전해질, 이온성 액체 및 고체 상태 전하 수송 물질 중 어느 것은 전하 수송 물질로서 지칭될 수 있다. 본원에 사용되는 "전하 수송 물질"은 고체, 액체, 또는 전하 캐리어를 수집하고/거나 전하 캐리어를 수송할 수 있는 그 밖의 것인 임의의 물질을 지칭한다. 예를 들어, 일부 실시예에 따른 PV 디바이스에서, 전하 수송 물질은 전하 캐리어를 전극으로 수송 가능할 수 있다. 전하 캐리어는 정공 (그의 수송은 전하 수송 물질을 단지 "정공 수송 물질"이라고 적절히 불리게 할 수 있음) 및 전자를 포함할 수 있다. PV 또는 다른 디바이스 내에 캐소드 또는 애노드에 관한 전하 수송 물질의 배치에 따라 정공은 애노드를 향해, 및 전자는 캐소드를 향해 수송될 수 있다. 일부 실시예에 따른 전하 수송 물질의 적합한 예는 하기 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다: 페로브스카이트 물질; I-/I3 -; Co 착물; 폴리티오펜 (예를 들어, 폴리(3-헥실티오펜) 및 그의 유도체 또는 P3HT); 카르바졸-기재 공중합체, 예컨대 폴리헵타데카닐카르바졸 디티에닐벤조티아디아졸 및 그의 유도체 (예를 들어, PCDTBT); 다른 공중합체, 예컨대 폴리시클로펜타디티오펜-벤조티아디아졸 및 그의 유도체 (예를 들어, PCPDTBT); 폴리(트리아릴 아민) 화합물 및 그의 유도체 (예를 들어, PTAA); 스피로-OMeTAD; 풀러렌 및/또는 풀러렌 유도체 (예를 들어, C60, PCBM); 및 그의 조합. 특정 실시예에서, 전하 수송 물질은 전하 캐리어 (전자 또는 정공)를 수집할 수 있고/거나 전하 캐리어를 수송할 수 있는 고체 또는 액체의 임의의 물질을 포함할 수 있다. 따라서, 일부 실시예의 전하 수송 물질은 n- 또는 p-형 활성 및/또는 반전도성 물질일 수 있다. 전하 수송 물질은 디바이스의 전극 중 하나에 근접하게 배치될 수 있다. 다른 실시예에서는 계면 층이 전하 수송 물질과 전극 사이에 배치될 수 있지만 (예를 들어 제5 계면 층(3911)을 갖는 도 9에 나타내어진 바와 같이), 일부 실시예에서는 전하 수송 물질이 전극에 인접하게 배치될 수 있다. 특정 실시예에서, 전하 수송 물질의 유형은 근접한 전극에 기초하여 선택될 수 있다. 예를 들어, 전하 수송 물질이 정공을 수집 및/또는 수송하면, 이는 정공을 애노드로 수송하도록 애노드에 근접할 수 있다. 그러나, 전하 수송 물질은 대신에 캐소드에 근접하게 배치될 수 있고, 캐소드로 전자를 수송하도록 선택되거나 구축될 수 있다.
이전에 언급한 바와 같이, 일부 실시예에 따른 디바이스가 임의의 계면 층을 함유할 필요가 없을지라도, 다양한 실시예에 따른 디바이스는 임의의 2개의 다른 층 및/또는 물질 사이에 계면 층을 임의로 포함할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 페로브스카이트 물질 디바이스는 0, 1, 2, 3, 4, 5개 또는 그 초과의 계면 층을 함유할 수 있다 (예컨대 5개의 계면 층(3903, 3905, 3907, 3909 및 3911)을 함유하는 도 9의 예시적인 디바이스). 계면 층은 본원에 이전에 논의된 실시예에 따른 얇은-코트 계면 층을 포함할 수 있다 (예를 들어, 알루미나 및/또는 다른 금속-옥시드 입자 및/또는 티타니아/금속-옥시드 이중층 및/또는 본원의 다른 곳에서 논의된 바와 같은 얇은-코트 계면 층에 따른 다른 화합물 포함). 일부 실시예에 따른 계면 층은 2개의 층 또는 물질 사이에 전하 수송 및/또는 수집을 증진시키기 위한 임의의 적합한 물질을 포함할 수 있고; 이는 또한 전하가 계면 층에 인접한 물질 중 하나로부터 떨어져 수송되면 전자 재조합의 가능성을 방지하거나 감소시키는 것을 도울 수 있다. 적합한 계면 물질은 하기 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다: 본원의 다른 곳에 논의된 임의의 메조다공성 물질 및/또는 계면 물질; Al; Bi; In; Mo; Ni; 백금 (Pt); Si; Ti; V; Nb; Zn; Zr; 상기 금속 중 어느 것의 옥시드 (예를 들어, 알루미나, 실리카, 티타니아); 상기 금속 중 어느 것의 술피드; 상기 금속 중 어느 것의 니트라이드; 관능화 또는 비-관능화 알킬 실릴 기; 흑연; 그래핀; 풀러렌; 탄소 나노튜브; 및 그의 조합 (일부 실시예에서, 조합된 물질의 이중층 포함). 일부 실시예에서, 계면 층은 페로브스카이트 물질을 포함할 수 있다.
도 9의 양식화된 표현에 따른 디바이스는 일부 실시예에서 PV, 예컨대 DSSC, BHJ, 또는 하이브리드 태양 전지일 수 있다. 일부 실시예에서, 도 9에 따른 디바이스는 병렬 또는 직렬의 다중-전지 PV, 배터리, 하이브리드 PV 배터리, FET, LEDS 및/또는 본원에 논의된 임의의 다른 디바이스를 구성할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예의 BHJ는 전극(3902 및 3912)에 상응하는 2개의 전극, 및 이종접합 계면에서 적어도 2종의 물질 (예를 들어, 활성 층(3950)의 물질 및/또는 층 중 임의의 2종)을 포함하는 활성 층을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 다른 디바이스 (예컨대 하이브리드 PV 배터리, 병렬 또는 직렬의 다중-전지 PV 등)는 도 9의 활성 층(3950)에 상응하는 페로브스카이트 물질을 포함한 활성 층을 포함할 수 있다. 간략하게, 도 9의 예시적인 디바이스의 도시의 양식화된 성질은 도 9에 따른 다양한 실시예의 디바이스의 허용가능한 구조 또는 아키텍처를 어떤 방식으로도 제한하지 않아야 한다.
페로브스카이트 디바이스의 추가적인, 보다 구체적인, 예시적 실시예는 예시적인 디바이스의 추가의 양식화된 도시의 관점에서 논의될 것이다. 이들 도시인 도 11-12의 양식화된 성질은 유사하게는 일부 실시예에서 도 11-12 중 어느 하나 이상에 따라 구축될 수 있는 디바이스의 유형을 제한하고자 하지는 않는다. 즉, 도 11-12에 나타내어진 아키텍처는 임의의 적합한 수단 (본원의 다른 곳에서 명백히 논의된 것, 및 본 개시내용의 도움으로 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 명백할 것인 다른 적합한 수단 둘 다 포함)에 따라, BHJ, 배터리, FET, 하이브리드 PV 배터리, 직렬 다중-전지 PV, 병렬 다중-전지 PV 및 본 개시내용의 다른 실시예의 다른 유사한 디바이스를 제공하도록 적합화될 수 있다.
도 10은 다양한 실시예에 따른 예시적인 디바이스(4100)를 도시한다. 디바이스(4100)는 제1 및 제2 유리 기판(4101 및 4109)을 포함한 실시예를 도시한다. 각각의 유리 기판은 그의 내부 표면 상에 배치된 FTO 전극 (각각 제1 전극(4102) 및 제2 전극(4108))을 갖고, 각각의 전극은 그의 내부 표면 상에 침착된 계면 층을 가지며: TiO2 제1 계면 층(4103)은 제1 전극(4102) 상에 침착되고, Pt 제2 계면 층(4107)은 제2 전극(4108) 상에 침착된다. 메조다공성 층(4104) (TiO2 포함); 광활성 물질(4105) (페로브스카이트 물질 MAPbI3 포함); 및 전하 수송 층(4106) (여기서는 CsSnI3 포함)이 2개의 계면 층 사이에 개재된다.
도 11은 메조다공성 층을 생략한 예시적인 디바이스(4300)를 도시한다. 디바이스(4300)는 제1 및 제2 계면 층(4303 및 4305) (각각 티타니아 및 알루미나 포함) 사이에 개재된 페로브스카이트 물질 광활성 화합물(4304) (MAPbI3 포함)을 포함한다. 티타니아 계면 층(4303)은 FTO 제1 전극(4302) 상에 코팅되며, 이는 또한 유리 기판(4301)의 내부 표면 상에 배치된다. 스피로-OMeTAD 전하 수송 층(4306)은 알루미나 계면 층(4305) 상에 코팅되고 금 제2 전극(4307)의 내부 표면 상에 배치된다.
본 개시내용의 도움으로 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 명백할 것인 바와 같이, 다양한 다른 실시예, 예컨대 다수의 광활성 층을 갖는 디바이스가 가능하다 (도 9의 예시적인 디바이스의 광활성 층(3906 및 3908)에 의해 예시된 바와 같이). 일부 실시예에서, 상기 논의된 바와 같이, 각각의 광활성 층은 계면 층에 의해 분리될 수 있다 (도 9에서 제3 계면 층(3907)에 의해 나타내어진 바와 같이). 게다가, 메조다공성 층(3904)이 제1 전극(3902) 상에 배치되는 것으로 도 9에 도시된 바와 같이, 메조다공성 층은 전극 상에 배치될 수 있다. 도 9는 둘 사이에 배치된 개재하고 있는 계면 층(3903)을 도시할지라도, 일부 실시예에서 메조다공성 층은 전극 상에 직접 배치될 수 있다.
추가의 페로브스카이트 물질 디바이스 예
다른 예시적인 페로브스카이트 물질 디바이스 아키텍처는 본 개시내용의 도움으로 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 예는 하기 아키텍처 중 어느 것을 갖는 활성 층을 함유하는 디바이스를 포함하나, 이에 제한되지는 않는다: (1) 액체 전해질-페로브스카이트 물질-메조다공성 층; (2) 페로브스카이트 물질-염료-메조다공성 층; (3) 제1 페로브스카이트 물질-제2 페로브스카이트 물질-메조다공성 층; (4) 제1 페로브스카이트 물질-제2 페로브스카이트 물질; (5) 제1 페로브스카이트 물질-염료-제2 페로브스카이트 물질; (6) 고체 상태 전하 수송 물질-페로브스카이트 물질; (7) 고체 상태 전하 수송 물질-염료-페로브스카이트 물질-메조다공성 층; (8) 고체 상태 전하 수송 물질-페로브스카이트 물질-염료-메조다공성 층; (9) 고체 상태 전하 수송 물질-염료-페로브스카이트 물질-메조다공성 층; 및 (10) 고체 상태 전하 수송 물질-페로브스카이트 물질-염료-메조다공성 층. 각각의 예시적인 아키텍처의 개별 구성요소 (예를 들어, 메조다공성 층, 전하 수송 물질 등)는 각각의 구성요소에 대한 상기에 논의에 따를 수 있다. 게다가, 각각의 예시적인 아키텍처는 하기에 보다 상세히 논의된다.
상기 언급된 활성 층 중 일부의 특정한 예로서, 일부 실시예에서, 활성 층은 액체 전해질, 페로브스카이트 물질, 및 메조다공성 층을 포함할 수 있다. 이들 실시예 중 일부의 활성 층은 실질적으로 액체 전해질-페로브스카이트 물질-메조다공성 층의 아키텍처를 가질 수 있다. 임의의 액체 전해질이 적합할 수 있고; 임의의 메조다공성 층 (예를 들어, TiO2)이 적합할 수 있다. 일부 실시예에서, 페로브스카이트 물질은 메조다공성 층 상에 침착되고, 그 후 액체 전해질로 코팅될 수 있다. 일부 이러한 실시예의 페로브스카이트 물질은 적어도 부분적으로 염료로서 작용할 수 있다 (이에 따라, 이는 광활성일 수 있음).
다른 예시적 실시예에서, 활성 층은 페로브스카이트 물질, 염료 및 메조다공성 층을 포함할 수 있다. 이들 실시예 중 일부의 활성 층은 실질적으로 페로브스카이트 물질-염료-메조다공성 층의 아키텍처를 가질 수 있다. 염료는 메조다공성 층 상에 코팅될 수 있고, 페로브스카이트 물질은 염료-코팅된 메조다공성 층 상에 배치될 수 있다. 페로브스카이트 물질은 이들 실시예 중 일부에서 정공-수송 물질로서 기능할 수 있다.
또 다른 예시적 실시예에서, 활성 층은 제1 페로브스카이트 물질, 제2 페로브스카이트 물질 및 메조다공성 층을 포함할 수 있다. 이들 실시예 중 일부의 활성 층은 실질적으로 제1 페로브스카이트 물질-제2 페로브스카이트 물질-메조다공성 층의 아키텍처를 가질 수 있다. 제1 및 제2 페로브스카이트 물질은 각각 동일한 페로브스카이트 물질(들)을 포함할 수 있거나 이들은 다양한 페로브스카이트 물질을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 페로브스카이트 물질 중 어느 하나는 광활성일 수 있다 (예를 들어, 이러한 실시예의 제1 및/또는 제2 페로브스카이트 물질은 적어도 부분적으로 염료로서 기능할 수 있음).
특정의 예시적 실시예에서, 활성 층은 제1 페로브스카이트 물질 및 제2 페로브스카이트 물질을 포함할 수 있다. 이들 실시예 중 일부의 활성 층은 실질적으로 제1 페로브스카이트 물질-제2 페로브스카이트 물질의 아키텍처를 가질 수 있다. 제1 및 제2 페로브스카이트 물질은 각각 동일한 페로브스카이트 물질(들)을 포함할 수 있거나 이들은 다양한 페로브스카이트 물질을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 페로브스카이트 물질 중 어느 하나는 광활성일 수 있다 (예를 들어, 이러한 실시예의 제1 및/또는 제2 페로브스카이트 물질은 적어도 부분적으로 염료로서 기능할 수 있음). 또한, 제1 및 제2 페로브스카이트 물질 중 어느 하나는 정공-수송 물질로서 기능 가능할 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 및 제2 페로브스카이트 물질 중 하나는 전자-수송 물질로서 기능하고, 제1 및 제2 페로브스카이트 물질 중 다른 하나는 염료로서 기능한다. 일부 실시예에서, 제1 및 제2 페로브스카이트 물질은 제1 페로브스카이트 물질과 제2 페로브스카이트 물질 사이에 높은 계면 영역을 달성하는 방식으로, 예컨대 도 5에서 각각 제1 및 제2 활성 물질(2810 및 2815)에 대해 나타내어진 배열로 (또는 도 4에서 각각 p- 및 n-형 물질(2618 및 2620)에 의해 유사하게 나타내어진 바와 같이) 활성 층 내에 배치될 수 있다.
추가의 예시적 실시예에서, 활성 층은 제1 페로브스카이트 물질, 염료 및 제2 페로브스카이트 물질을 포함할 수 있다. 이들 실시예 중 일부의 활성 층은 실질적으로 제1 페로브스카이트 물질-염료-제2 페로브스카이트 물질의 아키텍처를 가질 수 있다. 제1 및 제2 페로브스카이트 물질 중 어느 하나는 전하 수송 물질로서 기능할 수 있고, 제1 및 제2 페로브스카이트 물질 중 다른 하나는 염료로서 기능할 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 및 제2 페로브스카이트 물질 둘 다는 적어도 부분적으로 중복되고/거나 유사하고/거나 동일한 기능을 수행할 수 있다 (예를 들어, 둘 다는 염료로서의 역할을 할 수 있고/거나 둘 다는 정공-수송 물질로서의 역할을 할 수 있음).
일부 다른 예시적 실시예에서, 활성 층은 고체 상태 전하 수송 물질 및 페로브스카이트 물질을 포함할 수 있다. 이들 실시예 중 일부의 활성 층은 실질적으로 고체 상태 전하 수송 물질-페로브스카이트 물질의 아키텍처를 가질 수 있다. 예를 들어, 페로브스카이트 물질 및 고체 상태 전하 수송 물질은 높은 계면 영역을 달성하는 방식으로, 예컨대 도 5에서 각각 제1 및 제2 활성 물질(2810 및 2815)에 대해 나타내어진 배열로 (또는 도 4에서 각각 p- 및 n-형 물질(2618 및 2620)에 의해 유사하게 나타내어진 바와 같이) 활성 층 내에 배치될 수 있다.
다른 예시적 실시예에서, 활성 층은 고체 상태 전하 수송 물질, 염료, 페로브스카이트 물질 및 메조다공성 층을 포함할 수 있다. 이들 실시예 중 일부의 활성 층은 실질적으로 고체 상태 전하 수송 물질-염료-페로브스카이트 물질-메조다공성 층의 아키텍처를 가질 수 있다. 이들 실시예 중 다른 일부의 활성 층은 실질적으로 고체 상태 전하 수송 물질-페로브스카이트 물질-염료-메조다공성 층의 아키텍처를 가질 수 있다. 일부 실시예에서 페로브스카이트 물질은 제2 염료로서의 역할을 할 수 있다. 페로브스카이트 물질은 이러한 실시예에서 이러한 실시예의 활성 층을 포함한 PV 또는 다른 디바이스에 의해 흡수된 가시 광선의 스펙트럼의 폭을 증가시킬 수 있다. 특정 실시예에서, 페로브스카이트 물질은 또한 또는 그 대신에 염료와 메조다공성 층 사이의 및/또는 염료와 전하 수송 물질 사이의 계면 층으로서의 역할을 할 수 있다.
일부 예시적 실시예에서, 활성 층은 액체 전해질, 염료, 페로브스카이트 물질 및 메조다공성 층을 포함할 수 있다. 이들 실시예 중 일부의 활성 층은 실질적으로 고체 상태 전하 수송 물질-염료-페로브스카이트 물질-메조다공성 층의 아키텍처를 가질 수 있다. 이들 실시예 중 다른 일부의 활성 층은 실질적으로 고체 상태 전하 수송 물질-페로브스카이트 물질-염료-메조다공성 층의 아키텍처를 가질 수 있다. 페로브스카이트 물질은 광활성 물질, 계면 층 및/또는 그의 조합으로서의 역할을 할 수 있다.
일부 실시예는 페로브스카이트 물질을 포함하는 BHJ PV 디바이스를 제공한다. 예를 들어, 일부 실시예의 BHJ는 광활성 층 (예를 들어, 도 3의 광활성 층(2404))을 포함할 수 있으며, 이는 하나 이상의 페로브스카이트 물질을 포함할 수 있다. 이러한 BHJ의 광활성 층은 또한 또는 그 대신에 DSSC 활성 층에 관하여 상기 논의된 상기 나열된 예시적인 구성요소 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, BHJ 광활성 층은 상기 논의된 DSSC 활성 층의 예시적 실시예 중 어느 하나에 따른 아키텍처를 가질 수 있다.
일부 실시예에서, 임의의 PV 또는 다른 유사 디바이스는 상기 논의된 구성 및/또는 아키텍처 중 어느 하나 이상에 따른 활성 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 페로브스카이트 물질을 포함한 활성 층은 예를 들어 도 6에 도시된 예시적인 하이브리드 PV 배터리의 PV 활성 층(3603)으로서 및/또는 도 6의 배터리 활성 층(3605)으로서, 하이브리드 PV 배터리에 포함될 수 있다. 또 다른 예시적 실시예로서, 페로브스카이트 물질을 포함한 활성 층은 다중-광활성-층 PV 전지, 예컨대 도 7의 양식화된 다이어그램에 나타낸 예시적인 전지의 제1 및 제2 광활성 층(3701 및 3705) 중 어느 하나 또는 둘 다에 포함될 수 있다. 페로브스카이트 물질을 갖는 활성 층을 포함한 이러한 다중-광활성-층 PV 전지는 게다가 일련의 전기적으로 커플링된 다중-광활성-층 PV 전지 내에 합체될 수 있다 (일부 실시예에서는, 예를 들어 도 8a에 나타내어진 바와 같은 구조에 따름).
일부 실시예에서, 본원에 논의된 바와 같이 PV 또는 다른 디바이스에 합체된 페로브스카이트 물질을 포함한 활성 층 중 어느 것은, 활성 층 내에 포함시키기에 적합한 것으로 본원에 또한 논의된 다양한 추가의 물질 중 어느 것을 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 페로브스카이트 물질을 포함한 임의의 활성 층은 본원에 논의된 다양한 실시예에 따른 계면 층 (예컨대, 예를 들어, 얇은-코트 계면 층)을 추가로 포함할 수 있다. 추가의 예로서, 페로브스카이트 물질을 포함한 활성 층은 집광 층, 예컨대 도 2에 나타내어진 예시적인 PV에서 도시된 바와 같은 집광 층(1601)을 추가로 포함할 수 있다.
따라서, 본 발명은 언급된 목적 및 이점 및 본원에서 고유한 목적 및 이점을 획득하도록 잘 개조된다. 상기 개시된 특정한 실시예는, 본 발명이 본원의 교시의 이익을 갖는 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 명백한, 상이하지만 등가의 방식으로 변형 및 실시될 수 있으므로, 단지 예시적이다. 게다가, 하기 청구범위에 기재되는 것 이외에, 본원에 나타내어진 구축 또는 설계의 상세한 설명에 어떤 제한도 의도되지 않는다. 따라서, 상기 개시된 특정한 예시적 실시예는 변경 또는 변형될 수 있으며, 이러한 모든 변형이 본 발명의 범주 및 취지 내에 있는 것으로 간주되는 것이 명백하다. 특히, 본원에 개시된 ("약 a 내지 약 b", 또는 동등하게는 "대략 a 내지 b", 또는 동등하게는 "대략 a-b" 형태의) 값의 각각의 범위는 값의 각각의 범위의 멱집합 (모든 부분집합의 집합)으로 지칭되는 것으로 이해되고, 값의 보다 넓은 범위 내에 포괄되는 모든 범위를 제시한다. 또한, 청구범위 내의 용어는 특허권자에 의해 달리 명백하고 명확하게 정의되지 않는 한, 그의 통상의 일반적인 의미를 갖는다.

Claims (19)

  1. 광기전력 디바이스로서,
    제1 전극;
    제2 전극; 및
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 적어도 부분적으로 배치된 활성 층을 포함하고, 상기 활성 층은 제1 계면 층 및 페로브스카이트 물질 층을 포함하고, 상기 페로브스카이트 물질은 화학식 CMX3을 갖고, 상기 페로브스카이트 물질 층은 상기 제1 계면 층에 인접하여 그리고 상기 제1 계면 층과 접촉하여 배치되고;
    C는 1족 금속, 2족 금속, 암모늄, 포름아미디늄, 구아니디늄, 에텐 테트라민으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 양이온을 포함하고;
    M은 Cu 및 Bi를 포함하고;
    X는 할라이드, 술피드, 셀레니드 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 각각 선택된 하나 이상의 음이온을 포함하는, 광기전력 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, M은 Fe를 추가로 포함하는, 광기전력 디바이스.
  3. 제1항에 있어서, M은 Co를 추가로 포함하는, 광기전력 디바이스.
  4. 제1항에 있어서, M은 Ni를 추가로 포함하는, 광기전력 디바이스.
  5. 제1항에 있어서, M은 Ti를 추가로 포함하는, 광기전력 디바이스.
  6. 제1항에 있어서, C는 암모늄을 포함하는, 광기전력 디바이스.
  7. 제1항에 있어서, C는 포름아미디늄을 포함하는, 광기전력 디바이스.
  8. 제1항에 있어서, C는 구아니디늄을 포함하는, 광기전력 디바이스.
  9. 제1항에 있어서, C는 에텐 테트라민을 포함하는, 광기전력 디바이스.
  10. 제1항에 있어서, C는 암모늄 및 포름아미디늄을 포함하는, 광기전력 디바이스.
  11. 제1항에 있어서, C는 구아니디늄 및 포름아미디늄을 포함하는, 광기전력 디바이스.
  12. 제1항에 있어서, C는 구아니디늄 및 에텐 테트라민을 포함하는, 광기전력 디바이스.
  13. 제1항에 있어서, C는 에텐 테트라민 및 포름아미디늄을 포함하는, 광기전력 디바이스.
  14. 광기전력 디바이스로서,
    제1 전극;
    제2 전극; 및
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 적어도 부분적으로 배치된 활성 층을 포함하고, 상기 활성 층은 제1 계면 층 및 페로브스카이트 물질 층을 포함하고, 상기 페로브스카이트 물질은 화학식 CMX3을 갖고, 상기 페로브스카이트 물질 층은 상기 제1 계면 층에 인접하여 그리고 상기 제1 계면 층과 접촉하여 배치되고;
    C는 포름아미디늄을 포함하고;
    M은 Cu 및 Bi를 포함하고;
    X는 할라이드, 술피드, 셀레니드 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 각각 선택된 하나 이상의 음이온을 포함하는, 광기전력 디바이스.
  15. 제14항에 있어서, M은 Fe를 추가로 포함하는, 광기전력 디바이스.
  16. 제14항에 있어서, M은 Co를 추가로 포함하는, 광기전력 디바이스.
  17. 제14항에 있어서, M은 Ni를 추가로 포함하는, 광기전력 디바이스.
  18. 제14항에 있어서, M은 Ti를 추가로 포함하는, 광기전력 디바이스.
  19. 제14항에 있어서, C는 에텐 테트라민을 추가로 포함하는, 광기전력 디바이스.
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