KR20180025853A - 페로브스카이트 물질 디바이스에서의 티타네이트 계면 층 - Google Patents

페로브스카이트 물질 디바이스에서의 티타네이트 계면 층 Download PDF

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Abstract

광기전력 디바이스 예컨대 태양 전지, 하이브리드 태양-전지, 및 다른 이러한 장치는 2개의 전극 사이에 배치된 활성 층을 포함할 수 있다. 활성 층은 페로브스카이트 물질 및 다른 물질 예컨대 메소다공성 물질, 계면 층, 얇은-코트 계면 층, 및 그의 조합을 가질 수 있다. 페로브스카이트 물질은 광활성일 수 있다. 활성 층은 티타네이트를 포함할 수 있다. 페로브스카이트 물질은 광기전력 디바이스에서 둘 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 물질 디바이스에서의 티타네이트 계면 층
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 구축, 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 실시양태에 따른 DSSC의 다양한 층을 도시하는 DSSC 설계의 도시이다.
도 2는 본 개시내용의 일부 실시양태에 따른 DSSC의 다양한 층을 도시하는 DSSC 설계의 또 다른 도시이다.
도 3은 본 개시내용의 일부 실시양태에 따른 BHJ 디바이스 설계의 예시적인 도시이다.
도 4는 본 개시내용의 일부 실시양태에 따른 활성 층을 포함한 전형적인 광기전력 전지의 개략도이다.
도 5는 본 개시내용의 일부 실시양태에 따른 전형적인 고체 상태 DSSC 디바이스의 개략도이다.
도 6은 본 개시내용의 일부 실시양태에 따른 예시적인 PV 디바이스의 구성요소를 도시하는 양식화된 다이어그램이다.
도 7은 본 개시내용의 일부 실시양태에 따른 예시적인 PV 디바이스의 구성요소를 나타내는 양식화된 다이어그램이다.
도 8은 본 개시내용의 일부 실시양태에 따른 예시적인 PV 디바이스의 구성요소를 나타내는 양식화된 다이어그램이다.
도 9는 본 개시내용의 일부 실시양태에 따른 예시적인 PV 디바이스의 구성요소를 나타내는 양식화된 다이어그램이다.
도 10은 일부 실시양태에 따른 페로브스카이트 물질 디바이스의 양식화된 다이어그램이다.
도 11은 일부 실시양태에 따른 페로브스카이트 물질 디바이스의 양식화된 다이어그램이다.
도 12는 물의 존재 하에 (상단) 및 물의 부재 하에 (하단) 제조된 페로브스카이트 PV를 비교하는 스캐닝 전자 현미경으로부터의 단면 이미지를 나타낸다.
도 13-20은 일부 실시양태에 따른 페로브스카이트 물질 디바이스의 양식화된 다이어그램이다.
유기, 비-유기 및/또는 하이브리드 PV와 호환성인 PV 기술의 다양한 측면의 개선은 유기 PV 및 다른 PV 둘 다의 비용을 추가로 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 및 다른 물질을 포함할 수 있다.
본 개시내용은 일반적으로 태양 방사선으로부터 전기 에너지의 생성에 있어서 물질의 조성물, 장치 및 광기전력 전지 내의 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 (IFL), 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 실시양태에 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 실시양태에 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 실시양태에서, 본 개시내용은 PV 및 다른 유사한 디바이스 (예를 들어, 배터리, 하이브리드 PV 배터리, 다중-접합 PV, FET, LED 등)를 제공할 수 있다. 이러한 디바이스는 일부 실시양태에서 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 실시양태에 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 (예는 Fe, Co, Ni, Cu, Sn, Pb, Bi, Ge, Ti, 및 Zr 포함)을 포함하고; X는 하나 이상의 음이온을 포함한다. 다양한 실시양태에 따른 페로브스카이트 물질은 하기에 보다 상세하게 논의된다.
광기전력 전지 및 다른 전자 디바이스
일부 PV 실시양태는 도 1, 3, 4 및 5에 나타내어진 바와 같이 태양 전지의 다양한 예시적인 도시를 참조하여 기재될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에 따른 예시적인 PV 아키텍처는 실질적으로 기판-애노드-IFL-활성 층-IFL-캐소드 형태를 가질 수 있다. 일부 실시양태의 활성 층은 광활성일 수 있고/거나, 또는 이는 광활성 물질을 포함할 수 있다. 다른 층 및 물질은 관련 기술분야에 공지된 바와 같이 전지에서 이용될 수 있다. 게다가, 용어 "활성 층"의 사용은 임의의 다른 층의 특성을 어떤 방식으로도 제한하거나 또는 달리 명백하게 또는 내재적으로 규정하는 것으로 의도되지는 않음이 주목되어야 한다 - 예를 들어, 일부 실시양태에서, 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 페로브스카이트 물질 PV 실시양태에 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 실시양태의 투명 층은 또한 기판으로서 (예를 들어, 도 1의 기판 층(1507)과 같이) 지칭될 수 있고, 이는 다양한 경질 또는 가요성 물질, 예컨대 유리, 폴리에틸렌, PET, 캡톤, 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/또는 전자 수용자 또는 n-형 물질(2620), 및/또는 p- 및 n-형 물질 특징 둘 다를 나타내는 양극성 반도체로 구성된다. 도 4에 도시된 바와 같은 활성 층 또는 광-활성 층(2616)은 2개의 전기 전도성 전극 층(2622 및 2624) 사이에 개재된다. 도 4에서, 전극 층(2622)은 주석-도핑된 인듐 옥시드 (ITO 물질)이다. 이전에 언급된 바와 같이, 도 4에 나타내어진 디바이스에서 그러할지라도, 일부 실시양태의 활성 층은 반드시 광활성일 필요는 없다. 전극 층(2624)은 알루미늄 물질이다. 다른 물질은 관련 기술분야에 공지된 바와 같이 사용될 수 있다. 전지(2610)는 또한 ZnO 물질로서 도 4의 예에 나타내어진, 계면 층 (IFL)(2626)을 포함한다. IFL은 전하 분리에 도움이 될 수 있다. 일부 실시양태에서, IFL(2626)은 자기-조립 단층 (SAM)으로서 또는 얇은 필름으로서 본 개시내용에 따른 유기 화합물을 포함할 수 있다. 다른 실시양태에서, IFL(2626)은 다중-층 IFL을 포함할 수 있으며, 이는 하기에 보다 상세하게 논의된다. 또한 전극(2624)에 인접한 IFL(2627)이 있을 수 있다. 일부 실시양태에서, 전극(2624)에 인접한 IFL(2627)은 또한 또는 그 대신에 자기-조립 단층 (SAM)으로서 또는 얇은 필름으로서 본 개시내용에 따른 유기 화합물을 포함할 수 있다. 다른 실시양태에서, 전극(2624)에 인접한 IFL(2627)은 또한 또는 그 대신에 다중-층 IFL을 포함할 수 있다 (또한 하기에 보다 상세하게 논의됨). 일부 실시양태에 따른 IFL은 특징이 반전도성일 수 있고, p-형 또는 n-형일 수 있거나, 또는 특징이 유전성일 수 있다. 일부 실시양태에서, 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))은 n-형일 수 있다. 그러나, 다른 실시양태에서, 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 실시양태는 양식화된 BHJ 디바이스 설계를 도시한 도 3을 참조하여 기재될 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 구축의 물질은 단지 예이고; 관련 기술분야에 공지된 임의의 다른 BHJ 구축이 본 개시내용과 일치하여 사용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 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 실시양태에 따른 DSSC PV의 간략화된 도시이고, 여기서 이러한 예시적인 PV의 조립을 예시하기 위한 목적으로 참조된다. 도 1에 나타내어진 바와 같은 예시적인 DSSC는 하기에 따라 구축될 수 있다: 전극 층(1506) (플루오린-도핑된 주석 옥시드, FTO로서 나타내어짐)은 기판 층(1507) (유리로서 나타내어짐) 상에 침착된다. 메소다공성 층 ML(1505) (이는 일부 실시양태에서 TiO2일 수 있음)은 전극 층(1506) 상에 침착되고, 이어서 광전극 (지금까지 기판 층(1507), 전극 층(1506) 및 메소다공성 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 유리로서 나타내어짐) 및 전극 층(1502) (Pt/FTO로서 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 이용되는 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 통해 통과하는 것을 허용하기에 충분한 투명성을 가져야 한다. 일부 실시양태에서, 반대-전극 및/또는 광전극은 경질일 수 있고, 반면에 다른 실시양태에서 어느 하나 또는 둘 다는 가요성일 수 있다. 다양한 실시양태의 기판 층은 유리, 폴리에틸렌, PET, 캡톤, 석영, 알루미늄 호일, 금 호일 및 스틸 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 특정 실시양태에서, 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 실시양태에서, 본 개시내용은 고체 상태 DSSC를 제공한다. 일부 실시양태에 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 실시양태에서, 광활성일 수 있고, 이에 따라 고체-상태 DSSC 디바이스로부터 유도된 동력에 기여할 수 있다.
고체 상태 DSSC의 일부 예는 전형적인 고체 상태 DSSC의 양식화된 개략도인 도 5를 참조하여 기재될 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 FTO로서 나타내어짐) 사이에 개재된다. 도 5에 나타내어진 실시양태에서, 제1 활성 물질(2810)은 p-형 활성 물질이고, 고체-상태 전해질을 포함한다. 특정 실시양태에서, 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 실시양태에서, 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 실시양태의 제1 활성 물질은 고체-상태 p-형 물질을 포함할 수 있으며, 이는 구리 인듐 술피드를 포함할 수 있고, 일부 실시양태에서 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 실시양태에서, 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 실시양태에서, 제2 활성 물질은 옥시드 예컨대 알루미나를 포함할 수 있고/거나 이는 술피드를 포함할 수 있고/거나 이는 셀레니드를 포함할 수 있다. 따라서, 일부 실시양태에서, 제2 활성 물질은 구리 인듐 술피드를 포함할 수 있고, 일부 실시양태에서, 이는 구리 인듐 갈륨 셀레니드 금속을 포함할 수 있다. 일부 실시양태의 제2 활성 물질(2815)은 메소다공성 층을 구성할 수 있다. 게다가, 활성에 더하여, 제1 및 제2 활성 물질(2810 및 2815) 중 어느 하나 또는 둘 다는 광활성일 수 있다. 다른 실시양태 (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 실시양태에서, 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 실시양태에서 그 대신에 n-형 반전도성일 수 있다. 그러면, 이러한 실시양태에서, 염료로 코팅된 제2 활성 물질 (예를 들어, 도 5에 나타내어진 바와 같은 TiO2 (또는 다른 메소다공성 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 유리로서 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 실시양태에서, 전극(2805) (Pt/FTO로서 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 실시양태에 따른 고체 상태 DSSC는 도 1에 양식화된 바와 같이 도시된 DSSC에 관하여 상기 기재된 것과 실질적으로 유사한 방식으로 구축될 수 있다. 도 5에 나타내어진 실시양태에서, p-형 활성 물질(2810)은 도 1의 전해질(1503)에 상응하고; n-형 활성 물질(2815)은 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 실시양태는 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 실시양태에서, 얇은-코트 IFL을 포함한, PV 내에 하나 이상의 계면 층의 유리한 물질 및 설계를 제공한다. 얇은-코트 IFL은 본원에 논의된 다양한 실시양태에 따른 PV 중 하나 이상의 IFL에 이용될 수 있다.
다양한 실시양태에 따르면, 디바이스가 임의의 계면 층을 함유하는 것을 필요로 하지 않을 지라도, 디바이스는 어느 2개의 다른 층 및/또는 물질 사이에 계면 층을 임의로 포함할 수 있다. 예를 들어, 페로브스카이트 물질 디바이스는 0개, 1개, 2개, 3개, 4개, 5개, 또는 그 초과의 계면 층을 함유할 수 있다 (예컨대 5개의 계면 층(3903, 3905, 3907, 3909, 및 3911)을 함유하는 도 7의 예시적인 디바이스). 계면 층은 2개의 층 또는 물질 사이에서 전하 수송 및/또는 수집을 증진시키기 위한 임의의 적합한 물질을 포함할 수 있고; 이는 또한 일단 전하가 계면 층에 인접 물질 중 하나로부터 수송될 때 전하 재조합 가능성을 방지 또는 감소시키는 것을 도울 수 있다. 계면 층은 추가적으로 그의 기판을 물리적으로 및 전기적으로 균질화하여 기판 조도, 유전 상수, 접착, 결함의 생성 또는 켄칭 (예를 들어, 전하 트랩, 표면 상태)에서의 변동을 생성할 수 있다. 적합한 계면 물질은 Al; Bi; Co; Cu; Fe; In; Mn; Mo; Ni; 백금 (Pt); Si; Sn; Ta; Ti; V; W; 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 비관능화 알킬 실릴 기; 흑연; 그래핀; 풀러렌; 탄소 나노튜브; 본원의 다른 곳에 논의된 임의의 메소다공성 물질 및/또는 계면 물질; 및 그의 조합 (일부 실시양태에서, 조합된 물질의 이중층 포함) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 계면 층은 페로브스카이트 물질을 포함할 수 있다. 추가로, 계면 층은 본원에 언급된 임의의 계면 물질의 도핑된 실시양태 (예를 들어, Y-도핑된 ZnO, N-도핑된 단일-벽 탄소 나노튜브)를 포함할 수 있다.
먼저, 이전에 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 필름으로서 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 실시양태의 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 실시양태에서, 다중 분자)의 방향성의 조직화된 층을 형성하도록 하는 방식으로 전극 표면에 부착될 수 있다 (예를 들어, 다중 광활성 유기 화합물이 애노드 및/또는 캐소드에 결합되는 경우). 언급된 바와 같이, SAM은 공유 상호작용을 통해 부착될 수 있으나, 일부 실시양태에서 이는 이온성, 수소-결합 및/또는 분산력 (즉, 반 데르 발스) 상호작용을 통해 부착될 수 있다. 게다가, 특정 실시양태에서, 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 실시양태에서, 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 실시양태의 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 실시양태에 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 실시양태에 따라 IFL로 이용되는 경우에, 일부 실시양태에서 이는 광활성일 필요는 없지만, 광활성 특징을 유지할 수 있다.
광활성 유기 화합물 SAM IFL에 더하여 또는 그 대신에, 일부 실시양태에 따른 PV는 이러한 실시양태의 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 n- 또는 p-형일 수 있고; 일부 실시양태에서, 이는 기저 물질 (예를 들어, TiO2 또는 다른 메소다공성 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 제한하는 것으로 의도되지 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 실시양태는 티타늄 및 옥시드의 화학량론적 및/또는 비-화학량론적 양을 포함할 수 있다. 따라서, 다양한 실시양태는 (TiO2 대신에 또는 그에 더하여) TixOy를 포함할 수 있으며, 여기서 x는 1 내지 100의 정수 또는 비-정수의 임의의 값일 수 있다. 일부 실시양태에서, x는 대략 0.5 내지 3일 수 있다. 마찬가지로, y는 대략 1.5 내지 4일 수 있다 (또한, 정수일 필요는 없음). 따라서, 일부 실시양태는, 예를 들어, TiO2 및/또는 Ti2O3을 포함할 수 있다. 또한, 티타늄 및 옥시드 사이의 비 또는 비의 조합이 어떠하든지 간에 티타니아는 일부 실시양태에서 아나타제, 루틸 및 무정형 중 어느 하나 이상을 포함한, 어느 하나 이상의 결정 구조를 가질 수 있다.
일부 실시양태의 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 것인 예시적인 실시양태는, 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 예시적인 실시양태에서, 코팅은 Na2Mo4·2H2O와 같은 전구체 물질로 형성될 수 있고; 반면에 일부 실시양태에 따른 V2O5 코팅은 NaVO3과 같은 전구체 물질로 형성될 수 있고; 일부 실시양태에 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 실시양태의 방법은 대략 0.5 내지 10.0 mM 범위의 농도를 갖는 전구체 물질을 사용하여 TiO2 (또는 다른 메소다공성) 층을 코팅하는 것을 포함할 수 있고; 다른 실시양태는 대략 2.0 내지 6.0 mM, 또는 다른 실시양태에서 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, 알루미늄 및 산소의 다양한 비가 알루미나를 형성하는데 사용될 수 있음이 주목되어야 한다. 따라서, 본원에 논의된 일부 실시양태가 Al2O3를 참조하여 기재되었을지라도, 이러한 기재는 산소 내의 알루미늄의 요구되는 비를 정의하는 것으로 의도되지 않는다. 오히려, 실시양태는 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 실시양태에서, 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 실시양태에서, y는 2 내지 4일 수 있다 (또한, 정수일 필요는 없음). 또한, AlxOy의 다양한 결정질 형태, 예컨대 알루미나의 알파, 감마 및/또는 무정형 형태가 다양한 실시양태에 존재할 수 있다.
마찬가지로, 본원에서 MoO3, WO3 및 V2O5로 언급될지라도, 이러한 화합물은 그 대신에 또는 그에 더하여 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 실시양태에서, 이는 대략 0.5 내지 1.5일 수 있다. 마찬가지로, y는 대략 1 내지 100의 정수 또는 비-정수의 임의의 값일 수 있다. 일부 실시양태에서, 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 실시양태에서, 이는 대략 0.5 내지 1.5일 수 있다. 마찬가지로, y는 대략 1 내지 100의 정수 또는 비-정수의 임의의 값일 수 있고; 특정 실시양태에서, 이는 대략 1 내지 10의 정수 또는 비-정수 값일 수 있다.
유사하게, 본원에서 일부 예시적인 실시양태에서 CsSnI3에 대한 언급은 다양한 실시양태에 따른 세슘-주석-아이오딘 화합물의 구성요소 원소의 비를 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 일부 실시양태는 주석 및 아이오다이드의 화학량론적 및/또는 비-화학량론적 양을 포함할 수 있고, 이에 따라 이러한 실시양태는 그 대신에 또는 그에 더하여 세슘, 주석 및 아이오딘의 다양한 비, 예컨대 각각 CsxSnyIz의 비를 갖는 어느 하나 이상의 세슘-주석-아이오딘 화합물을 포함할 수 있다. 이러한 실시양태에서, x는 0.1 내지 100의 정수 또는 비-정수의 임의의 값일 수 있다. 일부 실시양태에서, 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 실시양태에서, 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 실시양태에서, 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 도핑 또는 배합될 수 있다.
또한, 얇은-코트 IFL은 이중층을 포함할 수 있다. 따라서, 얇은-코트 IFL이 금속-옥시드 (예컨대 알루미나)를 포함하는 실시양태로 돌아가면, 얇은-코트 IFL은 TiO2-플러스-금속-옥시드를 포함할 수 있다. 이러한 얇은-코트 IFL은 단독의 메소다공성 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 실시양태에 따르면, TiO2 입자의 충분한 물리적 상호연결을 제공하기 위해 종종 필요하다. 메소다공성 TiO2 (또는 다른 메소다공성 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.
일부 실시양태에서, IFL은 티타네이트를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에 따른 티타네이트는 화학식 M'TiO3을 가질 수 있고, 여기서 M'는 임의의 2+ 양이온을 포함한다. 일부 실시양태에서, M'는 Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ni, Zn, Cd, Hg, Cu, Pd, Pt, Sn 또는 Pb의 양이온성 형태를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, IFL은 티타네이트의 단일 종을 포함할 수 있으며, 다른 실시양태에서, 상기 IFL은 티타네이트의 둘 이상의 상이한 종을 포함할 수 있다. 한 실시양태에서, 티타네이트는 화학식 SrTiO3을 갖는다. 또 다른 실시양태에서, 티타네이트는 화학식 BaTiO3을 가질 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 티타네이트는 화학식 CaTiO3을 가질 수 있다.
설명으로서, 및 임의의 제한의 의미 없이, 티타네이트는 페로브스카이트 결정질 구조를 가지며, MAPbI3 성장 전환 과정을 강하게 시딩한다. 티타네이트는 일반적으로 또한 다른 IFL 요구, 예컨대 강유전성 거동, 충분한 전하 캐리어 이동도, 광학 투명성, 매칭된 에너지 준위 및 고유전율을 충족한다.
본원에 논의된 임의의 계면 물질은 도핑된 조성물을 추가로 포함할 수 있다. 계면 물질의 특징 (예를 들어, 전기적, 광학적, 기계적)을 변형하기 위해, 화학량론적 또는 비-화학량론적 물질은 1 ppb 내지 50 mol%의 적은 범위의 양으로 하나 이상의 원소 (예를 들어, Na, Y, Mg, N, P)로 도핑될 수 있다. 계면 물질의 일부 예는 NiO, TiO2, SrTiO3, Al2O3, ZrO2, WO3, V2O5, MO3, ZnO, 그래핀, 및 카본 블랙을 포함한다. 이들 계면 물질을 위한 가능한 도펀트의 예는 Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, Nb, Ti, Fe, Co, Ni, Cu, Ga, Sn, In, B, N, P, C, S, As, 할라이드, 슈도할라이드 (예를 들어, 시아나이드, 시아네이트, 이소시아네이트, 풀미네이트, 티오시아네이트, 이소티오시아네이트, 아지드, 테트라카르보닐코발테이트, 카르바모일디시아노메타니드, 디시아노니트로소메타니드, 디시안아미드 및 트리시아노메타니드) 및 임의의 산화 상태의 Al을 포함한다. 도핑된 계면 물질에 대한 본원의 언급은 계면 물질 화합물의 구성요소 원소의 비를 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
도 10은 일부 실시양태에 따른 페로브스카이트 물질 디바이스(4400)의 양식화된 다이어그램이다. 디바이스(4400)의 다양한 구성요소가 인접 물질을 포함하는 별개 층으로서 예시될지라도, 도 10은 양식화된 다이어그램임이 이해되어야 하고; 따라서, 그에 따른 실시양태는 이러한 별개 층, 및/또는 본원에 이전에 논의된 "층"의 용법과 일치하는 실질적으로 상호혼합된, 비-인접 층을 포함할 수 있다. 디바이스(4400)는 제1 및 제2 기판(4401 및 4407)을 포함한다. 제1 전극 (ITO)(4402)은 제1 기판(4401)의 내부 표면 상에 배치되고, 제2 전극 (Ag)(4406)은 제2 기판(4407)의 내부 표면 상에 배치된다. 활성 층(4450)은 2개의 전극(4402 및 4406) 사이에 개재된다. 활성 층(4450)은 제1 IFL (예를 들어, SrTiO3)(4403), 광활성 물질 (예를 들어, MAPbI3)(4404), 및 전하 수송 층 (예를 들어, 스피로-OMeTAD)(4405)을 포함한다.
이전에 논의된 얇은-코트 IFL 및 TiO2 상에 이들을 코팅하는 방법은, 일부 실시양태에서, 액체 전해질을 포함하는 DSSC에 이용될 수 있다. 따라서, 얇은-코트 IFL의 예로 돌아가서 한 예로서 다시 도 1을 참조하면, 도 1의 DSSC는 메소다공성 층(1505) 상에 코팅된 상기 기재된 바와 같은 얇은-코트 IFL을 추가로 포함할 수 있다 (즉, 얇은-코트 IFL은 메소다공성 층(1505) 및 염료(1504) 사이에 삽입될 것임).
한 실시양태에서, 페로브스카이트 물질 디바이스는 PbI2를 SrTiO3-코팅된 ITO 기판 상에 캐스팅함으로써 제조될 수 있다. PbI2는 침지 방법에 의해 MAPbI3으로 전환될 수 있다. 이 방법은 하기에 보다 상세하게 기재된다. 이 전환 방법은 SrTiO3의 부재 하의 기판의 제조와 비교 시 보다 복잡하다 (광학 분광분석법에 의해 관찰 시).
일부 실시양태에서, 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 실시양태의 얇은-코트 IFL은, 본 개시내용의 다양한 실시양태 중 하기 중 어느 하나 이상을 포함하나 이에 제한되지는 않는 본 개시내용에서 논의된 다른 화합물과 조합되어 임의의 다양한 디바이스에서 이용될 수 있다: 고체 정공-수송 물질 예컨대 활성 물질 및 첨가제 (예컨대, 일부 실시양태에서, 케노데옥시콜산 또는 1,8-디아이오도옥탄).
일부 실시양태에서, 상이한 물질로 제조된 다중 IFL은 서로 인접하게 배열되어 복합 IFL을 형성할 수 있다. 이 구성은 2개의 상이한 IFL, 3개의 상이한 IFL, 또는 심지어 보다 많은 수의 상이한 IFL을 수반할 수 있다. 생성된 다중-층 IFL 또는 복합 IFL은 단일-물질 IFL 대신 사용될 수 있다. 예를 들어, 복합 IFL은 도 4의 실시예에 나타내어진 바와 같이, 전지(2610)에서 IFL(2626)로서 및/또는 IFL(2627)로서 사용될 수 있다. 복합 IFL이 단일-물질 IFL과 상이한 한편, 다중-층 IFL을 갖는 페로브스카이트 물질 PV 전지의 어셈블리는 단지 단일-물질 IFL을 갖는 페로브스카이트 물질 PV 전지의 어셈블리와 실질적으로 상이하지 않다.
일반적으로, 복합 IFL은 IFL에 적합한 것으로서 본원에 논의된 물질 중 임의의 것을 사용하여 제조될 수 있다. 한 실시양태에서, IFL은 Al2O3의 층 및 ZnO 또는 M:ZnO (ZnO 도핑됨, 예를 들어, Be:ZnO, Mg:ZnO, Ca:ZnO, Sr:ZnO, Ba:ZnO, Sc:ZnO, Y:ZnO, Nb:ZnO)의 층을 포함한다. 한 실시양태에서, IFL은 ZrO2의 층 및 ZnO 또는 M:ZnO의 층을 포함한다. 특정 실시양태에서, IFL은 다중 층을 포함한다. 일부 실시양태에서, 다중-층 IFL은 일반적으로 전도체 층, 유전 층 및 반도체 층을 갖는다. 특히 실시양태에서 층은, 예를 들어, 전도체 층, 유전 층, 반도체 층, 유전 층 및 반도체 층을 반복할 수 있다. 다중-층 IFL의 예는 ITO 층, Al2O3 층, ZnO 층 및 제2 Al2O3 층을 갖는 IFL; ITO 층, Al2O3 층, ZnO 층, 제2 Al2O3 층 및 제2 ZnO 층을 갖는 IFL; ITO 층, Al2O3 층, ZnO 층, 제2 Al2O3 층, 제2 ZnO 층 및 제3 Al2O3 층을 갖는 IFL; 및 목적하는 성능 특징을 달성하는데 필수적인 가능한 한 많은 층을 갖는 IFL을 포함한다. 상기 논의된 바와 같이, 특정 화학량론적 비에 대한 언급은 다양한 실시양태에 따른 IFL 층에서의 구성요소 원소의 비를 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
복합 IFL로서의 2개 이상의 인접한 IFL을 배열하는 것은 페로브스카이트 물질 PV 전지에서 단일 IFL을 능가할 수 있고, 여기서 각각의 IFL 물질로부터의 속성은 단일 IFL에서 사용될 수 있다. 예를 들어, ITO 층, Al2O3 층 및 ZnO 층을 갖는 아키텍처에서, ITO가 전도성 전극이고, Al2O3이 유전 물질이고, ZnO가 n-유형 반도체인 경우에, ZnO는 잘 수행하는 전자 수송 특성 (예를 들어, 이동도)을 갖는 전자 수용자로서 작용한다. 추가적으로, Al2O3은 ITO에 잘 부착되며, 표면 결함 (예를 들어, 전하 트랩)을 캡핑함으로써 표면을 균질화하고, 암전류의 억제를 통해 디바이스 다이오드 특징을 개선시키는, 물리적으로 강건한 물질이다.
도 11은 일부 실시양태에 따른 페로브스카이트 물질 디바이스(4500)의 양식화된 다이어그램이다. 디바이스(4500)의 다양한 구성요소가 인접 물질을 포함하는 별개 층으로서 예시될지라도, 도 11은 양식화된 다이어그램임이 이해되어야 하고; 따라서, 그에 따른 실시양태는 이러한 별개 층, 및/또는 본원에 이전에 논의된 "층"의 용법과 일치하는 실질적으로 상호혼합된, 비-인접 층을 포함할 수 있다. 디바이스(4500)는 제1 및 제2 기판(4501 및 4508)을 포함한다. 제1 전극 (예를 들어, ITO)(4502)은 제1 기판(4501)의 내부 표면 상에 배치되고, 제2 전극 (예를 들어, Ag)(4507)은 제2 기판(4508)의 내부 표면 상에 배치된다. 활성 층(4550)은 2개의 전극(4502 및 4507) 사이에 개재된다. 활성 층(4550)은 제1 IFL (예를 들어, Al2O3)(4503) 및 제2 IFL (예를 들어, ZnO)(4504)을 포함하는 복합 IFL, 광활성 물질 (예를 들어, MAPbI3)(4505), 및 전하 수송 층 (예를 들어, 스피로-OMeTAD)(4506)을 포함한다.
도 13-20은 일부 실시양태에 따른 페로브스카이트 물질 디바이스의 양식화된 다이어그램이다. 디바이스의 다양한 구성요소가 인접 물질을 포함하는 별개 층으로서 예시될지라도, 도 13-18은 양식화된 다이어그램임이 이해되어야 하고; 따라서, 그에 따른 실시양태는 이러한 별개 층, 및/또는 본원에 이전에 논의된 "층"의 용법과 일치하는 실질적으로 상호혼합된, 비-인접 층을 포함할 수 있다. 예시적인 디바이스는 본 개시내용을 통해 기재된 층 및 물질을 포함한다. 디바이스는 기판 층 (예를 들어, 유리), 전극 층 (예를 들어, ITO, Ag), 복합 IFL일 수 있는 계면 층 (예를 들어, ZnO, Al2O3, Y:ZnO 및/또는 Nb:ZnO), 광활성 물질 (예를 들어 MAPbI3, FAPbI3, 5-AVAㆍHCl: MAPbI3, 및/또는 CHP: MAPbI3) 및 전하 수송 층 (예를 들어, 스피로-OMeTAD, PCDTBT, TFB, TPD, PTB7, F8BT, PPV, MDMO-PPV, MEH-PPV, 및/또는 P3HT)을 포함할 수 있다.
도 13은 일부 실시양태에 따른 페로브스카이트 물질 디바이스(6100)의 양식화된 다이어그램이다. 디바이스(6100)의 다양한 구성요소가 인접 물질을 포함하는 별개 층으로서 예시될지라도, 도 13은 양식화된 다이어그램임이 이해되어야 하고; 따라서, 그에 따른 실시양태는 이러한 별개 층, 및/또는 본원에 이전에 논의된 "층"의 용법과 일치하는 실질적으로 상호혼합된, 비-인접 층을 포함할 수 있다. 디바이스(6100)는 기판 (예를 들어, 유리)(6101)을 포함한다. 제1 전극 (예를 들어, ITO)(6102)은 기판(6101)의 내부 표면 상에 배치되고, 제2 전극 (예를 들어, Ag)(6107)은 2개의 전극(6102 및 6107) 사이에 개재된 활성 층(6150)의 상부 상에 배치된다. 활성 층(6150)은 제1 IFL (예를 들어, Al2O3)(6103) 및 제2 IFL (예를 들어, ZnO)(6104)을 포함하는 복합 IFL, 광활성 물질 (예를 들어, MAPbI3)(6105) 및 전하 수송 층 (예를 들어, 스피로-OMeTAD)(6106)을 포함한다.
도 14는 일부 실시양태에 따른 페로브스카이트 물질 디바이스(6200)의 양식화된 다이어그램이다. 디바이스(6200)의 다양한 구성요소가 인접 물질을 포함하는 별개 층으로서 예시될지라도, 도 14는 양식화된 다이어그램임이 이해되어야 하고; 따라서, 그에 따른 실시양태는 이러한 별개 층, 및/또는 본원에 이전에 논의된 "층"의 용법과 일치하는 실질적으로 상호혼합된, 비-인접 층을 포함할 수 있다. 디바이스(6200)는 기판 (예를 들어, 유리)(6201)을 포함한다. 제1 전극 (예를 들어, ITO)(6202)은 기판(6201)의 내부 표면 상에 배치되고, 제2 전극 (예를 들어, Ag)(6206)은 2개의 전극(6202 및 6206) 사이에 개재된 활성 층(6250)의 상부 상에 배치된다. 활성 층(6250)은 IFL (예를 들어, Y:ZnO)(6203), 광활성 물질 (예를 들어, MAPbI3)(6204) 및 전하 수송 층 (예를 들어, P3HT)(6205)을 포함한다.
도 15는 일부 실시양태에 따른 페로브스카이트 물질 디바이스(6300)의 양식화된 다이어그램이다. 디바이스(6300)의 다양한 구성요소가 인접 물질을 포함하는 별개 층으로서 예시될지라도, 도 15는 양식화된 다이어그램임이 이해되어야 하고; 따라서, 그에 따른 실시양태는 이러한 별개 층, 및/또는 본원에 이전에 논의된 "층"의 용법과 일치하는 실질적으로 상호혼합된, 비-인접 층을 포함할 수 있다. 디바이스(6300)는 기판 (예를 들어, 유리)(6301)을 포함한다. 제1 전극 (예를 들어, ITO)(6302)은 기판(6301)의 내부 표면 상에 배치되고, 제2 전극 (예를 들어, Ag)(6309)은 2개의 전극(6302 및 6309) 사이에 개재된 활성 층(6350)의 상부 상에 배치된다. 활성 층(6350)은 제1 IFL (예를 들어, Al2O3)(6303), 제2 IFL (예를 들어, ZnO)(6304), 제3 IFL (예를 들어, Al2O3)(6305) 및 제4 IFL (예를 들어, ZnO)(6306)을 포함하는 복합 IFL, 광활성 물질 (예를 들어, MAPbI3)(6307), 및 전하 수송 층 (예를 들어, PCDTBT)(6308)을 포함한다.
도 16은 일부 실시양태에 따른 페로브스카이트 물질 디바이스(6400)의 양식화된 다이어그램이다. 디바이스(6400)의 다양한 구성요소가 인접 물질을 포함하는 별개 층으로서 예시될지라도, 도 16은 양식화된 다이어그램임이 이해되어야 하고; 따라서, 그에 따른 실시양태는 이러한 별개 층, 및/또는 본원에 이전에 논의된 "층"의 용법과 일치하는 실질적으로 상호혼합된, 비-인접 층을 포함할 수 있다. 디바이스(6400)는 기판 (예를 들어, 유리)(6401)을 포함한다. 제1 전극 (예를 들어, ITO)(6402)은 기판(6401)의 내부 표면 상에 배치되고, 제2 전극 (예를 들어, Ag)(6409)은 2개의 전극(6402 및 6409) 사이에 개재된 활성 층(6450)의 상부 상에 배치된다. 활성 층(6450)은 제1 IFL (예를 들어, Al2O3)(6403), 제2 IFL (예를 들어, ZnO)(6404), 제3 IFL (예를 들어, Al2O3)(6405) 및 제4 IFL (예를 들어, ZnO)(6406)을 포함하는 복합 IFL, 광활성 물질 (예를 들어, 5-AVAㆍHCL:MAPbI3)(6407) 및 전하 수송 층 (예를 들어, PCDTBT)(6408)을 포함한다
도 17은 일부 실시양태에 따른 페로브스카이트 물질 디바이스(6500)의 양식화된 다이어그램이다. 디바이스(6500)의 다양한 구성요소가 인접 물질을 포함하는 별개 층으로서 예시될지라도, 도 17은 양식화된 다이어그램임이 이해되어야 하고; 따라서, 그에 따른 실시양태는 이러한 별개 층, 및/또는 본원에 이전에 논의된 "층"의 용법과 일치하는 실질적으로 상호혼합된, 비-인접 층을 포함할 수 있다. 디바이스(6500)는 기판 (예를 들어, 유리)(6501)을 포함한다. 제1 전극 (예를 들어, ITO)(6502)은 기판(6501)의 내부 표면 상에 배치되고, 제2 전극 (예를 들어, Ag)(6506)은 2개의 전극(6502 및 6506) 사이에 개재된 활성 층(6550)의 상부 상에 배치된다. 활성 층(6550)은 IFL (예를 들어, Nb:ZnO)(6503), 광활성 물질 (예를 들어, FAPbI3)(6504) 및 전하 수송 층 (예를 들어, P3HT)(6505)을 포함한다.
도 18은 일부 실시양태에 따른 페로브스카이트 물질 디바이스(6600)의 양식화된 다이어그램이다. 디바이스(6600)의 다양한 구성요소가 인접 물질을 포함하는 별개 층으로서 예시될지라도, 도 18은 양식화된 다이어그램임이 이해되어야 하고; 따라서, 그에 따른 실시양태는 이러한 별개 층, 및/또는 본원에 이전에 논의된 "층"의 용법과 일치하는 실질적으로 상호혼합된, 비-인접 층을 포함할 수 있다. 디바이스(6600)는 기판 (예를 들어 유리)(6601)을 포함한다. 제1 전극 (예를 들어, ITO)(6602)은 기판(6601)의 내부 표면 상에 배치되고, 제2 전극 (예를 들어, Ag)(6606)은 2개의 전극(6602 및 6606) 사이에 개재된 활성 층(6650)의 상부 상에 배치된다. 활성 층(6650)은 IFL (예를 들어, Y:ZnO)(6603), 광활성 물질 (예를 들어, CHP;MAPbI3)(6604) 및 전하 수송 층 (예를 들어, P3HT)(6605)을 포함한다.
도 19는 일부 실시양태에 따른 페로브스카이트 물질 디바이스(6700)의 양식화된 다이어그램이다. 디바이스(6700)의 다양한 구성요소가 인접 물질을 포함하는 별개 층으로서 예시될지라도, 도 19는 양식화된 다이어그램임이 이해되어야 하고; 따라서, 그에 따른 실시양태는 이러한 별개 층, 및/또는 본원에 이전에 논의된 "층"의 용법과 일치하는 실질적으로 상호혼합된, 비-인접 층을 포함할 수 있다. 디바이스(6700)는 기판 (예를 들어, 유리)(6701)을 포함한다. 제1 전극 (예를 들어, ITO)(6702)은 기판(6701)의 내부 표면 상에 배치되고, 제2 전극 (예를 들어, Al)(6707)은 2개의 전극(6702 및 6707) 사이에 개재된 활성 층(6750)의 상부 상에 배치된다. 활성 층(6750)은 IFL (예를 들어, SrTiO3)(6703), 광활성 물질 (예를 들어, FAPbI3)(6704), 제1 전하 수송 층 (예를 들어, P3HT)(6705) 및 제2 전하 수송 층 (예를 들어, MoOx)(6706)을 포함한다.
도 20은 일부 실시양태에 따른 페로브스카이트 물질 디바이스(6800)의 양식화된 다이어그램이다. 디바이스(6800)의 다양한 구성요소가 인접 물질을 포함하는 별개 층으로서 예시될지라도, 도 20은 양식화된 다이어그램임이 이해되어야 하고; 따라서, 그에 따른 실시양태는 이러한 별개 층, 및/또는 본원에 이전에 논의된 "층"의 용법과 일치하는 실질적으로 상호혼합된, 비-인접 층을 포함할 수 있다. 디바이스(6800)는 기판 (예를 들어, 유리)(6801)을 포함한다. 제1 전극 (예를 들어, ITO)(6802)은 기판(6801)의 내부 표면 상에 배치되고, 제2 전극 (예를 들어, Al)(6811)은 2개의 전극(6802 및 6811) 사이에 개재된 활성 층(6850)의 상부 상에 배치된다. 활성 층(6850)은 제1 IFL (예를 들어, Al2O3)(6803), 제2 IFL (예를 들어, ZnO)(6804), 제3 IFL (예를 들어, Al2O3)(6805), 제4 IFL (예를 들어, ZnO)(6806) 및 제5 IFL (예를 들어, Al2O3)(6807)을 포함하는 복합 IFL, 광활성 물질 (예를 들어, FAPbI3)(6808), 제1 전하 수송 층 (예를 들어, P3HT)(6809), 및 제2 전하 수송 층 (예를 들어, MoOx)(6810)을 포함한다.
페로브스카이트 물질
페로브스카이트 물질은 PV 또는 다른 디바이스의 다양한 하나 이상의 측면에 혼입될 수 있다. 일부 실시양태에 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 실시양태에서, C는 하나 이상의 유기 양이온을 포함할 수 있다.
특정 실시양태에서, 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 1개의 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 실시양태에서, C는 화학식 [R2NCRNR2]+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 1개의 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.
<화학식 1>
Figure pct00001
화학식 1은 상기 기재된 바와 같은 [R2NCRNR2]+의 화학식을 갖는 포름아미디늄 양이온의 구조를 예시한다. 화학식 2는 페로브스카이트 물질에서 양이온 "C"로서의 역할을 할 수 있는 여러 포름아미디늄 양이온의 예시적인 구조를 예시한다.
<화학식 2>
Figure pct00002
특정 실시양태에서, 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 1개의 질소가 고리 내에 함유된 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.
<화학식 3>
Figure pct00003
화학식 3은 상기 기재된 바와 같은 [(R2N)2C=NR2]+의 화학식을 갖는 구아니디늄 양이온의 구조를 예시한다. 화학식 4는 페로브스카이트 물질에서 양이온 "C"로서의 역할을 할 수 있는 여러 구아니디늄 양이온의 구조의 예시를 예시한다.
<화학식 4>
Figure pct00004
Figure pct00005
특정 실시양태에서, 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 1개의 질소가 고리 내에 함유된 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.
<화학식 5>
Figure pct00006
화학식 5는 상기 기재된 바와 같은 [(R2N)2C=C(NR2)2]+의 화학식을 갖는 에텐 테트라아민 양이온의 구조를 예시한다. 화학식 6은 페로브스카이트 물질에서 양이온 "C"로서의 역할을 할 수 있는 여러 에텐 테트라아민 이온의 구조의 예시를 예시한다.
<화학식 6>
Figure pct00007
특정 실시양태에서, C는 화학식 [CRNRCRNRCR]+ (여기서 R 기는 동일하거나 상이한 기일 수 있음)의 방향족, 시클릭 유기 양이온인 이미다졸륨 양이온을 포함할 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 1개의 질소가 고리 내에 함유된 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 그 초과의 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 포함할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
<화학식 7>
Figure pct00008
일부 실시양태에서, X는 하나 이상의 할라이드를 포함할 수 있다. 특정 실시양태에서, X는 그 대신에 또는 그에 더하여 16족 음이온을 포함할 수 있다. 특정 실시양태에서, 16족 음이온은 술피드 또는 셀레니드일 수 있다. 특정 실시양태에서, X는 그 대신에 또는 그에 더하여 하나 이상의 슈도할라이드 (예를 들어, 시아나이드, 시아네이트, 이소시아네이트, 풀미네이트, 티오시아네이트, 이소티오시아네이트, 아지드, 테트라카르보닐코발테이트, 카르바모일디시아노메타니드, 디시아노니트로소메타니드, 디시안아미드 및 트리시아노메타니드)를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 각각의 유기 양이온 C는 각각의 금속 M보다 클 수 있고, 각각의 음이온 X는 양이온 C 및 금속 M 둘 다와 결합할 수 있다. 다양한 실시양태에 따른 페로브스카이트 물질의 예는 CsSnI3 (본원에 이전에 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 실시양태에서, 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 실시양태에서, X를 구성하는 원소의 합한 화학량론은 CsxSnyIz에 관하여 이전에 논의된 바와 같은 Iz와 동일한 규칙을 따를 수 있다. 또 다른 예는 화학식 RNH3PbX3의 화합물을 포함하며, 여기서 R은 CnH2n +1일 수 있으며, 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.
복합 페로브스카이트 물질 디바이스 설계
일부 실시양태에서, 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. 예를 들어, 하나 이상의 페로브스카이트 물질은 일부 실시양태의 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 용어에서, 본 개시내용의 일부 실시양태는 하나 이상의 페로브스카이트 물질을 포함하는 활성 층을 갖는 PV 또는 다른 디바이스를 제공한다. 이러한 실시양태에서, 페로브스카이트 물질 (즉, 어느 하나 이상의 페로브스카이트 물질(들)을 포함한 물질)은 다양한 아키텍처의 활성 층에 이용될 수 있다. 게다가, 페로브스카이트 물질은 활성 층의 어느 하나 이상의 구성요소 (예를 들어, 각각이 하기에 보다 상세하게 논의된, 전하 수송 물질, 메소다공성 물질, 광활성 물질 및/또는 계면 물질)의 기능(들)을 수행할 수 있다. 다른 실시양태에서 복수의 페로브스카이트 물질이 디바이스에 포함될 수 있으며, 각각의 페로브스카이트 물질이 하나 이상의 이러한 기능을 수행할 수 있을지라도, 일부 실시양태에서 동일한 페로브스카이트 물질이 다중의 이러한 기능을 수행할 수 있다. 특정 실시양태에서, 페로브스카이트 물질이 어떠한 역할을 수행할 수 있는지 간에, 이는 다양한 상태로 디바이스 내에 제조되고/거나 존재할 수 있다. 예를 들어, 이는 일부 실시양태에서 실질적으로 고체일 수 있다. 다른 실시양태에서, 이는 용액일 수 있거나 (예를 들어, 페로브스카이트 물질은 액체 중에 용해되고 상기 액체 중에 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 메소다공성, 계면, 전하 수송, 광활성 또는 다른 층 상에, 및/또는 전극 상에) 디바이스 내에 코팅되거나 또는 달리 침착될 수 있다. 일부 실시양태에서 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 이용될 수 있다.
일반적으로, 페로브스카이트 물질 디바이스는 제1 전극, 제2 전극, 및 페로브스카이트 물질을 포함하는 활성 층을 포함할 수 있으며, 상기 활성 층은 제1 전극과 제2 전극 사이에 적어도 부분적으로 배치된다. 일부 실시양태에서, 제1 전극은 애노드 및 캐소드 중 하나일 수 있고, 제2 전극은 애노드 및 캐소드 중 다른 하나일 수 있다. 특정 실시양태에 따른 활성 층은 하기 중 어느 하나 이상을 포함한, 어느 하나 이상의 활성 층 구성요소를 포함할 수 있다: 전하 수송 물질; 액체 전해질; 메소다공성 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 실시양태에서, 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; 메소다공성 물질을 포함한 메소다공성 층; 및 전하 수송 물질을 포함한 전하 수송 층. 일부 실시양태에서, 광활성 물질, 예컨대 염료는 이들 층 중 어느 하나 이상에 코팅되거나 또는 달리 배치될 수 있다. 특정 실시양태에서, 어느 하나 이상의 층은 액체 전해질로 코팅될 수 있다. 추가로, 계면 층은 일부 실시양태에 따른 활성 층 중 어느 2개 이상의 다른 층 사이에 및/또는 층 및 코팅 사이에 (예컨대 염료 및 메소다공성 층 사이에) 및/또는 2개의 코팅 사이에 (예컨대 액체 전해질 및 염료 사이에) 및/또는 활성 층 구성요소 및 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 상호혼합 가능성에도 불구하고 디바이스의 구축 동안의 배열을 의미할 수 있다. 층은 일부 실시양태에서 별개이고, 실질적으로 인접 물질을 포함할 수 있다 (예를 들어, 층은 도 1에 양식화 도시된 바와 같을 수 있음). 다른 실시양태에서, 층은 실질적으로 상호혼합될 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 실시양태에서, 도 4의 디바이스에 의해 또한 나타내어진 바와 같이, 디바이스는 제1 및 제2 활성 물질(2618 및 2620)의 상호혼합된 층을 포함하는 광활성 층(2616)에 더하여, 별개 인접 층(2627, 2626 및 2622)을 함유하는 이들 두 종류의 층의 혼합물을 포함할 수 있다. 임의의 경우에, 어떠한 종류든지 간에 어느 2개 이상의 층은 특정 실시양태에서 높은 접촉 표면적을 달성하도록 하는 방식으로 서로 인접하게 (및/또는 서로 상호혼합되도록) 배치될 수 있다. 특정 실시양태에서, 페로브스카이트 물질을 포함하는 층은 높은 접촉 표면적을 달성하도록 하나 이상의 다른 층에 인접하게 배치될 수 있다 (예를 들어, 페로브스카이트 물질이 낮은 전하 이동도를 나타내는 경우에). 다른 실시양태에서, 높은 접촉 표면적은 필요하지 않을 수 있다 (예를 들어, 페로브스카이트 물질이 높은 전하 이동도를 나타내는 경우에).
일부 실시양태에 따른 페로브스카이트 물질 디바이스는 임의로 하나 이상의 기판을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 제1 및 제2 전극 중 어느 하나 또는 둘 다는 전극이 기판 및 활성 층 사이에 실질적으로 배치되도록 기판 상에 코팅되거나 또는 달리 배치될 수 있다. 디바이스의 구성 물질 (예를 들어, 기판, 전극, 활성 층 및/또는 활성 층 구성요소)은 다양한 실시양태에서 완전히 또는 부분적으로 경질 또는 가요성일 수 있다. 일부 실시양태에서, 전극은 기판으로서 작용할 수 있으며, 그에 의해 개별 기판에 대한 필요가 부정된다.
게다가, 특정 실시양태에 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 실시양태에 관하여 상기 논의된 첨가제 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
페로브스카이트 물질 디바이스에 포함될 수 있는 다양한 물질 중 일부의 기재는 부분적으로 도 7을 참조하여 이루어질 것이다. 도 7은 일부 실시양태에 따른 페로브스카이트 물질 디바이스(3900)의 양식화된 다이어그램이다. 디바이스(3900)의 다양한 구성요소가 인접 물질을 포함하는 별개 층으로서 도시되었을지라도, 도 7은 양식화된 다이어그램임이 이해되어야 하고; 따라서, 그에 따른 실시양태는, 이러한 별개 층 및/또는 본원에 이전에 논의된 "층"의 용법과 일치하는 실질적으로 상호혼합된, 비-인접 층을 포함할 수 있다. 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 메소다공성 층(3904); 제1 및 제2 광활성 물질(3906 및 3908); 전하 수송 층(3910) 및 여러 계면 층을 포함한다. 도 7은 게다가 활성 층(3950)의 하위-층이 계면 층에 의해 분리되고, 추가로 계면 층이 각각의 전극(3902 및 3912) 상에 배치된 것인 실시양태에 따른 예시적인 디바이스(3900)를 도시한다. 특히, 제2, 제3, 및 제4 계면 층(3905, 3907 및 3909)은 각각 메소다공성 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) 및 메소다공성 층(3904); 및 (ii) 전하 수송 층(3910) 및 제2 전극(3912) 사이에 배치된다. 따라서, 도 7에 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-메소다공성 층-계면 층-광활성 물질-계면 층-광활성 물질-계면 층-전하 수송 층-계면 층. 이전에 언급된 바와 같이, 일부 실시양태에서, 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 포함되는 경우에, 적어도 하나는 전자기 (EM) 방사선 (예컨대, 예를 들어, UV, 가시 또는 IR 방사선)에 대해 투명하거나 반투명이어야 한다. 1개의 기판이 포함되는 경우에, 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 언급된 바와 같이, 전극 (예를 들어, 도 7의 전극(3902 및 3912) 중 하나)은 애노드 또는 캐소드일 수 있다. 일부 실시양태에서, 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.
메소다공성 물질 (예를 들어, 도 7의 메소다공성 층(3904)에 포함된 물질)은 임의의 세공-함유 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 세공은 약 1 내지 약 100 nm 범위의 직경을 가질 수 있고; 다른 실시양태에서, 세공 직경은 약 2 내지 약 50 nm 범위일 수 있다. 적합한 메소다공성 물질은 하기 중 어느 하나 이상을 포함한다: 본원의 다른 곳에 논의된 임의의 계면 물질 및/또는 메소다공성 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 7의 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 실시양태에서, 광활성 물질은 그 대신에 또는 그에 더하여 염료 (예를 들어, N719, N3, 다른 루테늄-기재 염료)를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 염료 (어떠한 조성이든지 간에)는 또 다른 층 (예를 들어, 메소다공성 층 및/또는 계면 층) 상에 코팅될 수 있다. 일부 실시양태에서, 광활성 물질은 하나 이상의 페로브스카이트 물질을 포함할 수 있다. 페로브스카이트-물질-함유 광활성 물질은 고체 형태를 가질 수 있거나, 또는 일부 실시양태에서 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 실시양태에서, 고체 페로브스카이트-함유 물질은 임의의 적합한 수단 (예를 들어, 증착, 용액 침착, 고체 물질의 직접 배치 등)에 의해 침착될 수 있다. 다양한 실시양태에 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. 다중 염료 또는 다른 광활성 물질을 포함한 특정 실시양태에서, 둘 이상의 염료 또는 다른 광활성 물질 각각은 하나 이상의 계면 층에 의해 분리될 수 있다. 일부 실시양태에서, 다중 염료 및/또는 광활성 화합물은 적어도 부분적으로 상호혼합될 수 있다.
전하 수송 물질 (예를 들어, 도 7에서 전하 수송 층(3910)의 전하 수송 물질)은 고체-상태 전하 수송 물질 (즉, 통칭적으로 고체-상태 전해질로 표지됨)을 포함할 수 있거나, 또는 이는 액체 전해질 및/또는 이온성 액체를 포함할 수 있다. 액체 전해질, 이온성 액체 및 고체-상태 전하 수송 물질 중 임의의 것은 전하 수송 물질로서 지칭될 수 있다. 본원에 사용된 "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 실시양태에 따른 PV 디바이스에서, 전하 수송 물질은 전하 캐리어를 전극으로 수송할 수 있다. 전하 캐리어는 정공 (그의 수송은 전하 수송 물질을 단지 "정공 수송 물질"로 적절히 표지되도록 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 실시양태에 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), 폴리벤조디티오페닐-티에노티오펜디일 및 그의 유도체 (예를 들어, PTB6, PTB7, PTB7-th, PCE-10); 폴리(트리아릴 아민) 화합물 및 그의 유도체 (예를 들어, PTAA); 스피로-OMeTAD; 폴리페닐렌 비닐렌 및 그의 유도체 (예를 들어, MDMO-PPV, MEH-PPV); 풀러렌 및/또는 풀러렌 유도체 (예를 들어, C60, PCBM); 및 그의 조합. 특정 실시양태에서, 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 실시양태의 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 실시양태에서 계면 층이 전하 수송 물질 및 전극 사이에 배치될 수 있지만 (예를 들어 제5 계면 층(3911)을 갖는 도 7에 나타내어진 바와 같이), 일부 실시양태에서 전하 수송 물질이 전극에 인접하게 배치될 수 있다. 특정 실시양태에서, 전하 수송 물질의 유형은 근접한 전극에 기초하여 선택될 수 있다. 예를 들어, 전하 수송 물질이 정공을 수집 및/또는 수송하는 경우에, 이는 정공을 애노드로 수송하도록 애노드에 근접할 수 있다. 그러나, 전하 수송 물질은 대신에 캐소드에 근접하게 배치될 수 있고, 캐소드로 전자를 수송하도록 선택 또는 구축될 수 있다.
이전에 언급된 바와 같이, 일부 실시양태에 따른 디바이스가 임의의 계면 층을 함유할 필요가 없을지라도, 다양한 실시양태에 따른 디바이스는 어느 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 7의 예시적인 디바이스). 계면 층은 본원에 이전에 논의된 실시양태에 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 곳에 논의된 바와 같은 얇은-코트 계면 층에 따른 다른 화합물 포함). 일부 실시양태에 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 방지 또는 감소시키는 것을 도울 수 있다. 적합한 계면 물질은 하기 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다: 본원의 다른 곳에 논의된 임의의 메소다공성 물질 및/또는 계면 물질; Al; Bi; Co; Cu; Fe; In; Mn; Mo; Ni; 백금 (Pt); Si; Sn; Ta; Ti; V; W; 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 실시양태에서, 조합된 물질의 이중층 포함). 일부 실시양태에서, 계면 층은 페로브스카이트 물질을 포함할 수 있다.
도 7의 양식화된 표현에 따른 디바이스는 일부 실시양태에서 PV, 예컨대 DSSC, BHJ, 또는 하이브리드 태양 전지일 수 있다. 일부 실시양태에서, 도 7에 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 실시양태의 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 어느 2종)을 포함하는 활성 층을 포함할 수 있다. 특정 실시양태에서, 다른 디바이스 (예컨대 하이브리드 PV 배터리, 병렬 또는 직렬의 다중-전지 PV 등)는 도 7의 활성 층(3950)에 상응하는 페로브스카이트 물질을 포함한 활성 층을 포함할 수 있다. 간략하게, 도 7의 예시적인 디바이스의 도시의 양식화된 성질은 도 7에 따른 다양한 실시양태의 디바이스의 허용가능한 구조 또는 아키텍처를 어떤 방식으로도 제한하지 않아야 한다.
페로브스카이트 디바이스의 추가적인, 보다 구체적인, 예시적인 실시양태는 예시적인 디바이스의 추가의 양식화된 도시의 관점에서 논의될 것이다. 이들 도시인 도 8-18의 양식화된 성질은 유사하게는 일부 실시양태에서 도 8-18 중 어느 하나 이상에 따라 구축될 수 있는 디바이스의 유형을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 즉, 도 8-18에 나타내어진 아키텍처는 임의의 적합한 수단 (본원의 다른 곳에 명백히 논의된 것들, 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 실시양태의 다른 유사한 디바이스를 제공하도록 적합화될 수 있다.
도 8은 다양한 실시양태에 따른 예시적인 디바이스(4100)를 도시한다. 디바이스(4100)는 제1 및 제2 유리 기판(4101 및 4109)을 포함한 실시양태를 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. 메소다공성 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 9는 메소다공성 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, 상기 FTO 제1 전극은 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 실시양태, 예컨대 다중 광활성 층을 갖는 디바이스가 가능하다 (도 7의 예시적인 디바이스의 광활성 층(3906 및 3908)에 의해 예시된 바와 같이). 일부 실시양태에서, 상기 논의된 바와 같이, 각각의 광활성 층은 계면 층에 의해 분리될 수 있다 (도 7에서 제3 계면 층(3907)에 의해 나타내어진 바와 같이). 게다가, 메소다공성 층(3904)이 제1 전극(3902) 상에 배치되는 것으로 도 7에 도시된 바와 같이, 메소다공성 층은 전극 상에 배치될 수 있다. 도 7이 둘 사이에 배치된 개재하고 있는 계면 층(3903)을 도시할지라도, 일부 실시양태에서 메소다공성 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 임의의 것을 갖는 활성 층을 함유하는 디바이스를 포함하나 이에 제한되지는 않는다: (1) 액체 전해질-페로브스카이트 물질-메소다공성 층; (2) 페로브스카이트 물질-염료-메소다공성 층; (3) 제1 페로브스카이트 물질-제2 페로브스카이트 물질-메소다공성 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-메소다공성 층; (8) 고체-상태 전하 수송 물질-페로브스카이트 물질-염료-메소다공성 층; (9) 고체-상태 전하 수송 물질-염료-페로브스카이트 물질-메소다공성 층; 및 (10) 고체-상태 전하 수송 물질-페로브스카이트 물질-염료-메소다공성 층. 각각의 예시적인 아키텍처의 개별 구성요소 (예를 들어, 메소다공성 층, 전하 수송 물질 등)는 각각의 구성요소에 대한 상기 논의에 따를 수 있다. 게다가, 각각의 예시적인 아키텍처는 하기에 보다 상세하게 논의된다.
상기 언급된 활성 층 중 일부의 특정한 예로서, 일부 실시양태에서, 활성 층은 액체 전해질, 페로브스카이트 물질, 및 메소다공성 층을 포함할 수 있다. 이들 실시양태 중 특정의 활성 층은 실질적으로 액체 전해질-페로브스카이트 물질-메소다공성 층의 아키텍처를 가질 수 있다. 임의의 액체 전해질이 적합할 수 있고; 임의의 메소다공성 층 (예를 들어, TiO2)이 적합할 수 있다. 일부 실시양태에서, 페로브스카이트 물질은 메소다공성 층 상에 침착되고, 그 후 액체 전해질로 코팅될 수 있다. 일부 이러한 실시양태의 페로브스카이트 물질은 적어도 부분적으로 염료로서 작용할 수 있다 (이에 따라, 이는 광활성일 수 있음).
다른 예시적인 실시양태에서, 활성 층은 페로브스카이트 물질, 염료 및 메소다공성 층을 포함할 수 있다. 이들 실시양태 중 특정의 활성 층은 실질적으로 페로브스카이트 물질-염료-메소다공성 층의 아키텍처를 가질 수 있다. 염료는 메소다공성 층 상에 코팅될 수 있고, 페로브스카이트 물질은 염료-코팅된 메소다공성 층 상에 배치될 수 있다. 페로브스카이트 물질은 이들 실시양태 중 일부에서 정공-수송 물질로서 기능할 수 있다.
또 다른 예시적인 실시양태에서, 활성 층은 제1 페로브스카이트 물질, 제2 페로브스카이트 물질 및 메소다공성 층을 포함할 수 있다. 이들 실시양태 중 특정의 활성 층은 실질적으로 제1 페로브스카이트 물질-제2 페로브스카이트 물질-메소다공성 층의 아키텍처를 가질 수 있다. 제1 및 제2 페로브스카이트 물질은 각각 동일한 페로브스카이트 물질(들)을 포함할 수 있거나 또는 이들은 상이한 페로브스카이트 물질을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 페로브스카이트 물질 중 어느 하나는 광활성일 수 있다 (예를 들어, 이러한 실시양태의 제1 및/또는 제2 페로브스카이트 물질은 적어도 부분적으로 염료로서 기능할 수 있음).
특정의 예시적인 실시양태에서, 활성 층은 제1 페로브스카이트 물질 및 제2 페로브스카이트 물질을 포함할 수 있다. 이들 실시양태 중 특정의 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 또는 이들은 상이한 페로브스카이트 물질을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 페로브스카이트 물질 중 어느 하나는 광활성일 수 있다 (예를 들어, 이러한 실시양태의 제1 및/또는 제2 페로브스카이트 물질은 적어도 부분적으로 염료로서 기능할 수 있음). 또한, 제1 및 제2 페로브스카이트 물질 중 어느 하나는 정공-수송 물질로서 기능할 수 있다. 일부 실시양태에서, 제1 및 제2 페로브스카이트 물질 중 하나는 전자-수송 물질로서 기능하고, 제1 및 제2 페로브스카이트 물질 중 다른 하나는 염료로서 기능한다. 일부 실시양태에서, 제1 및 제2 페로브스카이트 물질은 제1 페로브스카이트 물질 및 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 예시적인 실시양태에서, 활성 층은 제1 페로브스카이트 물질, 염료 및 제2 페로브스카이트 물질을 포함할 수 있다. 이들 실시양태 중 특정의 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 실시양태에서, 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 예시적인 실시양태에서, 활성 층은 고체-상태 전하 수송 물질 및 페로브스카이트 물질을 포함할 수 있다. 이들 실시양태 중 특정의 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 예시적인 실시양태에서, 활성 층은 고체-상태 전하 수송 물질, 염료, 페로브스카이트 물질 및 메소다공성 층을 포함할 수 있다. 이들 실시양태 중 특정의 활성 층은 실질적으로 고체-상태 전하 수송 물질-염료-페로브스카이트 물질-메소다공성 층의 아키텍처를 가질 수 있다. 이들 실시양태 중 특정의 다른 활성 층은 실질적으로 고체-상태 전하 수송 물질-페로브스카이트 물질-염료-메소다공성 층의 아키텍처를 가질 수 있다. 일부 실시양태에서 페로브스카이트 물질은 제2 염료로서의 역할을 할 수 있다. 페로브스카이트 물질은 이러한 실시양태에서 이러한 실시양태의 활성 층을 포함한 PV 또는 다른 디바이스에 의해 흡수된 가시 광의 스펙트럼의 폭을 증가시킬 수 있다. 특정 실시양태에서, 페로브스카이트 물질은 또한 또는 그 대신에 염료 및 메소다공성 층 사이의 및/또는 염료 및 전하 수송 물질 사이의 계면 층으로서의 역할을 할 수 있다.
일부 예시적인 실시양태에서, 활성 층은 액체 전해질, 염료, 페로브스카이트 물질 및 메소다공성 층을 포함할 수 있다. 이들 실시양태 중 특정의 활성 층은 실질적으로 고체-상태 전하 수송 물질-염료-페로브스카이트 물질-메소다공성 층의 아키텍처를 가질 수 있다. 이들 실시양태 중 특정의 다른 활성 층은 실질적으로 고체-상태 전하 수송 물질-페로브스카이트 물질-염료-메소다공성 층의 아키텍처를 가질 수 있다. 페로브스카이트 물질은 광활성 물질, 계면 층 및/또는 그의 조합으로서의 역할을 할 수 있다.
일부 실시양태는 페로브스카이트 물질을 포함하는 BHJ PV 디바이스를 제공한다. 예를 들어, 일부 실시양태의 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 열거된 예시적인 구성요소 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 추가로, 일부 실시양태에서, BHJ 광활성 층은 상기 논의된 DSSC 활성 층의 예시적인 실시양태 중 어느 하나에 따른 아키텍처를 가질 수 있다.
일부 실시양태에서, 본원에 논의된 바와 같은 PV 또는 다른 디바이스에 혼입된 페로브스카이트 물질을 포함한 활성 층 중 임의의 것은, 활성 층 내에 포함시키기에 적합한 것으로 본원에 또한 논의된 다양한 추가의 물질 중 임의의 것을 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 페로브스카이트 물질을 포함한 임의의 활성 층은 본원에 논의된 다양한 실시양태에 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 PV에 도시된 바와 같은 집광 층(1601)을 추가로 포함할 수 있다.
페로브스카이트 물질 활성 층의 제조
이전에 논의된 바와 같이, 일부 실시양태에서, 활성 층에서의 페로브스카이트 물질은 화학식 CMX3 - yX'y (0 ≥ y ≥ 3)을 가질 수 있고, 여기서 C는 하나 이상의 양이온 (예를 들어, 아민, 암모늄, 1족 금속, 2족 금속, 포름아미디늄, 구아니디늄, 에텐 테트라민 및/또는 다른 양이온 또는 양이온-유사 화합물)을 포함하고; M은 하나 이상의 금속 (예를 들어, Fe, Cd, Co, Ni, Cu, Hg, Sn, Pb, Bi, Ge, Ti, Zn, 및 Zr)을 포함하고; X 및 X'는 하나 이상의 음이온을 포함한다. 한 실시양태에서, 페로브스카이트 물질은 CPbI3 - yCly를 포함할 수 있다. 특정 실시양태에서, 페로브스카이트 물질은 하기 기재된 단계를 사용하여 기판 층 상에, 예를 들어, 드롭 캐스팅, 스핀 캐스팅, 슬롯-다이 프린팅, 스크린 프린팅, 또는 잉크-젯 프린팅에 의해 PV 디바이스에서의 활성 층으로서 침착될 수 있다.
먼저, 납 할라이드 전구체 잉크를 형성한다. 소정량의 납 할라이드를 글러브 박스 내부의 깨끗한, 건조 바이알에 모을 수 있다 (즉, 글러브-함유 포트홀을 갖는 조절된 분위기 박스는 공기-무함유 환경에서의 물질 조작을 가능하게 함). 적합한 납 할라이드는 납 (II) 아이오다이드, 납 (II) 브로마이드, 납 (II) 클로라이드, 및 납 (II) 플루오라이드를 포함하나 이에 제한되지 않는다. 납 할라이드는 단일 종의 납 할라이드를 포함할 수 있거나, 또는 이는 정확한 비의 납 할라이드 혼합물을 포함할 수 있다. 특정 실시양태에서, 납 할라이드 혼합물은 0.001-100 mol%의 임의의 이원, 삼원, 또는 사원 비의 아이오다이드, 브로마이드, 클로라이드, 또는 플루오라이드를 포함할 수 있다. 한 실시양태에서 납 할라이드 혼합물은 납 (II) 클로라이드 및 납 (II) 아이오다이드를 약 10:90 몰:몰의 비로 포함할 수 있다. 다른 실시양태에서, 납 할라이드 혼합물은 납 (II) 클로라이드 및 납(II) 아이오다이드를 약 5:95, 약 7.5:92.5, 또는 약 15:85 몰:몰의 비로 포함할 수 있다.
대안적으로, 다른 납 염 전구체는 납 할라이드 염과 함께 또는 그 대신에 사용되어 전구체 잉크를 형성할 수 있다. 적합한 전구체 염은 납 (II) 또는 납 (IV) 및 하기 음이온: 니트레이트, 니트라이트, 카르복실레이트, 아세테이트, 포르메이트, 옥실레이트, 술페이트, 술파이트, 티오술페이트, 포스페이트, 테트라플루오로보레이트, 헥사플루오로포스페이트, 테트라(퍼플루오로페닐) 보레이트, 히드라이드, 옥시드, 퍼옥시드, 히드록시드, 니트라이드, 아르세네이트, 아르세나이트, 퍼클로레이트, 카르보네이트, 비카르보네이트, 크로메이트, 디크로메이트, 아이오데이트, 브로메이트, 클로레이트, 클로라이트, 하이포클로라이트, 하이포브로마이트, 시아나이드, 시아네이트, 이소시아네이트, 풀미네이트, 티오시아네이트, 이소티오시아네이트, 아지드, 테트라카르보닐코발테이트, 카르바모일디시아노메타니드, 디시아노니트로소메타니드, 디시안아미드, 트리시아노메타니드, 아미드, 및 퍼망가네이트의 임의의 조합 포함할 수 있다.
전구체 잉크는 상기 언급된 음이온의 염으로서 하기 금속 이온 Fe, Cd, Co, Ni, Cu, Hg, Sn, Pb, Bi, Ge, Ti, Zn, 및 Zr에 대해 0 내지 100% 몰비의 납 (II) 또는 납 (IV) 염을 추가로 포함할 수 있다.
이어서, 용매를 바이알에 첨가하여 납 고체를 용해시켜 납 할라이드 전구체 잉크를 형성할 수 있다. 적합한 용매는 건조 N-시클로헥실-2-피롤리돈, 알킬-2-피롤리돈, 디메틸포름아미드, 디알킬포름아미드, 디메틸술폭시드 (DMSO), 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 테트라히드로푸란, 포름아미드, tert-부틸피리딘, 피리딘, 알킬피리딘, 피롤리딘, 클로로벤젠, 디클로로벤젠, 디클로로메탄, 클로로포름 및 그의 조합을 포함하나 이에 제한되지 않는다. 한 실시양태에서, 납 고체를 건조 디메틸포름아미드(DMF) 중에 용해시킨다. 납 고체를 약 20℃ 내지 약 150℃의 온도에서 용해시킬 수 있다. 한 실시양태에서, 납 고체를 약 85℃에서 용해시킨다. 납 고체를 용액을 형성하는 데 필요한 기간 동안 용해시킬 수 있고, 이는 약 72시간 이하의 기간에 걸쳐 일어날 수 있다. 생성된 용액은 납 할라이드 전구체 잉크의 베이스를 형성한다. 일부 실시양태에서, 납 할라이드 전구체 잉크는 약 0.001M 내지 약 10M의 납 할라이드 농도를 가질 수 있다. 한 실시양태에서, 납 할라이드 전구체 잉크는 약 1 M의 납 할라이드 농도를 갖는다.
임의로, 특정 첨가제를 납 할라이드 전구체 잉크에 첨가하여 최종 페로브스카이트 결정화도 및 안정성에 영향을 미칠 수 있다. 일부 실시양태에서, 납 할라이드 전구체 잉크는 아미노산 (예를 들어, 5-아미노발레르산, 히스티딘, 글리신, 리신), 아미노산 히드로할라이드 (예를 들어, 5-아미노 발레르산 히드로클로라이드), IFL 표면-개질 (SAM) 작용제 (예컨대 명세서에서 이전에 논의된 것들), 또는 그의 조합을 추가로 포함할 수 있다. 한 실시양태에서, 포름아미디늄 클로라이드를 납 할라이드 전구체 잉크에 첨가할 수 있다. 다른 실시양태에서, 명세서에 이전에 논의된 임의의 양이온의 할라이드를 사용할 수 있다. 일부 실시양태에서, 첨가제의 조합 예컨대, 예를 들어, 포름아미디늄 클로라이드 및 5-아미노 발레르산 히드로클로라이드의 조합을 납 할라이드 전구체 잉크에 첨가할 수 있다.
설명으로서, 및 메카니즘의 임의의 특정한 이론에 대해 본 개시내용을 제한하지 않으면서, 포름아미디늄 및 5-아미노 발레르산은 이들을 1-단계 페로브스카이트 디바이스 제조에서 첨가제 또는 반대-음이온으로서 사용하는 경우에 페로브스카이트 PV 디바이스 안정성을 개선시키는 것으로 밝혀진 바 있다. PbCl2의 형태의 클로라이드는 2-단계 방법에서 PbI2 전구체 용액에 첨가하는 경우에 페로브스카이트 PV 디바이스 성능을 개선시키는 것으로 밝혀진 바 있다. 2-단계 페로브스카이트 얇은 필름 침착 방법은 포름아미디늄 클로라이드 및/또는 5-아미노 발레르산 히드로클로라이드를 납 할라이드 전구체 용액 (예를 들어, PbI2)에 직접 첨가함으로써 단일 물질 하의 양쪽 이점을 사용하여 개선될 수 있는 것으로 밝혀진 바 있다. 다른 페로브스카이트 필름 침착 방법은 마찬가지로 포름아미디늄 클로라이드, 5-아미노 발레르산 히드로클로라이드 또는 PbCl2를 납 할라이드 전구체 용액에 첨가함으로써 개선시킬 수 있다.
포름아미디늄 클로라이드 및/또는 5-아미노 발레르산 히드로클로라이드를 포함한 첨가제는 생성된 페로브스카이트 물질의 목적하는 특징에 따라 다양한 농도에서의 납 할라이드 전구체 잉크에 첨가할 수 있다. 한 실시양태에서, 첨가제는 약 1 nM 내지 약 n M의 농도로 첨가할 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 첨가제는 약 n μM 내지 약 1 M의 농도로 첨가할 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 첨가제는 약 1 μM 내지 약 1 mM의 농도로 첨가할 수 있다.
임의로, 특정 실시양태에서, 물을 납 할라이드 전구체 잉크에 첨가할 수 있다. 설명으로서, 및 임의의 특정한 이론 또는 메카니즘에 대해 본 개시내용을 제한하지 않으면서, 물의 존재는 페로브스카이트 얇은-필름 결정질 성장에 영향을 미친다. 통상의 상황 하에, 물은 공기로부터 증기로서 흡수될 수 있다. 그러나, 구체적 농도에서의 납 할라이드 전구체 잉크로의 물의 직접 첨가를 통해 페로브스카이트 PV 결정화도를 제어하는 것이 가능하다. 적합한 물은 증류수, 탈이온수, 또는 오염물 (미네랄 포함)이 실질적으로 없는 물의 임의의 다른 공급원을 포함한다. 광 I-V 스위프를 기준으로 하여, 페로브스카이트 PV 빛-대-동력 전환 효율은 완전한 건조 디바이스와 비교하여 물의 첨가 하에 거의 3배일 수 있는 것으로 밝혀진 바 있다.
물은 생성된 페로브스카이트 물질의 목적하는 특징에 따라 다양한 농도에서의 납 할라이드 전구체 잉크에 첨가할 수 있다. 한 실시양태에서, 물은 약 1 nL/mL 내지 약 1 mL/mL의 농도로 첨가할 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 물은 약 1 μL/mL 내지 약 0.1 mL/mL의 농도로 첨가할 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 물은 약 1 μL/mL 내지 약 20 μL/mL의 농도로 첨가할 수 있다.
도 12는 물의 존재 하에(5110) 및 물의 부재 하에(5120) 제조된 페로브스카이트 PV를 비교하는 스캐닝 전자 현미경으로부터의 단면 이미지를 나타낸다. 도 12에 보여질 수 있는 바와 같이, 물이 제조 동안 제외되는 경우 (하단)에, 물이 포함되는 경우 (상단)와 비교 시, 페로브스카이트 물질 층(5111 및 5121)에서의 상당한 구조적 변화가 존재한다. 페로브스카이트 물질 층(5111) (물의 존재 하에 제조됨)은 페로브스카이트 물질 층(5121) (물의 부재 하에 제조됨)보다 더 인접하고, 밀집해 있다.
이어서, 납 할라이드 전구체 잉크를 목적하는 기판 상에 침착시킬 수 있다. 적합한 기판 층은 본 개시내용에서 이전에 확인된 기판 층 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 상기 언급된 같이, 납 할라이드 전구체 잉크는 드롭 캐스팅, 스핀 캐스팅, 슬롯-다이 프린팅, 스크린 프린팅, 또는 잉크-젯 프린팅을 포함하나 이에 제한되지 않는 다양한 수단을 통해 침착될 수 있다. 특정 실시양태에서, 납 할라이드 전구체 잉크를 약 5초 내지 약 600초의 기간 동안에 약 500 rpm 내지 약 10,000 rpm의 속도로 기판 상에 스핀-코팅할 수 있다. 한 실시양태에서, 납 할라이드 전구체 잉크를 약 30초 동안 약 3000 rpm으로 기판 상에 스핀-코팅할 수 있다. 납 할라이드 전구체 잉크를 약 0% 상대 습도 내지 약 50% 상대 습도의 습도 범위에서 주위 분위기에서 기판 상에 침착시킬 수 있다. 이어서, 납 할라이드 전구체 잉크를 실질적으로 무수 분위기, 즉, 20% 미만의 상대 습도에서 건조되도록 두어 얇은 필름을 형성할 수 있다.
이어서, 얇은 필름을 약 20℃ 내지 약 300℃의 온도에서 약 24시간 이하의 기간 동안 열 어닐링할 수 있다. 한 실시양태에서, 얇은 필름을 약 50℃의 온도에서 약 10분 동안 열 어닐링할 수 있다. 이어서, 전구체 필름을 0.001M 내지 10M의 농도로 용매 또는 용매의 혼합물 (예를 들어, DMF, 이소프로판올, 메탄올, 에탄올, 부탄올, 클로로포름, 클로로벤젠, 디메틸술폭사이드, 물) 및 염 (예를 들어, 메틸암모늄 아이오다이드, 포름아미디늄 아이오다이드, 구아니디늄 아이오다이드, 1,2,2-트리아미노비닐암모늄 아이오다이드, 5-아미노발레르산 히드로아이오다이드)을 포함하는 용액에 침지시키거나 또는 그 용액으로 린싱하는 전환 방법에 의해 페로브스카이트 물질 활성 층을 완성할 수 있다. 특정 실시양태에서, 또한, 얇은 필름을 이 문단의 첫째 줄에서와 동일한 방식으로 열에 의해 후-어닐링할 수 있다.
따라서, 본 발명은 언급된 목적 및 이점 뿐만 아니라 본원의 고유한 목적 및 이점을 획득하도록 잘 적합화된다. 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 예시적인 실시양태는 변경 또는 변형될 수 있으며, 모든 이러한 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 (30)

  1. 광기전력 디바이스로서,
    제1 전극;
    제2 전극;
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 적어도 부분적으로 배치된 활성 층
    을 포함하며, 상기 활성 층은
    페로브스카이트 물질을 포함하는 광활성 물질; 및
    M'TiO3을 포함하는 계면 층을
    포함하는
    광기전력 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 페로브스카이트 물질이 화학식 CMX3을 가지며, C는 1족 금속, 2족 금속, 유기 양이온, 및 그의 조합으로 이루어진 군으로부터 각각 선택된 하나 이상의 양이온을 포함하고;
    M은 Fe, Co, Ni, Cu, Sn, Pb, Bi, Ge, Ti, Zn, 및 그의 조합으로 이루어진 군으로부터 각각 선택된 하나 이상의 금속을 포함하고;
    X는 할라이드, 슈도할라이드, 술피드, 셀레니드, 및 그의 조합으로 이루어진 군으로부터 각각 선택된 하나 이상의 음이온을 포함하는
    광기전력 디바이스.
  3. 제2항에 있어서, C가 메틸암모늄이고, M이 Pb이고, X가 하나 이상의 할라이드를 포함하는 광기전력 디바이스.
  4. 제2항에 있어서, C가 메틸암모늄이고, M이 Sn이고, X가 하나 이상의 할라이드를 포함하는 광기전력 디바이스.
  5. 제2항에 있어서, C가 포름아미디늄이고, M이 Pb이고, X가 하나 이상의 할라이드를 포함하는 광기전력 디바이스.
  6. 제2항에 있어서, C가 포름아미디늄이고, M이 Sn이고, X가 하나 이상의 할라이드를 포함하는 광기전력 디바이스.
  7. 제1항에 있어서, M'가 Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Fe, Ni, Zn, Cd, Hg, Cu, Pd, Pt, Sn, 및 Pb로 이루어진 군으로부터 각각 선택된 하나 이상의 양이온을 포함하는 광기전력 디바이스.
  8. 제1항에 있어서, 상기 활성 층이 메소다공성 물질을 추가로 포함하는 광기전력 디바이스.
  9. 제1항에 있어서, 상기 활성 층이 NiO, TiO2, Al2O3, ZrO2, WO3, V2O5, MoO3, ZnO, 흑연, 그래핀, 풀러렌, 탄소 나노튜브, 카본 블랙 및 그의 조합으로 이루어진 군으로부터 각각 선택된 하나 이상의 화합물을 포함하는 하나 이상의 계면 층을 추가로 포함하는 광기전력 디바이스.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극이 애노드를 추가로 포함하고;
    상기 제2 전극이 캐소드를 추가로 포함하고;
    상기 계면 층이 광활성 물질과 제1 전극 사이에 배치된
    광기전력 디바이스.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극이 애노드를 추가로 포함하고;
    상기 제2 전극이 캐소드를 추가로 포함하고;
    상기 계면 층이 광활성 물질과 제2 전극 사이에 배치된
    광기전력 디바이스.
  12. 제1항에 있어서, 상기 활성 층이 Al, Bi, Co, Cu, Fe, In, Mn, Mo, Ni, Pt, Si, Sn, Ta, Ti, V, W, Nb, Zn, Zr, 상기 금속 중 어느 것의 옥시드, 상기 금속 중 어느 것의 술피드, 상기 금속 중 어느 것의 니트라이드, 알킬 실릴 기, 흑연, 그래핀, 풀러렌, 탄소 나노튜브, 메소다공성 물질, 및 그의 조합으로 이루어진 군으로부터 각각 선택된 하나 이상의 화합물을 포함하는 하나 이상의 계면 층을 추가로 포함하는 광기전력 디바이스.
  13. 제1항에 있어서, 상기 활성 층이 Al2O3을 포함하는 계면 층을 추가로 포함하며;
    상기 Al2O3을 포함하는 계면 층은 상기 제1 전극에 근접하고, 상기 M'TiO3을 포함하는 계면 층은 상기 제2 전극에 근접하고;
    상기 제1 전극은 애노드이고, 상기 제2 전극은 캐소드인
    광기전력 디바이스.
  14. 제1항에 있어서, 상기 활성 층이 Al2O3을 포함하는 계면 층을 추가로 포함하며;
    상기 Al2O3을 포함하는 계면 층은 상기 제1 전극에 근접하고, 상기 M'TiO3을 포함하는 계면 층은 상기 제2 전극에 근접하고;
    상기 제1 전극은 캐소드이고, 상기 제2 전극은 애노드인
    광기전력 디바이스.
  15. 광기전력 디바이스로서,
    제1 전극;
    제2 전극; 및
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 적어도 부분적으로 배치된 활성 층
    을 포함하며, 상기 활성 층은
    페로브스카이트 물질 및 M'TiO3을 포함하고;
    M'는 Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Fe, Ni, Zn, Cd, Hg, Cu, Pd, Pt, Sn, 및 Pb로 이루어진 군으로부터 각각 선택된 하나 이상의 양이온을 포함하고,
    상기 페로브스카이트 물질은 화학식 CMX3을 가지며 M'TiO3에 인접하게 배치되고;
    C는 1족 금속, 2족 금속, 유기 양이온, 및 그의 조합으로 이루어진 군으로부터 각각 선택된 하나 이상의 양이온을 포함하고;
    M은 Fe, Co, Ni, Cu, Sn, Pb, Bi, Ge, Ti, Zn, 및 그의 조합으로 이루어진 군으로부터 각각 선택된 하나 이상의 금속을 포함하고;
    X는 할라이드, 슈도할라이드, 옥시드, 술피드, 셀레니드, 텔루라이드 및 그의 조합으로 이루어진 군으로부터 각각 선택된 하나 이상의 음이온을 포함하는
    광기전력 디바이스.
  16. 제15항에 있어서, C가 메틸암모늄이고, M이 Pb이고, X가 하나 이상의 할라이드를 포함하는 광기전력 디바이스.
  17. 제15항에 있어서, C가 메틸암모늄이고, M이 Sn이고, X가 하나 이상의 할라이드를 포함하는 광기전력 디바이스.
  18. 제15항에 있어서, C가 포름아미디늄이고, M이 Pb이고, X가 하나 이상의 할라이드를 포함하는 광기전력 디바이스.
  19. 제15항에 있어서, C가 포름아미디늄이고, M이 Sn이고, X가 하나 이상의 할라이드를 포함하는 광기전력 디바이스.
  20. 제15항에 있어서, 상기 활성 층이 메소다공성 물질을 추가로 포함하는 광기전력 디바이스.
  21. 제15항에 있어서, 상기 활성 층이 NiO, TiO2, Al2O3, ZrO2, WO3, V2O5, MoO3, ZnO, 흑연, 그래핀, 풀러렌, 탄소 나노튜브, 카본 블랙 및 그의 조합으로 이루어진 군으로부터 각각 선택된 하나 이상의 화합물을 추가로 포함하는 광기전력 디바이스.
  22. 제15항에 있어서, M'TiO3이 계면 층의 적어도 일부를 형성하는 광기전력 디바이스.
  23. 제15항에 있어서, M'TiO3이 메소다공성 물질인 광기전력 디바이스.
  24. 제15항에 있어서,
    상기 제1 전극이 애노드를 추가로 포함하고;
    상기 제2 전극이 캐소드를 추가로 포함하고;
    M'TiO3이 광활성 물질과 제1 전극 사이에 배치된
    광기전력 디바이스.
  25. 제15항에 있어서,
    상기 제1 전극이 애노드를 추가로 포함하고;
    상기 제2 전극이 캐소드를 추가로 포함하고;
    M'TiO3이 광활성 물질과 제2 전극 사이에 배치된
    광기전력 디바이스.
  26. 제15항에 있어서,
    상기 활성 층이 NiO를 추가로 포함하고;
    NiO가 상기 제1 전극에 근접하고, M'TiO3이 상기 제2 전극에 근접하고;
    상기 제1 전극이 애노드이고, 상기 제2 전극이 캐소드인
    광기전력 디바이스.
  27. 제15항에 있어서,
    상기 활성 층이 NiO를 추가로 포함하고;
    NiO가 상기 제1 전극에 근접하고, M'TiO3이 상기 제2 전극에 근접하고;
    상기 제1 전극이 캐소드이고, 상기 제2 전극이 애노드인
    광기전력 디바이스.
  28. 제15항에 있어서,
    상기 활성 층이 탄소 나노튜브를 추가로 포함하고;
    상기 탄소 나노튜브가 상기 제1 전극에 근접하고, M'TiO3이 상기 제2 전극에 근접하고;
    상기 제1 전극이 애노드이고, 상기 제2 전극이 캐소드인
    광기전력 디바이스.
  29. 제15항에 있어서,
    상기 활성 층이 탄소 나노튜브를 추가로 포함하고;
    상기 탄소 나노튜브가 상기 제1 전극에 근접하고, M'TiO3이 상기 제2 전극에 근접하고;
    상기 제1 전극이 캐소드이고, 상기 제2 전극이 애노드인
    광기전력 디바이스.
  30. 제15항에 있어서, 상기 활성 층이 Al, Bi, Co, Cu, Fe, In, Mn, Mo, Ni, Pt, Si, Sn, Ta, Ti, V, W, Nb, Zn, Zr, 상기 금속 중 어느 것의 옥시드, 상기 금속 중 어느 것의 술피드, 상기 금속 중 어느 것의 니트라이드, 알킬 실릴 기, 흑연, 그래핀, 풀러렌, 탄소 나노튜브, 메소다공성 물질, 및 그의 조합으로 이루어진 군으로부터 각각 선택된 하나 이상의 화합물을 추가로 포함하는 광기전력 디바이스.
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