KR20220106173A - 페로브스카이트 반도체 장치에서의 금속 산화물 나노입자 전자 수송 층 - Google Patents

페로브스카이트 반도체 장치에서의 금속 산화물 나노입자 전자 수송 층 Download PDF

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KR20220106173A
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마이클 데이비드 어윈
마리사 린 히긴스
니콜라스 찰스 앤더슨
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큐빅피브이 인크.
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Abstract

화학식 M2O5 (여기서, M은 탄탈럼 (V) 또는 니오븀 (V)임)을 갖는 금속 산화물 코어 및 금속 산화물 코어를 둘러싸는 알킬실록산 리간드를 포함하는 나노입자.

Description

페로브스카이트 반도체 장치에서의 금속 산화물 나노입자 전자 수송 층
관련 출원에 대한 상호-참조
본 출원은 2019년 11월 27일에 출원되고 발명의 명칭이 "METAL OXIDE NANOPARTICLE ELECTRON TRANSPORT LAYERS IN PEROVSKITE SEMICONDUCTOR DEVICES"인 미국 특허 가출원 번호 62/941,066을 우선권 주장하며, 그의 내용은 그 전문이 본원에 참조로 포함된다.
태양 에너지 또는 방사선으로부터 전력을 발생시키기 위한 광기전장치(photovoltaics; PV)의 사용은, 예를 들어, 전력원, 낮은 또는 0의 방출, 전력 그리드에 대해 독립적인 전력 생성, 내구성 물리적 구조 (이동 부분이 없음), 안정적이고 신뢰성 있는 시스템, 모듈식 구성물, 비교적 빠른 설치, 안전한 제조 및 사용, 및 좋은 여론 및 사용 허용성을 포함한 많은 이익을 제공할 수 있다.
PV는 광에 노출 시 전력을 발생시키는 광활성 층으로서 페로브스카이트 물질의 층을 혼입할 수 있다. PV 장치에서의 추가의 층은 광활성 층으로부터의 전하의 수송을 보조할 수 있다. 전하 수송 층의 선택은 PV 장치 성능 및 내구성에 영향을 미칠 수 있다.
본 개시내용의 특징 및 이점은 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 쉽게 명백할 것이다. 관련 기술분야의 통상의 기술자에 의해 많은 변화가 이루어질 수 있지만, 이러한 변화는 본 발명의 취지 내에 있는 것이다.
개요
일부 실시양태에 따르면, 나노입자는 화학식 M2O5 (여기서 M은 탄탈럼 (V) 또는 니오븀 (V)임)을 갖는 금속 산화물 코어 및 금속 산화물 코어를 둘러싸는 알킬실록산 리간드를 포함한다.
일부 실시양태에 따라, 금속 (V) 산화물 나노입자를 제조하는 방법은 금속 (V) 알콕시드 및 알킬카르복실산을, 물 및 알콜을 포함하는 용액 중에서 반응시켜 금속 (V) 산화물 나노입자 코어를 형성하는 것을 포함한다. 금속 (V) 산화물 나노입자 코어 및 알콕시알킬실란을, 알콜을 포함하는 용매 내로 도입시킨다. 수산화암모늄을, 금속 (V) 산화물 나노입자 코어 및 알콕시알킬실란을 함유하는 알콜을 포함하는 용매 내로 도입시킨다. 수산화암모늄의 도입 후에, 금속 (V) 산화물 나노입자 코어 및 알콕시알킬실란을 함유하는 알콜을 포함하는 용매 내로 염화수소를 도입시켜 금속 (V) 산화물 나노입자를 형성한다.
일부 실시양태에 따르면, 반도체 장치는 페로브스카이트 물질의 층 및 금속 (V) 산화물 나노입자의 층을 포함한다. 금속 (V) 산화물 나노입자는 알킬실록산 리간드에 의해 둘러싸인 화학식 M2O5을 갖는 금속 (V) 산화물 코어를 포함한다.
도 1은 본 개시내용의 일부 실시양태에 따른 활성 층을 포함하는 전형적인 광기전력 (PV) 전지의 개략도이다.
도 2는 본 개시내용의 일부 실시양태에 따른 일례의 PV 장치의 구성요소를 나타내는 양식화된 다이어그램이다.
도 3은 본 개시내용의 일부 실시양태에 따른 일례의 장치의 구성요소를 나타내는 양식화된 다이어그램이다.
도 4는 본 개시내용의 일부 실시양태에 따른 일례의 장치의 구성요소를 나타내는 양식화된 다이어그램이다.
도 5는 루들레스덴-포퍼(Ruddlesden-Popper) 페로브스카이트의 예시를 나타내는 양식화된 다이어그램이다.
도 6은 본 개시내용의 일부 실시양태에 따른 알킬 암모늄 양이온이 첨가된 페로브스카이트 물질의 예시를 나타내는 양식화된 다이어그램이다.
도 7은 본 개시내용의 일부 실시양태에 따른 1-부틸암모늄 표면 층을 갖는 페로브스카이트 물질의 예시를 나타내는 양식화된 다이어그램이다.
도 8은 본 개시내용의 일부 실시양태에 따른 다중 벌키 유기 양이온의 표면 층을 갖는 페로브스카이트 물질의 예시를 나타내는 양식화된 다이어그램이다.
도 8a는 본 개시내용의 일부 실시양태에 따른 다중 벌키 유기 양이온의 표면 층을 갖는 페로브스카이트 물질의 예시를 나타내는 양식화된 다이어그램이다.
도 9는 본 개시내용의 일부 실시양태에 따른 1-부틸암모늄 ("BAI") 표면 코팅을 갖는, 또한 갖지 않는 페로브스카이트 물질에서 얻은 이미지의 비교의 예시이다.
도 10은 본 개시내용의 일부 실시양태에 따른 1-부틸암모늄 ("BAI") 표면 코팅을 갖는, 또한 갖지 않는 페로브스카이트 물질에서 얻은 이미지의 비교의 예시를 나타내는 양식화된 다이어그램이다.
도 11a-d는 본 개시내용의 일부 실시양태에 따른 페로브스카이트 물질의 표면에 적용될 수 있는 다양한 페릴렌모노이미드 및 디이미드를 예시한다.
도 12는 본 개시내용의 일부 실시양태에 따른 페릴렌모노이미드 암모늄 양이온의 첨가를 갖는 페로브스카이트 물질의 예시를 나타내는 양식화된 다이어그램이다.
도 13은 본 개시내용의 일부 실시양태에 따른 포름아미디늄 납 아이오다이드 페로브스카이트 물질의 결정 격자 내로 혼입된 1,4-디암모늄 부탄의 예시를 나타내는 양식화된 다이어그램이다.
도 14는 본 개시내용의 일부 실시양태에 따른 다양한 농도의 1,4-디암모늄 부탄을 갖는 페로브스카이트에 대한 x선 회절 피크 (XRD)의 예시이다.
도 15는 본 개시내용의 일부 실시양태에 따른 시간에 따른 다양한 농도의 1,4-디암모늄 부탄을 갖는 페로브스카이트 물질 샘플의 이미지를 제공한다.
도 16은 본 개시내용의 일부 실시양태에 따른 폴리-암모늄 알킬 양이온의 예시를 제공한다.
도 16a는 본 개시내용의 일부 실시양태에 따른 포름아미디늄 납 아이오다이드 페로브스카이트 물질의 결정 격자 내로 혼입된 1,8 디암모늄 옥탄의 예시를 나타내는 양식화된 다이어그램이다.
도 16b는 본 개시내용의 일부 실시양태에 따른 포름아미디늄 납 아이오다이드 페로브스카이트 물질의 결정 격자 내로 혼입된 비스(4-아미노부틸)-암모늄의 예시를 나타내는 양식화된 다이어그램이다.
도 16c는 본 개시내용의 일부 실시양태에 따른 포름아미디늄 납 아이오다이드 페로브스카이트 물질의 결정 격자 내로 혼입된 트리스(4-아미노부틸)-암모늄의 예시를 나타내는 양식화된 다이어그램이다.
도 17-28은 본 개시내용의 일부 실시양태에 따른 특정 유기 분자의 구조의 예시를 제공한다.
도 29는 본 개시내용의 일부 실시양태에 따른 페로브스카이트 물질의 x선 회절 패턴을 예시한다.
도 30은 본 개시내용의 일부 실시양태에 따른 페로브스카이트 물질의 무기 금속 할라이드 부격자의 두께의 양식화된 예시를 제공한다.
도 31은 본 개시내용의 일부 실시양태에 따른 페로브스카이트 물질 광기전력 장치의 광학 및 광발광 이미지를 나타낸다.
도 32는 본 개시내용의 일부 실시양태에 따른 페로브스카이트 물질 광기전력 장치의 전력 출력 곡선을 예시한다.
도 33은 본 개시내용의 일부 실시양태에 따른 페로브스카이트 물질 광기전력 장치의 전류-전압 (I-V) 스캔을 예시한다.
도 34는 본 개시내용의 일부 실시양태에 따른 페로브스카이트 물질 광기전력 장치를 위한 개회로 전압 (Voc), 단락 전류 밀도 (Jsc), 충전 인자(Fill Factor; FF) 및 전력 전환 효율 (PCE)의 박스 플롯을 예시한다.
도 35는 본 개시내용의 일부 실시양태에 따른 페로브스카이트 물질 광기전력 장치의 외부 양자 효율 (EQE)을 예시한다.
도 36은 본 개시내용의 일부 실시양태에 따른 페로브스카이트 물질 광기전력 장치의 어드미턴스(admittance) 분광법 플롯을 나타낸다.
도 37은 본 개시내용의 일부 실시양태에 따른 페로브스카이트 물질 장치의 양식화된 예시이다.
도 38은 본 개시내용의 일부 실시양태에 따른 페로브스카이트 물질 장치의 양식화된 예시이다.
도 39는 본 개시내용의 일부 실시양태에 따른 페로브스카이트 물질 장치의 양식화된 예시이다.
도 40은 본 개시내용의 일부 실시양태에 따른 페로브스카이트 물질 장치의 양식화된 예시이다.
도 41은 본 개시내용의 일부 실시양태에 따른 페로브스카이트 물질 장치의 양식화된 예시이다.
도 42는 본 개시내용의 일부 실시양태에 따른 금속 산화물 나노입자 코어를 형성하기 위한 반응의 양식화된 예시이다.
도 43은 본 개시내용의 일부 실시양태에 따른 리간드 교환 반응의 양식화된 예시이다.
도 44는 본 개시내용의 일부 실시양태에 따른 금속 나노입자 가교 반응의 양식화된 예시이다.
도 45는 본 개시내용의 일부 실시양태에 따른 여러 금속 산화물 나노입자의 양식화된 예시이다.
도 46은 본 개시내용의 일부 실시양태에 따른 페로브스카이트 물질의 표면 상의 금속 산화물 나노입자의 양식화된 예시이다.
도 47은 본 개시내용의 일부 실시양태에 따른 페로브스카이트 물질의 표면 상의 암모늄-관능화된 금속 산화물 나노입자의 양식화된 예시이다.
도 48은 본 개시내용의 일부 실시양태에 따른 페로브스카이트 물질 광기전력 장치를 위한 개회로 전압 (Voc), 단락 전류 밀도 (Jsc), 충전 인자(Fill Factor; FF) 및 전력 전환 효율 (PCE)의 박스 플롯을 예시한다.
유기, 비-유기, 및/또는 하이브리드 PV와 상용성인 PV 기술의 다양한 측면에서의 개선은 유기 PV 및 다른 PV 둘 다의 비용을 추가로 감소시킬 가능성이 있다. 예를 들어, 일부 태양 전지, 예컨대 페로브스카이트 PV 태양 전지는, 니켈 산화물 계면 층 등의 신규한 비용-효율적 및 고-안정성 대안적 구성요소를 이용할 수 있다. 추가로, 다양한 종류의 태양 전지는 유리하게, 다른 이점들 중에서도 특히, 현재 존재하는 종래의 옵션에 비해 비용-효율적이고 내구성일 수 있는 화학적 첨가제 및 다른 물질을 포함할 수 있다.
본 개시내용은 일반적으로 태양 방사선으로부터 전기 에너지를 생성하는 광기전력 전지에서의 물질의 조성물, 장치 및 사용 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시내용은 광활성인 다른 물질의 조성물, 뿐만 아니라 이러한 물질의 조성물의 장치, 사용 방법, 및 형성에 관한 것이다.
본 개시내용의 일부 실시양태에 따른 물질 중 일부 또는 모두는 또한 유리하게 임의의 유기 또는 다른 전자 장치에서 사용될 수 있으며, 그 일부 예는, 배터리, 전계-효과 트랜지스터 (FET), 발광 다이오드 (LED), 비-선형 광학 장치, 멤리스터, 커패시터, 정류기, 및/또는 정류 안테나를 포함하나, 이에 제한되지는 않는다.
일부 실시양태에서, 본 개시내용은 PV 및 다른 유사한 장치 (예를 들어, 배터리, 하이브리드 PV 배터리, 다중-접합 PV, FET, LED, x선 검출기, 감마선 검출기, 포토다이오드, CCD 등)를 제공할 수 있다. 이러한 장치는 일부 실시양태에서 개선된 활성 물질, 계면 층 (IFL), 및/또는 1종 이상의 페로브스카이트 물질을 포함할 수 있다. 페로브스카이트 물질은 PV 또는 다른 장치의 다양한 하나 이상의 측면 내로 혼입될 수 있다. 페로브스카이트 물질은 일부 실시양태에 따라 화학식 CMX3을 가질 수 있으며, 여기서: C는 1종 이상의 양이온 (예를 들어, 아민, 암모늄, 포스포늄, 1족 금속, 2족 금속, 및/또는 다른 양이온 또는 양이온-유사 화합물)을 포함하고; M은 1종 이상의 금속 (그 예는 Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Fe, Cd, Co, Ni, Cu, Ag, Au, Hg, Sn, Ge, Ga, Pb, In, Tl, Sb, Bi, Ti, Zn, Cd, Hg, 및 Zr을 포함함)을 포함하고; X는 1종 이상의 음이온을 포함한다. 다양한 실시양태에 따른 페로브스카이트 물질은 하기에서 보다 상세히 논의된다.
광기전력 전지 및 다른 전자 장치
일부 PV 실시양태는 도 1에 나타낸 바와 같은 태양 전지의 예시적 도시를 참조로 하여 기재될 수 있다. 일례의 PV 아키텍쳐는 일부 실시양태에 따라 실질적으로 기판-애노드-IFL-활성 층-IFL-캐소드 형태를 가질 수 있다. 일부 실시양태의 활성 층은 광활성일 수 있고/거나, 이는 광활성 물질을 포함할 수 있다. 다른 층 및 물질은 관련 기술분야에 공지된 바와 같이 전지에서 활용될 수 있다. 또한, 용어 "활성 층"의 사용은 어떠한 방식으로든 임의의 다른 층의 특성을 제한하거나 다른 방식으로, 명시적으로 또는 암시적으로, 정의하도록 의도되지 않음을 이해하여야 하며, 예를 들어, 일부 실시양태에서, IFL 중 하나 또는 둘 다가 이들이 반도체일 수 있는 한 활성일 수 있다. 특히, 도 1을 참조하면, PV 내의 일부 층의 고도 계면 성질을 예시하는, 양식화된 포괄적 PV 전지(1000)가 도시되어 있다. PV(1000)는 페로브스카이트 물질 PV 실시양태 등의 여러 PV 장치에 적용가능한 포괄적 아키텍쳐를 나타낸다. PV 전지(1000)는 태양 방사선이 층을 통해 투과할 수 있게 하는 유리 (또는 태양 방사선에 대해 유사하게 투명한 물질)일 수 있는 투명한 기판 층(1010)을 포함한다. 일부 실시양태의 투명한 층은 또한 상판(superstrate) 또는 기판 (예를 들어, 도 2의 기판 층(3901)과 같이)으로서 언급될 수 있고, 이는 다양한 강성 또는 가요성 물질, 예컨대 유리, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카르보네이트, 폴리이미드, PMMA, PET, PEN, 캡톤(Kapton), 또는 석영 중 임의의 하나 이상을 포함할 수 있다. 일반적으로, 용어 기판은 제조 동안 장치가 그 위에 침착되는 물질을 지칭하는 데 사용된다. 광활성 층(1040)은 전자 공여체 또는 p형 물질, 및/또는 전자 수용체 또는 n형 물질, 및/또는 p형 및 n형 물질의 특징 둘 다를 나타내는 양극성 반도체, 및/또는 n형 또는 p형 특징 어느 것도 나타내지 않는 진성(intrinsic) 반도체로 구성될 수 있다. 광활성 층(1040)은, 일부 실시양태에서, 본원에 기재된 바와 같은 페로브스카이트 물질일 수 있다. 활성 층 또는, 도 1에 도시된 바와 같은, 광-활성 층(1040)은, 2개의 전기 전도성 전극 층(1020 및 1060) 사이에 샌드위치삽입된다. 도 1에서, 전극 층(1020)은 투명 전도체, 예컨대 주석-도핑된 인듐 산화물 (ITO 물질) 또는 본원에 기재된 바와 같은 다른 물질일 수 있다. 다른 실시양태에서, 제2 기판(1070) 및 제2 전극(1060)은 투명할 수 있다. 이전에 언급된 바와 같이, 일부 실시양태의 활성 층이 필수적으로 광활성이어야 하는 것은 아니지만, 도 1에 나타낸 장치에서는 그러하다. 전극 층(1060)은 알루미늄 물질 또는 다른 금속, 또는 다른 전도성 물질, 예컨대 탄소일 수 있다. 다른 물질은 관련 기술분야에 공지된 바와 같이 사용될 수 있다. 전지(1010)는 또한, 도 1의 예에 나타낸 계면 층 (IFL)(1030)을 포함한다. IFL은 전하 분리를 보조할 수 있다. 다른 실시양태에서, IFL(1030)은 다층 IFL을 포함할 수 있고, 이는 하기에서 보다 상세히 논의된다. 또한 전극(1060)에 인접한 IFL(1050)이 존재할 수 있다. 일부 실시양태에서, 전극(1060)에 인접한 IFL(1050)은 또한 또는 대신에 다층 IFL (또한, 하기에서 보다 상세히 논의됨)을 포함할 수 있다. IFL은 일부 실시양태에 따라 특징상 반도체일 수 있고, 진성, 양극성, p형, 또는 n형일 수 있거나, 또는 이는 특징상 유전체일 수 있다. 일부 실시양태에서, 장치의 캐소드측 상의 IFL (예를 들어, 도 1에 나타낸 바와 같은 IFL(1050))은 p형일 수 있고, 장치의 애노드측 상의 IFL (예를 들어, 도 1에 나타낸 바와 같은 IFL(1030))은 n형일 수 있다. 그러나, 다른 실시양태에서, 캐소드측 IFL은 n형일 수 있고, 애노드측 IFL은 p형일 수 있다. 전지(1010)는 전극(1060 및 1020) 및 방전 유닛, 예컨대 배터리, 모터, 커패시터, 전기 그리드, 또는 임의의 다른 전기 로드에 의해 전기 리드에 부착될 수 있다.
본 개시내용의 다양한 실시양태는 태양 전지 및 다른 장치의 다양한 측면에서 개선된 물질 및/또는 설계를 제공하며, 이는 다른 것들 중에서도, 활성 물질 (정공(hole)-수송 및/또는 전자-수송 층), 계면 층, 및 전반적 장치 설계를 포함한다.
계면 층
본 개시내용은, 일부 실시양태에서, 얇은-코트 IFL을 포함한, PV 내의 하나 이상의 계면 층의 유리한 물질 및 설계를 제공한다. 얇은-코트 IFL은 본원에서 논의된 다양한 실시양태에 따른 PV의 하나 이상의 IFL에서 사용될 수 있다.
다양한 실시양태에 따르면, 장치가 임의의 계면 층을 함유할 필요는 없지만, 장치는 임의로, 임의의 2개의 다른 층 및/또는 물질 사이의 계면 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 페로브스카이트 물질 장치는 0, 1, 2, 3, 4, 5개, 또는 그 초과의 계면 층을 함유할 수 있다 (예컨대 5개 계면 층(3903, 3905, 3907, 3909, 및 3911)을 함유하는 도 2의 예시 장치). 계면 층은 2개 층 또는 물질 사이의 전하 수송 및/또는 수집을 향상시키기 위한 임의의 적합한 물질을 포함할 수 있고; 이는 또한 계면 층에 인접한 물질 중 하나로부터 전하가 수송되면 전하 재조합의 가능성을 막거나 감소시키는 것을 도울 수 있다. 계면 층은 추가로 그의 기판을 물리적 및 전기적으로 균질화시켜 기판 조도, 유전 상수, 접착성, 결함 (예를 들어, 전하 트랩, 표면 상태)의 생성 또는 켄칭에 있어서의 변동을 생성할 수 있다. 적합한 계면 물질은 하기 중 임의의 하나 이상을 포함할 수 있다: Ag; Al; Au; B; Bi; Ca; Cd; Ce; Co; Cu; Fe; Ga; Ge; H; In; Mg; Mn; Mo; Nb; Ni; Pt; Sb; Sc; Si; Sn; Ta; Ti; V; W; Y; Zn; Zr; 상기 금속 중 임의의 것의 탄화물 (예를 들어, SiC, Fe3C, WC, VC, MoC, NbC); 상기 금속 중 임의의 것의 규화물 (예를 들어, Mg2Si, SrSi2, Sn2Si); 상기 금속 중 임의의 것의 산화물 (예를 들어, 알루미나, 실리카, 티타니아, SnO2, ZnO, NiO, ZrO2, HfO2), 예컨대 투명 전도성 산화물 ("TCO"), 예컨대 인듐 주석 산화물, 알루미늄 도핑된 아연 산화물 (AZO), 카드뮴 산화물 (CdO), 및 플루오린 도핑된 주석 산화물 (FTO); 상기 금속 중 임의의 것의 황화물 (예를 들어, CdS, MoS2, SnS2); 상기 금속 중 임의의 것의 질화물 (예를 들어, GaN, Mg3N2, TiN, BN, Si3N4); 상기 금속 중 임의의 것의 셀레나이드 (예를 들어, CdSe, FeSe2, ZnSe); 상기 금속 중 임의의 것의 텔루라이드 (예를 들어, CdTe, TiTe2, ZnTe); 상기 금속 중 임의의 것의 인화물 (예를 들어, InP, GaP, GaInP); 상기 금속 중 임의의 것의 아르세나이드 (예를 들어, CoAs3, GaAs, InGaAs, NiAs); 상기 금속 중 임의의 것의 안티모나이드 (예를 들어, AlSb, GaSb, InSb); 상기 금속 중 임의의 것의 할라이드 (예를 들어, CuCl, CuI, BiI3); 상기 금속 중 임의의 것의 유사할라이드 (예를 들어, CuSCN, AuCN, Fe(SCN)2); 상기 금속 중 임의의 것의 카르보네이트 (예를 들어, CaCO3, Ce2(CO3)3); 관능화된 또는 비-관능화된 알킬 실릴 기; 흑연; 그래핀; 풀러렌; 탄소 나노튜브; 임의의 메조다공성(mesoporous) 물질 및/또는 본원에서 다른 부분에서 논의된 계면 물질; 및 이들의 조합 (일부 실시양태에서, 조합된 물질의 이층, 삼층, 또는 다층 포함). 일부 실시양태에서, 계면 층은 페로브스카이트 물질을 포함할 수 있다. 또한, 계면 층은 본원에 언급된 임의의 계면 물질의 도핑된 실시양태 (예를 들어, Y-도핑된 ZnO, N-도핑된 단일-벽 탄소 나노튜브)를 포함할 수 있다. 계면 층은 또한 상기 물질 중 3개를 갖는 화합물 (예를 들어, CuTiO3, Zn2SnO4) 또는 상기 물질 중 4개를 갖는 화합물 (예를 들어, CoNiZnO)을 포함할 수 있다. 상기에 열거된 물질은 평면형, 메조다공성 또는 다르게는 나노-구조화된 형태 (예를 들어, 로드, 스피어, 플라워, 피라미드), 또는 에어로겔 구조로 존재할 수 있다.
먼저, 이전에 언급된 바와 같이, 하나 이상의 IFL (예를 들어, 도 1에 나타낸 바와 같은 IFL(2626 및 2627) 중 하나 또는 둘 다)은 본 개시내용의 광활성 유기 화합물을 자가-어셈블링된 단층 (SAM)으로서 또는 박막으로서 포함할 수 있다. 본 개시내용의 광활성 유기 화합물이 SAM으로서 적용되는 경우, 이는 이것이 그를 통해 애노드 및 캐소드 중 하나 또는 둘 다의 표면에 공유적으로 또는 다른 방식으로 결합될 수 있는 결합 기를 포함할 수 있다. 일부 실시양태의 결합 기는 COOH, SiX3 (여기서 X는 3급 규소 화합물, 예컨대 Si(OR)3 및 SiCl3의 형성에 적합한 임의의 모이어티일 수 있음), SO3, PO4H, OH, CH2X (여기서 X는 17족 할라이드를 포함할 수 있음), 및 O 중 임의의 하나 이상을 포함할 수 있다. 결합 기는 전자-끄는(withdrawing) 모이어티, 전자 공여체 모이어티, 및/또는 코어 모이어티에 공유적으로 또는 다른 방식으로 결합될 수 있다. 결합 기는 두께에 있어 단일 분자 (또는, 일부 실시양태에서, 다중 분자)의 지향성, 조직화 층을 형성하도록 하는 방식으로 전극 표면에 부착할 수 있다 (예를 들어, 다중 광활성 유기 화합물이 애노드 및/또는 캐소드에 결합되는 경우). 언급된 바와 같이, SAM은 공유 상호작용을 통해 부착할 수 있지만, 일부 실시양태에서, 이는 이온, 수소-결합, 및/또는 분산력 (즉, 반 데르 발스) 상호작용을 통해 부착할 수 있다. 또한, 특정 실시양태에서, 광 노출에 따라, SAM은 쯔비터이온성 여기 상태로 도입됨으로써 고도-분극 IFL을 생성할 수 있고, 이는 전하 캐리어를 활성 층으로부터 전극 (예를 들어, 애노드 또는 캐소드 중 하나)으로 지향시킬 수 있다. 이 향상된 전하-캐리어 주입은, 일부 실시양태에서, 활성 층의 단면을 전자 폴링시키고 그에 따라 그들 각각의 전극을 향한 (예를 들어, 정공에서 애노드로; 전자에서 캐소드로) 전하-캐리어 표류 속도를 증가시킴으로써 달성될 수 있다. 일부 실시양태의 애노드 적용을 위한 분자는, 차례로, 결합 기에 결합된 전자-끄는 모이어티에 결합된 코어 모이어티에 결합된 1급 전자 공여체 모이어티를 포함하는 조율가능 화합물을 포함할 수 있다. 캐소드 적용에서, 일부 실시양태에 따라, IFL 분자는, 차례로, 결합 기에 결합된 전자 공여체 모이어티에 결합된 코어 모이어티에 결합된 전자 부족 모이어티를 포함하는 조율가능 화합물을 포함할 수 있다. 광활성 유기 화합물이 이러한 실시양태에 따른 IFL로서 사용되는 경우, 이는 광활성 특징을 보유할 수 있지만, 일부 실시양태에서 이는 광활성일 필요가 없다.
금속 산화물이 일부 실시양태의 박막 IFL에서 사용될 수 있고, 이는 반도체 금속 산화물, 예컨대 NiO, SnO2 WO3, V2O5, 또는 MoO3을 포함할 수 있다. 제2 (예를 들어, n형) 활성 물질이 Al2O3을 포함하는 얇은-코트 IFL로 코팅된 TiO2를 포함하는 실시양태가, 예를 들어, 전구체 물질, 예컨대 Al(NO3)3·xH2O, 또는 TiO2 상으로의 Al2O3의 침착에 적합한 임의의 다른 물질로 형성될 수 있고, 그 후 열 어닐링 및 염료 코팅된다. MoO3 코팅이 대신 사용되는 예시 실시양태에서는, 코팅이 전구체 물질, 예컨대 Na2MO4·2H2O로 형성될 수 있는 반면; V2O5 코팅은 일부 실시양태에 따라 전구체 물질, 예컨대 NaVO3으로 형성될 수 있고; WO3 코팅은 일부 실시양태에 따라 전구체 물질, 예컨대 NaWO4·H2O로 형성될 수 있다. 전구체 물질 (예를 들어, Al(NO3)3·xH2O)의 농도는 TiO2 또는 다른 활성 물질 상에 침착되는 최종 필름 두께 (여기서는, Al2O3의 것)에 영향을 줄 수 있다. 따라서, 전구체 물질의 농도를 변형시키는 것은, 최종 필름 두께가 제어될 수 있는 방법일 수 있다. 예를 들어, 보다 큰 필름 두께는 보다 큰 전구체 물질 농도로부터 유래될 수 있다. 보다 큰 필름 두께가 금속 산화물 코팅을 포함하는 PV 장치에서 반드시 보다 큰 PCE를 제공하지는 않을 수 있다. 따라서, 일부 실시양태의 방법은 대략 0.5 내지 10.0 mM 범위의 농도를 갖는 전구체 물질을 사용하여 TiO2 (또는 다른 메조다공성) 층을 코팅하는 것을 포함할 수 있거나; 다른 실시양태는 대략 2.0 내지 6.0 mM; 또는, 다른 실시양태에서는 대략 2.5 내지 5.5 mM 범위의 농도를 갖는 전구체 물질로 층을 코팅하는 것을 포함할 수 있다.
또한, 본원에서 Al2O3 및/또는 알루미나로서 언급되지만, 다양한 비율의 알루미늄 및 산소가 알루미나 형성에 사용될 수 있음에 유의해야 한다. 따라서, 본원에서 논의된 일부 실시양태가 Al2O3을 참조로 하여 기재되었지만, 이러한 기재는 산소 중의 알루미늄의 요구되는 비율을 정의하는 것으로 의도되지 않는다. 그보다는, 실시양태는, 각각 AlxOy (여기서 x는 대략 1 내지 100의 임의의 값, 정수 또는 비-정수일 수 있음)에 따른 알루미늄 산화물 비율을 갖는 임의의 1종 이상의 알루미늄 산화물 화합물을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, x는 대략 1 내지 3일 수 있다 (그리고, 또한, 정수일 필요는 없음). 마찬가지로, y는 0.1 내지 100의 임의의 값, 정수 또는 비-정수일 수 있다. 일부 실시양태에서, y는 2 내지 4일 수 있다 (그리고, 또한, 정수일 필요는 없음). 추가로, AlxOy의 다양한 결정 형태, 예컨대 알루미나의 알파, 감마, 및/또는 무정형 형태가 다양한 실시양태에서 존재할 수 있다.
마찬가지로, 본원에서 NiO, MoO3, WO3, 및 V2O5로서 언급되지만, 이러한 화합물은 대신에 또는 추가로 각각 NixOy MoxOy, WxOy, 및 VxOy로서 표시될 수 있다. MoxOy 및 WxOy 각각과 관련하여, x는 대략 0.5 내지 100의 임의의 값, 정수 또는 비-정수일 수 있고; 일부 실시양태에서, 이는 대략 0.5 내지 1.5일 수 있다. 마찬가지로, y는 대략 1 내지 100의 임의의 값, 정수 또는 비-정수일 수 있다. 일부 실시양태에서, y는 대략 1 내지 4의 임의의 값일 수 있다. VxOy와 관련하여, x는 대략 0.5 내지 100의 임의의 값, 정수 또는 비-정수일 수 있고; 일부 실시양태에서, 이는 대략 0.5 내지 1.5일 수 있다. 마찬가지로, y는 대략 1 내지 100의 임의의 값, 정수 또는 비-정수일 수 있고; 특정 실시양태에서, 이는 대략 1 내지 10의 정수 또는 비-정수 값일 수 있다. 일부 실시양태에서, x 및 y는 비-화학량론적 비율로 존재하도록 하는 값일 수 있다. 본 개시내용에서 화학량론적 배합물로서 기재된 임의의 IFL 물질은 또한 상기 기재된 예와 같은 비-화학량론적 배합물로도 존재할 수 있음에 유의한다.
일부 실시양태에서, IFL은 티타네이트를 포함할 수 있다. 티타네이트는 일부 실시양태에 따라 화학식 M'TiO3 (여기서 M'는 임의의 2+ 양이온을 포함함)을 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, M'는 Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ni, Zn, Cd, Hg, Cu, Pd, Pt, Sn, 또는 Pb의 양이온 형태를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, IFL은 티타네이트의 단일 종을 포함할 수 있고, 다른 실시양태에서, IFL은 티타네이트의 둘 이상의 상이한 종을 포함할 수 있다. 한 실시양태에서, 티타네이트는 화학식 SrTiO3을 갖는다. 또 다른 실시양태에서, 티타네이트는 화학식 BaTiO3을 가질 수 있다. 또한 또 다른 실시양태에서, 티타네이트는 화학식 CaTiO3을 가질 수 있다.
설명으로, 또한 임의의 제한을 암시하지 않으며, 티타네이트는 페로브스카이트 결정질 구조를 갖고, 페로브스카이트 물질 (예를 들어, 메틸암모늄 납 아이오다이드 (MAPbI3), 및 포름아미디늄 납 아이오다이드 (FAPbI3)) 성장 전환 프로세스를 강하게 시딩한다. 티타네이트는 일반적으로 또한 다른 IFL 요건, 예컨대 강유전 거동, 충분한 전하 캐리어 이동성, 광학 투명성, 매칭된 에너지 준위, 및 높은 유전 상수를 충족시킨다.
다른 실시양태에서, IFL은 지르코네이트를 포함할 수 있다. 지르코네이트는 일부 실시양태에 따라 화학식 M'ZrO3 (여기서 M'는 임의의 2+ 양이온을 포함함)을 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, M'는 Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ni, Zn, Cd, Hg, Cu, Pd, Pt, Sn, 또는 Pb의 양이온 형태를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, IFL은 지르코네이트의 단일 종을 포함할 수 있고, 다른 실시양태에서, IFL은 지르코네이트의 둘 이상의 상이한 종을 포함할 수 있다. 한 실시양태에서, 지르코네이트는 화학식 SrZrO3을 갖는다. 또 다른 실시양태에서, 지르코네이트는 화학식 BaZrO3을 가질 수 있다. 또한 또 다른 실시양태에서, 지르코네이트는 화학식 CaZrO3을 가질 수 있다.
설명으로, 또한 임의의 제한을 암시하지 않으며, 지르코네이트는 페로브스카이트 결정질 구조를 갖고, 페로브스카이트 물질 (예를 들어, MAPbI3, FAPbI3) 성장 전환 프로세스를 강하게 시딩한다. 지르코네이트는 일반적으로 또한 다른 IFL 요건, 예컨대 강유전 거동, 충분한 전하 캐리어 이동성, 광학 투명성, 매칭된 에너지 준위, 및 높은 유전 상수를 충족시킨다.
다른 실시양태에서, IFL은 스탄네이트를 포함할 수 있다. 스탄네이트는 일부 실시양태에 따라 화학식 M'SnO3, 또는 M'2SnO4 (여기서 M'는 임의의 2+ 양이온을 포함함)를 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, M'는 Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ni, Zn, Cd, Hg, Cu, Pd, Pt, Sn, 또는 Pb의 양이온 형태를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, IFL은 스탄네이트의 단일 종을 포함할 수 있고, 다른 실시양태에서, IFL은 스탄네이트의 둘 이상의 상이한 종을 포함할 수 있다. 한 실시양태에서, 스탄네이트는 화학식 SrSnO3을 갖는다. 또 다른 실시양태에서, 스탄네이트는 화학식 BaSnO3을 가질 수 있다. 또한 또 다른 실시양태에서, 스탄네이트는 화학식 CaSnO3을 가질 수 있다.
설명으로, 또한 임의의 제한을 암시하지 않으며, 스탄네이트는 페로브스카이트 결정질 구조를 갖고, 페로브스카이트 물질 (예를 들어, MAPbI3, FAPbI3) 성장 전환 프로세스를 강하게 시딩한다. 스탄네이트는 일반적으로 또한 다른 IFL 요건, 예컨대 강유전 거동, 충분한 전하 캐리어 이동성, 광학 투명성, 매칭된 에너지 준위, 및 높은 유전 상수를 충족시킨다.
다른 실시양태에서, IFL은 플럼베이트를 포함할 수 있다. 플럼베이트는 일부 실시양태에 따라 화학식 M'PbO3 (여기서 M'는 임의의 2+ 양이온을 포함함)을 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, M'는 Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ni, Zn, Cd, Hg, Cu, Pd, Pt, Sn, 또는 Pb의 양이온 형태를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, IFL은 플럼베이트의 단일 종을 포함할 수 있고, 다른 실시양태에서, IFL은 플럼베이트의 둘 이상의 상이한 종을 포함할 수 있다. 한 실시양태에서, 플럼베이트는 화학식 SrPbO3을 갖는다. 또 다른 실시양태에서, 플럼베이트는 화학식 BaPbO3을 가질 수 있다. 또한 또 다른 실시양태에서, 플럼베이트는 화학식 CaPbO3을 가질 수 있다. 또한 또 다른 실시양태에서, 플럼베이트는 화학식 PbIIPbIVO3을 가질 수 있다.
설명으로, 또한 임의의 제한을 암시하지 않으며, 플럼베이트는 페로브스카이트 결정질 구조를 갖고, 페로브스카이트 물질 (예를 들어, MAPbI3, FAPbI3) 성장 전환 프로세스를 강하게 시딩한다. 플럼베이트는 일반적으로 또한 다른 IFL 요건, 예컨대 강유전 거동, 충분한 전하 캐리어 이동성, 광학 투명성, 매칭된 에너지 준위, 및 높은 유전 상수를 충족시킨다.
또한, 다른 실시양태에서, IFL은 화학식 M'[ZrxTi1-x]O3 (여기서 X는 0 초과이지만 일 1 미만이고, M'는 임의의 2+ 양이온을 포함함)의 지르코네이트 및 티타네이트의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, M'는 Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ni, Zn, Cd, Hg, Cu, Pd, Pt, Sn, 또는 Pb의 양이온 형태를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, IFL은 지르코네이트의 단일 종을 포함할 수 있고, 다른 실시양태에서, IFL은 지르코네이트의 둘 이상의 상이한 종을 포함할 수 있다. 한 실시양태에서, 지르코네이트/티타네이트 조합은 화학식 Pb[ZrxTi1-x]O3을 갖는다. 또 다른 실시양태에서, 지르코네이트/티타네이트 조합은 화학식 Pb[Zr0.52Ti0.48]O3을 갖는다.
설명으로, 또한 임의의 제한을 암시하지 않으며, 지르코네이트/티타네이트 조합은 페로브스카이트 결정질 구조를 갖고, 페로브스카이트 물질 (예를 들어, MAPbI3, FAPbI3) 성장 전환 프로세스를 강하게 시딩한다. 지르코네이트/티타네이트 조합은 일반적으로 또한 다른 IFL 요건, 예컨대 강유전 거동, 충분한 전하 캐리어 이동성, 광학 투명성, 매칭된 에너지 준위, 및 높은 유전 상수를 충족시킨다.
다른 실시양태에서, IFL은 니오베이트를 포함할 수 있다. 니오베이트는 일부 실시양태에 따라 화학식 M'NbO3 (여기서: M'는 임의의 1+ 양이온을 포함함)을 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, M'는 Li, Na, K, Rb, Cs, Cu, Ag, Au, Tl, 암모늄, 또는 H의 양이온 형태를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, IFL은 니오베이트의 단일 종을 포함할 수 있고, 다른 실시양태에서, IFL은 니오베이트의 둘 이상의 상이한 종을 포함할 수 있다. 한 실시양태에서, 니오베이트는 화학식 LiNbO3을 갖는다. 또 다른 실시양태에서, 니오베이트는 화학식 NaNbO3을 가질 수 있다. 또한 또 다른 실시양태에서, 니오베이트는 화학식 AgNbO3을 가질 수 있다.
설명으로, 또한 임의의 제한을 암시하지 않으며, 니오베이트는 일반적으로 IFL 요건, 예컨대 압전 거동, 비-선형 광학 분극성, 광탄성, 강유전 거동, 포켈스(Pockels) 효과, 충분한 전하 캐리어 이동성, 광학 투명성, 매칭된 에너지 준위, 및 높은 유전 상수를 충족시킨다.
한 실시양태에서, 페로브스카이트 물질 장치는 PbI2를 SrTiO3-코팅된 ITO 기판 상으로 캐스팅함으로써 배합될 수 있다. PbI2는 디핑 프로세스에 의해 MAPbI3으로 전환될 수 있다. 이 프로세스는 하기에서 보다 상세히 기재된다. PbI2에서 MAPbI3으로의 이러한 결과적 전환은 SrTiO3의 부재 하에서의 기판의 제조에 비해 더 완전하다 (광학 분광법에 의해 관찰 시).
본원에서 논의된 임의의 계면 물질은 도핑된 조성물을 추가로 포함할 수 있다. 계면 물질의 특징 (예를 들어, 전기적, 광학적, 기계적)을 개질시키기 위해, 화학량론적 또는 비-화학량론적 물질이 1 ppb 내지 50 mol%만큼 적은 범위의 양으로 하나 이상의 원소 (예를 들어, Na, Y, Mg, N, P)로 도핑될 수 있다. 계면 물질의 일부 예는 하기를 포함한다: NiO, TiO2, SrTiO3, Al2O3, ZrO2, WO3, V2O5, MO3, ZnO, 그래핀, 및 카본 블랙. 이들 계면 물질의 가능한 도판트의 예는, Li, Na, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, Nb, Ti, Fe, Co, Ni, Cu, Ga, Sn, In, B, N, P, C, S, As, 할라이드, 유사할라이드 (예를 들어, 시아니드, 시아네이트, 이소시아네이트, 풀미네이트, 티오시아네이트, 이소티오시아네이트, 아지드, 테트라카르보닐코발테이트, 카르바모일디시아노메타니드, 디시아노니트로소메타니드, 디시아나미드, 및 트리시아노메타니드), 및 Al을 임의의 그의 산화 상태로 포함한다. 본원에서 도핑된 계면 물질의 언급은 계면 물질 화합물 중의 구성요소 원소의 비율을 제한하도록 의도되지 않는다.
일부 실시양태에서는, 상이한 물질로부터 제조된 다중 IFL이 서로 인접하여 배열되어 복합체 IFL을 형성할 수 있다. 이 구성은 2개의 상이한 IFL, 3개의 상이한 IFL, 또는 훨씬 더 큰 수의 상이한 IFL을 포함할 수 있다. 생성된 다층 IFL 또는 복합체 IFL이 단일-물질 IFL 대신에 사용될 수 있다. 예를 들어, 복합체 IFL은 도 2의 예에 나타낸 임의의 IFL, 예컨대 IFL(3903), IFL(3905), IFL(3907), IFL(3909), 또는 IFL(3911)에서 사용될 수 있다. 복합체 IFL은 단일-물질 IFL과 상이하지만, 다층 IFL을 갖는 페로브스카이트 물질 PV 전지의 어셈블리는 단지 단일-물질 IFL을 갖는 페로브스카이트 물질 PV 전지의 어셈블리와 실질적으로 상이하지 않다.
일반적으로, 복합체 IFL은 IFL에 대해 적합한 것으로서 본원에서 논의된 물질 중 임의의 것을 사용하여 제조될 수 있다. 한 실시양태에서, IFL은 Al2O3의 층 및 ZnO 또는 M:ZnO (도핑된 ZnO, 예를 들어, Be:ZnO, Mg:ZnO, Ca:ZnO, Sr:ZnO, Ba:ZnO, Sc:ZnO, Y:ZnO, Nb:ZnO)의 층을 포함한다. 실시양태에서, IFL은 ZrO2의 층 및 ZnO 또는 M:ZnO의 층을 포함한다. 특정 실시양태에서, IFL은 다중 층을 포함한다. 일부 실시양태에서, 다층 IFL은 일반적으로 전도체 층, 유전체 층, 및 반도체 층을 갖는다. 특정 실시양태에서 층은 반복될 수 있고, 예를 들어, 전도체 층, 유전체 층, 반도체 층, 유전체 층, 및 반도체 층일 수 있다. 다층 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 달성하기 위해 필수적인만큼 많은 층을 갖는 IFL을 포함한다. 이전에 논의된 바와 같이, 특정 화학량론적 비율의 언급은 다양한 실시양태에 IFL 층 내의 구성요소 원소의 비율을 제한하도록 의도되지 않는다.
복합체 IFL로서의 2개 이상의 인접한 IFL의 배열은, 각각의 IFL 물질로부터의 속성이 단일 IFL에서 이용될 수 있는 페로브스카이트 물질 PV 전지에서의 단일 IFL을 능가할 수 있다. 예를 들어, ITO 층, Al2O3 층, 및 ZnO 층을 갖는 아키텍쳐 (여기서 ITO는 전도성 전극이고, Al2O3은 유전체 물질이고, ZnO는 n형 반도체임)에서, ZnO는 우수하게 기능하는 전자 수송 특성 (예를 들어, 이동성)을 갖는 전자 수용체로서 작용한다. 추가로, Al2O3은 ITO에 잘 접착되고, 표면 결함 (예를 들어, 전하 트랩) 캡핑에 의해 표면을 균질화하고, 암전류의 억제를 통해 장치 다이오드 특징을 개선시키는 물리적으로 강건한 물질이다.
추가로, 일부 페로브스카이트 물질 PV 전지는 1개 초과의 페로브스카이트 광활성 층을 갖는 소위 "탠덤(tandem)" PV 전지를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 2의 광활성 물질(3908 및 3906)은 둘 다 페로브스카이트 물질일 수 있다. 이러한 탠덤 PV 전지에서, 2개의 광활성 층 사이의 계면 층, 예컨대 도 2의 IFL(3907) (즉, 재조합 층)은 다층, 또는 복합체, IFL을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 탠덤 PV 장치의 2개의 광활성 층 사이에 샌드위치삽입된 층은 전극 층을 포함할 수 있다.
탠덤 PV 장치는 상단으로부터 저부까지의 또는 저부로부터 상단까지의 순서로 열거된 하기 층을 포함할 수 있다: 제1 기판, 제1 전극, 제1 계면 층, 제1 페로브스카이트 물질, 제2 계면 층, 제2 전극, 제3 계면 층, 제2 페로브스카이트 물질, 제4 계면 층, 및 제3 전극. 일부 실시양태에서, 제1 및 제3 계면 층은 정공 수송 계면 층일 수 있고, 제2 및 제4 계면 층은 전자 수송 계면 층일 수 있다. 다른 실시양태에서, 제1 및 제3 계면 층은 전자 수송 계면 층일 수 있고, 제2 및 제4 계면 층은 정공 수송 계면 층일 수 있다. 또한 다른 실시양태에서, 제1 및 제4 계면 층은 정공 수송 계면 층일 수 있고, 제2 및 제3 계면 층은 전자 수송 계면 층일 수 있다. 다른 실시양태에서, 제1 및 제4 계면 층은 전자 수송 계면 층일 수 있고, 제2 및 제3 계면 층은 정공 수송 계면 층일 수 있다. 탠덤 PV 장치에서, 제1 및 제2 페로브스카이트 물질은 상이한 밴드 갭을 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 제1 페로브스카이트 물질은 포름아미디늄 납 브로마이드 (FAPbBr3)일 수 있고, 제2 페로브스카이트 물질은 포름아미디늄 납 아이오다이드 (FAPbI3)일 수 있다. 다른 실시양태에서, 제1 페로브스카이트 물질은 메틸암모늄 납 브로마이드 (MAPbBr3)일 수 있고, 제2 페로브스카이트 물질은 포름아미디늄 납 아이오다이드 (FAPbI3)일 수 있다. 다른 실시양태에서, 제1 페로브스카이트 물질은 메틸암모늄 납 브로마이드 (MAPbBr3)일 수 있고, 제2 페로브스카이트 물질은 메틸암모늄 납 아이오다이드 (MAPbI3)일 수 있다.
페로브스카이트 물질
페로브스카이트 물질은 PV 또는 다른 장치의 하나 이상의 측면 내로 혼입될 수 있다. 페로브스카이트 물질은 일부 실시양태에 따라 화학식 CwMyXz (여기서: C는 1종 이상의 양이온 (예를 들어, 아민, 암모늄, 포스포늄 1족 금속, 2족 금속, 및/또는 다른 양이온 또는 양이온-유사 화합물)을 포함하고; M은 1종 이상의 금속 (그 예는 Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Fe, Cd, Co, Ni, Cu, Ag, Au, Hg, Sn, Ge, Ga, Pb, In, Tl, Sb, Bi, Ti, Zn, Cd, Hg, 및 Zr을 포함함)을 포함하고; X는 1종 이상의 음이온을 포함하고; w, y, 및 z는 1 내지 20의 실수를 나타낸다. 일부 실시양태에서, C는 1종 이상의 유기 양이온을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 각각의 유기 양이온 C는 각각의 금속 M보다 더 클 수 있고, 각각의 음이온 X는 양이온 C 및 금속 M 둘 다와 결합할 수 있다. 특정 실시양태에서, 페로브스카이트 물질은 화학식 CMX3을 가질 수 있다.
특정 실시양태에서, C는 암모늄, 화학식 [NR4]+ (여기서 R 기는 동일하거나 상이한 기일 수 있음)의 유기 양이온을 포함할 수 있다. 적합한 R 기는 하기를 포함하나, 이에 제한되지는 않는다: 수소, 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸 기 또는 그의 이성질체; 임의의 알칸, 알켄, 또는 알킨 CxHy (여기서 x = 1 - 20, y = 1 - 42), 시클릭, 분지쇄 또는 직쇄; 알킬 할라이드 CxHyXz (여기서 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 컴플렉스 (예를 들어, 피리딘, 피롤, 피롤리딘, 피페리딘, 테트라히드로퀴놀린); 임의의 황-함유 기 (예를 들어, 술폭시드, 티올, 알킬 황화물); 임의의 질소-함유 기 (니트록시드, 아민); 임의의 인 함유 기 (포스페이트); 임의의 붕소-함유 기 (예를 들어, 붕산); 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 -OCxHy (여기서 x = 0 - 20, y = 1 - 42) 기.
특정 실시양태에서, C는 포름아미디늄, 화학식 [R2NCRNR2]+ (여기서 R 기는 동일하거나 상이한 기일 수 있음)의 유기 양이온을 포함할 수 있다. 적합한 R 기는 하기를 포함하나, 이에 제한되지는 않는다: 수소, 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸 기 또는 그의 이성질체; 임의의 알칸, 알켄, 또는 알킨 CxHy (여기서 x = 1 - 20, y = 1 - 42), 시클릭, 분지쇄 또는 직쇄; 알킬 할라이드 CxHyXz (여기서 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 컴플렉스 (예를 들어, 이미다졸, 벤즈이미다졸, 피리미딘, (아졸리디닐리덴메틸)피롤리딘, 트리아졸); 임의의 황-함유 기 (예를 들어, 술폭시드, 티올, 알킬 황화물); 임의의 질소-함유 기 (니트록시드, 아민); 임의의 인 함유 기 (포스페이트); 임의의 붕소-함유 기 (예를 들어, 붕산); 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 -OCxHy (여기서 x = 0 - 20, y = 1 - 42) 기.
Figure pct00001
화학식 1은 상기 기재된 바와 같은 [R2NCRNR2]+의 화학식을 갖는 포름아미디늄 양이온의 구조를 예시한다. 화학식 2는 페로브스카이트 물질에서 양이온 "C"로서 제공될 수 있는 여러 포름아미디늄 양이온의 예시 구조를 예시한다.
Figure pct00002
Figure pct00003
특정 실시양태에서, C는 구아니디늄, 화학식 [(R2N)2C=NR2]+ (여기서 R 기는 동일하거나 상이한 기일 수 있음)의 유기 양이온을 포함할 수 있다. 적합한 R 기는 하기를 포함하나, 이에 제한되지는 않는다: 수소, 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸 기 또는 그의 이성질체; 임의의 알칸, 알켄, 또는 알킨 CxHy (여기서 x = 1 - 20, y = 1 - 42), 시클릭, 분지쇄 또는 직쇄; 알킬 할라이드 CxHyXz (여기서 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 컴플렉스 (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 황화물); 임의의 질소-함유 기 (니트록시드, 아민); 임의의 인 함유 기 (포스페이트); 임의의 붕소-함유 기 (예를 들어, 붕산); 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 -OCxHy (여기서 x = 0 - 20, y = 1 - 42) 기.
Figure pct00004
화학식 3은 상기 기재된 바와 같은 [(R2N)2C=NR2]+의 화학식을 갖는 구아니디늄 양이온의 구조를 예시한다. 화학식 4는 페로브스카이트 물질에서 양이온 "C"로서 제공될 수 있는 여러 구아니디늄 양이온의 예시 구조를 예시한다.
Figure pct00005
특정 실시양태에서, C는 에텐 테트라민 양이온, 화학식 [(R2N)2C=C(NR2)2]+ (여기서 R 기는 동일하거나 상이한 기일 수 있음)의 유기 양이온을 포함할 수 있다. 적합한 R 기는 하기를 포함하나, 이에 제한되지는 않는다: 수소, 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸 기 또는 그의 이성질체; 임의의 알칸, 알켄, 또는 알킨 CxHy (여기서 x = 1 - 20, y = 1 - 42), 시클릭, 분지쇄 또는 직쇄; 알킬 할라이드 CxHyXz (여기서 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 컴플렉스 (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 황화물); 임의의 질소-함유 기 (니트록시드, 아민); 임의의 인 함유 기 (포스페이트); 임의의 붕소-함유 기 (예를 들어, 붕산); 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 -OCxHy (여기서 x = 0 - 20, y = 1 - 42) 기.
Figure pct00006
화학식 5는 상기 기재된 바와 같은 [(R2N)2C=C(NR2)2]+의 화학식을 갖는 에텐 테트라민 양이온의 구조를 예시한다. 화학식 6은 페로브스카이트 물질에서 양이온 "C"로서 제공될 수 있는 여러 에텐 테트라민 이온의 예시 구조를 예시한다.
Figure pct00007
특정 실시양태에서, C는 이미다졸륨 양이온, 화학식 [CRNRCRNRCR]+ (여기서 R 기는 동일하거나 상이한 기일 수 있음)의 방향족, 시클릭 유기 양이온을 포함할 수 있다. 적합한 R 기는 하기를 포함하나, 이에 제한되지 않을 수 있다: 수소, 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸 기 또는 그의 이성질체; 임의의 알칸, 알켄, 또는 알킨 CxHy (여기서 x = 1 - 20, y = 1 - 42), 시클릭, 분지쇄 또는 직쇄; 알킬 할라이드 CxHyXz (여기서 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 컴플렉스 (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 황화물); 임의의 질소-함유 기 (니트록시드, 아민); 임의의 인 함유 기 (포스페이트); 임의의 붕소-함유 기 (예를 들어, 붕산); 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 -OCxHy (여기서 x = 0 - 20, y = 1 - 42) 기.
특정 실시양태에서, C는 피리듐 양이온, 화학식 [CRCRCRCRCRNR]+ (여기서 R 기는 동일하거나 상이한 기일 수 있음)의 방향족, 시클릭 유기 양이온을 포함할 수 있다. 적합한 R 기는 하기를 포함하나, 이에 제한되지 않을 수 있다: 수소, 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸 기 또는 그의 이성질체; 임의의 알칸, 알켄, 또는 알킨 CxHy (여기서 x = 1 - 20, y = 1 - 42), 시클릭, 분지쇄 또는 직쇄; 알킬 할라이드 CxHyXz (여기서 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 컴플렉스 (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 황화물); 임의의 질소-함유 기 (니트록시드, 아민); 임의인 함유 기 (포스페이트); 임의의 붕소-함유 기 (예를 들어, 붕산); 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 -OCxHy (여기서 x = 0 - 20, y = 1 - 42) 기.
Figure pct00008
일부 실시양태에서, X는 1종 이상의 할라이드를 포함할 수 있다. 특정 실시양태에서, X는 대신에 또는 추가로 16족 음이온을 포함할 수 있다. 특정 실시양태에서, 16족 음이온은 산화물, 황화물, 셀레나이드, 또는 텔루라이드일 수 있다. 특정 실시양태에서, X는 대신에 또는 추가로 1종 이상의 유사할라이드 (예를 들어, 시아니드, 시아네이트, 이소시아네이트, 풀미네이트, 티오시아네이트, 이소티오시아네이트, 아지드, 테트라카르보닐코발테이트, 카르바모일디시아노메타니드, 디시아노니트로소메타니드, 디시아나미드, 및 트리시아노메타니드)를 포함할 수 있다.
한 실시양태에서, 페로브스카이트 물질은 실험식 CMX3을 포함할 수 있으며, 여기서: C는 상기 언급된 양이온, 1족 금속, 2족 금속, 및/또는 다른 양이온 또는 양이온-유사 화합물 중 하나 이상을 포함하고; M은 1종 이상의 금속 (그 예는 Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Fe, Cd, Co, Ni, Cu, Ag, Au, Hg, Sn, Ge, Ga, Pb, In, Tl, Sb, Bi, Ti, Zn, Cd, Hg, 및 Zr을 포함함)을 포함하고; X는 상기 언급된 음이온 중 하나 이상을 포함한다.
또 다른 실시양태에서, 페로브스카이트 물질은 실험식 C'M2X6을 포함할 수 있으며, 여기서: C'는 상기 언급된 양이온, 디암모늄 부탄, 1족 금속, 2족 금속, 및/또는 다른 양이온 또는 양이온-유사 화합물 중 하나 이상을 포함한 2+ 전하를 갖는 양이온을 포함하고; M은 1종 이상의 금속 (그 예는 Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Fe, Cd, Co, Ni, Cu, Ag, Au, Hg, Sn, Ge, Ga, Pb, In, Tl, Sb, Bi, Ti, Zn, Cd, Hg, 및 Zr을 포함함)을 포함하고; X는 상기 언급된 음이온 중 하나 이상을 포함한다.
또 다른 실시양태에서, 페로브스카이트 물질은 실험식 C'MX4를 포함할 수 있으며, 여기서: C'는 상기 언급된 양이온, 디암모늄 부탄, 1족 금속, 2족 금속, 및/또는 다른 양이온 또는 양이온-유사 화합물 중 하나 이상을 포함한 2+ 전하를 갖는 양이온을 포함하고; M은 1종 이상의 금속 (그 예는 Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Fe, Cd, Co, Ni, Cu, Ag, Au, Hg, Sn, Ge, Ga, Pb, In, Tl, Sb, Bi, Ti, Zn, Cd, Hg, 및 Zr을 포함함)을 포함하고; X는 상기 언급된 음이온 중 하나 이상을 포함한다. 이러한 실시양태에서, 페로브스카이트 물질은 2D 구조를 가질 수 있다.
한 실시양태에서, 페로브스카이트 물질은 실험식 C3M2X9를 포함할 수 있으며, 여기서: C는 상기 언급된 양이온, 1족 금속, 2족 금속, 및/또는 다른 양이온 또는 양이온-유사 화합물 중 하나 이상을 포함하고; M은 1종 이상의 금속 (그 예는 Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Fe, Cd, Co, Ni, Cu, Ag, Au, Hg, Sn, Ge, Ga, Pb, In, Tl, Sb, Bi, Ti, Zn, Cd, Hg, 및 Zr을 포함함)을 포함하고; X는 상기 언급된 음이온 중 하나 이상을 포함한다.
한 실시양태에서, 페로브스카이트 물질은 실험식 CM2X7을 포함할 수 있으며, 여기서: C는 상기 언급된 양이온, 1족 금속, 2족 금속, 및/또는 다른 양이온 또는 양이온-유사 화합물 중 하나 이상을 포함하고; M은 1종 이상의 금속 (그 예는 Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Fe, Cd, Co, Ni, Cu, Ag, Au, Hg, Sn, Ge, Ga, Pb, In, Tl, Sb, Bi, Ti, Zn, Cd, Hg, 및 Zr n을 포함함)을 포함하고; X는 상기 언급된 음이온 중 하나 이상을 포함한다.
한 실시양태에서, 페로브스카이트 물질은 실험식 C2MX4를 포함할 수 있으며, 여기서: C는 상기 언급된 양이온, 1족 금속, 2족 금속, 및/또는 다른 양이온 또는 양이온-유사 화합물 중 하나 이상을 포함하고; M은 1종 이상의 금속 (그 예는 Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Fe, Cd, Co, Ni, Cu, Ag, Au, Hg, Sn, Ge, Ga, Pb, In, Tl, Sb, Bi, Ti, Zn, Cd, Hg, 및 Zr을 포함함)을 포함하고; X는 상기 언급된 음이온 중 하나 이상을 포함한다.
페로브스카이트 물질은 또한, C, M, 또는 X가 둘 이상의 종을 포함하는 혼합 이온 배합물, 예를 들어, Cs0.1FA0.9Pb(I0.9Cl0.1)3; Rb0.1FA0.9Pb(I0.9Cl0.1)3 Cs0.1FA0.9PbI3; FAPb0.5Sn0.5I3; FA0.83Cs0.17Pb(I0.6Br0.4)3; FA0.83Cs0.12Rb0.05Pb(I0.6Br0.4)3 및 FA0.85MA0.15Pb(I0.85Br0.15)3을 포함할 수 있다.
복합체 페로브스카이트 물질 장치 설계
일부 실시양태에서, 본 개시내용은 1종 이상의 페로브스카이트 물질을 포함하는 PV 및 다른 유사 장치 (예를 들어, 배터리, 하이브리드 PV 배터리, FET, LED, 비선형 광학기기 (NLO), 도파관 등)의 복합체 설계를 제공할 수 있다. 예를 들어, 1종 이상의 페로브스카이트 물질은 일부 실시양태의 제1 및 제2 활성 물질 (예를 들어, 도 3의 활성 물질(3906a 및 3908a)) 중 하나 또는 둘 다로서 제공될 수 있다. 보다 일반적으로, 본 개시내용의 일부 실시양태는 1종 이상의 페로브스카이트 물질을 포함하는 활성 층을 갖는 PV 또는 다른 장치를 제공한다. 이러한 실시양태에서, 페로브스카이트 물질 (즉, 임의의 1종 이상의 페로브스카이트 물질(들)을 포함하는 물질)은 다양한 아키텍쳐의 활성 층에 사용될 수 있다. 또한, 페로브스카이트 물질은 활성 층의 임의의 하나 이상의 구성요소 (예를 들어, 전하 수송 물질, 메조다공성 물질, 광활성 물질, 및/또는 계면 물질, 이들 각각은 하기에서 보다 상세히 논의됨)의 기능(들)을 제공할 수 있다. 일부 실시양태에서는, 동일한 페로브스카이트 물질이 다수의 이러한 기능을 제공할 수 있으나, 다른 실시양태에서는, 각각의 페로브스카이트 물질이 하나 이상의 이러한 기능을 제공하는 복수의 페로브스카이트 물질이 장치에 포함될 수 있다. 특정 실시양태에서, 페로브스카이트 물질이 제공할 수 있는 역할이 무엇이든, 이는 다양한 상태로 제조되고/거나 장치 내에 존재할 수 있다. 예를 들어, 이는 일부 실시양태에서 실질적으로 고체일 수 있다. 용액 또는 현탁액은 코팅되거나 다른 방식으로 장치 내에 (예를 들어, 메조다공성, 계면, 전하 수송, 광활성, 또는 다른 층 등의 장치의 또 다른 구성요소 상에, 및/또는 전극 상에) 침착될 수 있다. 페로브스카이트 물질은 일부 실시양태에서 장치의 또 다른 구성요소의 표면 상에 계내 형성될 수 있다 (예를 들어, 박막 고체로서 증착에 의해). 페로브스카이트 물질을 포함하는 층을 형성하는 임의의 다른 적합한 수단이 사용될 수 있다.
일반적으로, 페로브스카이트 물질 장치는 제1 전극, 제2 전극, 및 페로브스카이트 물질을 포함하는 활성 층을 포함할 수 있고, 활성 층은 적어도 부분적으로 제1 및 제2 전극 사이에 배치된다. 일부 실시양태에서, 제1 전극은 애노드 및 캐소드 중 하나일 수 있고, 제2 전극은 애노드 및 캐소드 중 다른 것일 수 있다. 특정 실시양태에 따른 활성 층은 하기 중 임의의 하나 이상을 포함한, 임의의 하나 이상의 활성 층 구성요소를 포함할 수 있다: 전하 수송 물질; 액체 전해질; 메조다공성 물질; 광활성 물질 (예를 들어, 염료, 규소, 카드뮴 텔루라이드, 카드뮴 황화물, 카드뮴 셀레나이드, 구리 인듐 갈륨 셀레나이드, 갈륨 아르세나이드, 게르마늄 인듐 인화물, 반도체 중합체, 다른 광활성 물질)); 및 계면 물질. 이들 활성 층 구성요소 중 임의의 하나 이상은 1종 이상의 페로브스카이트 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 활성 층 구성요소의 일부 또는 전부는 전체적으로 또는 부분적으로 하위층 내에 배열될 수 있다. 예를 들어, 활성 층은 하기 중 임의의 하나 이상을 포함할 수 있다: 계면 물질을 포함하는 계면 층; 메조다공성 물질을 포함하는 메조다공성 층; 및 전하 수송 물질을 포함하는 전하 수송 층. 또한, 계면 층은 일부 실시양태에 따라 활성 층의 임의의 2개 이상의 다른 층 사이에 및/또는 활성 층 구성요소와 전극 사이에 포함될 수 있다. 본원에서 층의 언급은 최종 배열 (예를 들어, 장치 내의 별도로 정의가능한 각각의 물질의 실질적으로 별개의 부분)을 포함할 수 있고/거나, 층의 언급은, 각각의 층에서의 물질(들)의 후속 상호혼합의 가능성에도 불구하고, 장치의 구성 동안의 배열을 의미할 수 있다. 층은 일부 실시양태에서 별개의 것일 수 있고, 실질적으로 접경 물질을 포함할 수 있다 (예를 들어, 층은 도 2에 양식적으로 예시된 바와 같을 수 있음).
일부 실시양태에서, 페로브스카이트 물질 장치는 전계 효과 트랜지스터 (FET)일 수 있다. FET 페로브스카이트 물질 장치는 소스 전극, 드레인 전극, 게이트 전극, 유전체 층, 및 반도체 층을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서 FET 페로브스카이트 물질 장치의 반도체 층은 페로브스카이트 물질일 수 있다.
페로브스카이트 물질 장치는 일부 실시양태에 따라 임의로 하나 이상의 기판을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 제1 및 제2 전극 중 하나 또는 둘 다는, 전극이 실질적으로 기판과 활성 층 사이에 배치되도록, 기판 상에 코팅되거나 다른 방식으로 배치될 수 있다. 장치의 조성물의 물질 (예를 들어, 기판, 전극, 활성 층 및/또는 활성 층 구성요소)은 다양한 실시양태에서 전체적으로 또는 부분적으로 강성 또는 가요성일 수 있다. 일부 실시양태에서는, 전극이 기판으로서 작용함으로써 별도의 기판에 대한 필요성을 무효화할 수 있다.
또한, 특정 실시양태에 따른 페로브스카이트 물질 장치는 임의로 반사방지 층 또는 반사방지 코팅 (ARC)을 포함할 수 있다. 추가로, 페로브스카이트 물질 장치는 임의의 1종 이상의 첨가제, 예컨대 본 개시내용의 일부 실시양태에 대하여 상기에서 논의된 첨가제 중 임의의 하나 이상을 포함할 수 있다.
페로브스카이트 물질 장치 내에 포함될 수 있는 다양한 물질의 일부가 부분적으로 도 2를 참조로 하여 기재될 것이다. 도 2는 일부 실시양태에 따른 페로브스카이트 물질 장치(3900)의 양식화된 다이어그램이다. 장치(3900)의 다양한 구성요소가 접경 물질을 포함하는 별개의 층으로서 예시되어 있으나, 도 2는 양식화된 다이어그램이고; 따라서, 그에 따른 실시양태는 이러한 별개의 층, 및/또는 실질적으로 상호혼합된, 비-접경 층 (본원에서 이전에 논의된 "층"의 사용과 일치됨)을 포함할 수 있음을 이해하여야 한다. 장치(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 샌드위치삽입된다. 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 2는 또한, 활성 층(3950)의 하위층이 계면 층에 의해 분리되고, 추가로 계면 층이 각각의 전극(3902 및 3912) 상에 배치되어 있는 실시양태에 따른 일례의 장치(3900)를 예시한다. 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 2에 도시된 예시 장치의 아키텍쳐는 하기와 같이 특성화될 수 있다: 기판-전극-활성 층-전극-기판. 활성 층(3950)의 아키텍쳐는 하기와 같이 특성화될 수 있다: 계면 층-메조다공성 층-계면 층-광활성 물질-계면 층-광활성 물질-계면 층-전하 수송 층-계면 층. 이전에 언급된 바와 같이, 일부 실시양태에서, 계면 층은 존재할 필요가 없거나; 또는, 하나 이상의 계면 층이 특정, 그러나 전부는 아닌 활성 층의 구성요소 및/또는 장치의 구성요소 사이에 존재할 수 있다.
기판, 예컨대 제1 및 제2 기판(3901 및 3913) 중 하나 또는 둘 다는 가요성 또는 강성일 수 있다. 2개의 기판이 포함되는 경우, 적어도 하나는 전자기 (EM) 방사선 (예를 들어, UV, 가시광, 또는 IR 방사선)에 대해 투명하거나 반투명하여야 한다. 1개의 기판이 포함되는 경우, 이는, 장치의 일부가 EM 방사선이 활성 층(3950)에 접촉하는 것을 허용하는 한, 그러할 필요는 없지만, 유사하게 투명하거나 반투명할 수 있다. 적합한 기판 물질은 하기 중 임의의 하나 이상을 포함한다: 유리; 사파이어; 산화마그네슘 (MgO); 운모; 중합체 (예를 들어, PEN, PET, PEG, 폴리올레핀, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리카르보네이트, PMMA, 폴리아미드, 비닐 캡톤 등); 세라믹; 탄소; 복합체 (예를 들어, 섬유유리, 케블라(Kevlar); 탄소 섬유); 직물 (예를 들어, 면, 나일론, 실크, 울); 목재; 건벽; 타일 (예를 들어, 세라믹, 복합체, 또는 점토); 금속; 강철; 은; 금; 알루미늄; 마그네슘; 콘크리트; 및 이들의 조합.
이전에 언급된 바와 같이, 전극 (예를 들어, 도 2의 전극(3902 및 3912) 중 하나)은 애노드 또는 캐소드일 수 있다. 일부 실시양태에서, 하나의 전극은 캐소드로서 기능할 수 있고, 다른 것은 애노드로서 기능할 수 있다. 전극(3902 및 3912) 중 하나 또는 둘 다는 리드, 케이블, 와이어, 또는 장치(3900)로의 및/또는 장치(3900)로부터의 전하 수송을 가능하게 하는 다른 수단에 커플링될 수 있다. 전극은 임의의 전도성 물질을 구성할 수 있고, 적어도 하나의 전극은 EM 방사선에 대해 투명하거나 반투명하여야 하고/거나 EM 방사선이 활성 층(3950)의 적어도 일부에 접촉하는 것을 가능하게 하는 방식으로 배열되어야 한다. 적합한 전극 물질은 하기 중 임의의 하나 이상을 포함할 수 있다: 인듐 주석 산화물 또는 주석-도핑된 인듐 산화물 (ITO); 플루오린-도핑된 주석 산화물 (FTO); 카드뮴 산화물 (CdO); 아연 인듐 주석 산화물 (ZITO); 알루미늄 아연 산화물 (AZO); 알루미늄 (Al); 금 (Au); 은 (Ag); 칼슘 (Ca); 크로뮴 (Cr); 구리 (Cu); 마그네슘 (Mg); 티타늄 (Ti); 강철; 탄소 (및 그의 동소체); 도핑된 탄소 (예를 들어, 질소-도핑된); 코어-쉘 구성 (예를 들어, 규소-탄소 코어-쉘 구조) 내의 나노입자; 및 이들의 조합.
메조다공성 물질 (예를 들어, 도 2의 메조다공성 층(3904) 중에 포함된 물질)은 임의의 기공-함유 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 기공은 약 1 내지 약 100 nm 범위의 직경을 가질 수 있고; 다른 실시양태에서, 기공 직경은 약 2 내지 약 50 nm의 범위일 수 있다. 적합한 메조다공성 물질은 하기 중 임의의 하나 이상을 포함한다: 본원에서 다른 부분에서 논의된 임의의 계면 물질 및/또는 메조다공성 물질; 알루미늄 (Al); 비스무트 (Bi); 세륨 (Ce); 하프늄 (Hf); 인듐 (In); 몰리브데넘 (Mo); 니오븀 (Nb); 니켈 (Ni); 규소 (Si); 티타늄 (Ti); 바나듐 (V); 아연 (Zn); 지르코늄 (Zr); 상기 금속 중 임의의 1종 이상의 산화물 (예를 들어, 알루미나, 세리아, 티타니아, 아연 산화물, 지르코니아 등); 상기 금속 중 임의의 1종 이상의 황화물; 상기 금속 중 임의의 1종 이상의 질화물; 및 이들의 조합. 일부 실시양태에서, IFL로서 본원에 개시된 임의의 물질은 메조다공성 물질일 수 있다. 다른 실시양태에서, 도 2에 의해 예시된 장치는 메조다공성 물질 층을 포함하지 않고, 단지 메조다공성이 아닌 박막, 또는 "컴팩트" IFL을 포함할 수 있다.
광활성 물질 (예를 들어, 도 2의 제1 또는 제2 광활성 물질(3906 또는 3908))은 임의의 광활성 화합물, 예컨대 규소 (예를 들어, 다결정질 규소, 단일-결정질 규소, 또는 무정형 규소), 카드뮴 텔루라이드, 카드뮴 황화물, 카드뮴 셀레나이드, 구리 인듐 갈륨 셀레나이드, 구리 인듐 셀레나이드, 구리 아연 주석 황화물, 갈륨 아르세나이드, 게르마늄, 게르마늄 인듐 인화물, 인듐 인화물, 1종 이상의 반도체 중합체 (예를 들어, 폴리티오펜 (예를 들어, 폴리(3-헥실티오펜) 및 그의 유도체, 또는 P3HT); 카르바졸계 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); 폴리페닐렌 비닐렌 및 그의 유도체 (예를 들어, MDMO-PPV, MEH-PPV), 및 이들의 조합 중 임의의 하나 이상을 포함할 수 있다.
특정 실시양태에서, 광활성 물질은 대신에 또는 추가로 염료 (예를 들어, N719, N3, 다른 루테늄계 염료)를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 염료 (어떠한 조성이든)는 또 다른 층 (예를 들어, 메조다공성 층 및/또는 계면 층) 상으로 코팅될 수 있다. 일부 실시양태에서, 광활성 물질은 1종 이상의 페로브스카이트 물질을 포함할 수 있다. 페로브스카이트-물질-함유 광활성 물질은 고체 형태의 것일 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 장치 구성요소 상으로 코팅될 수 있다. 일부 실시양태에서, 고체 페로브스카이트-함유 물질은 임의의 적합한 수단 (예를 들어, 증착, 용액 침착, 고체 물질의 직접적 배치)에 의해 침착될 수 있다. 다양한 실시양태에 따른 장치는 1, 2, 3개, 또는 그 초과의 광활성 화합물 (예를 들어, 1, 2, 3개, 또는 그 초과의 페로브스카이트 물질, 염료, 또는 이들의 조합)을 포함할 수 있다. 다중 염료 또는 다른 광활성 물질을 포함하는 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 2에서 전하 수송 층(3910)의 전하 수송 물질)은 고체-상태 전하 수송 물질 (즉, 통속적으로 라벨링된 고체-상태 전해질)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 것이 전하 수송 물질로서 언급될 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "전하 수송 물질"은 전하 캐리어를 수집하고/거나 전하 캐리어를 수송할 수 있는 임의의 물질, 고체, 액체, 또는 다른 것들을 지칭한다. 예를 들어, 일부 실시양태에 따른 PV 장치에서, 전하 수송 물질은 전하 캐리어를 전극으로 수송할 수 있다. 전하 캐리어는 정공 (그의 수송은 전하 수송 물질을 적당히 라벨링된 "정공 수송 물질"과 같게 할 수 있음) 및 전자를 포함할 수 있다. 정공은 애노드를 향해 수송될 수 있고, 전자는 캐소드를 향해 수송될 수 있고, 이는 PV 또는 다른 장치에서의 캐소드 또는 애노드에 대한 전하 수송 물질의 배치에 따르는 것이다. 일부 실시양태에 따라 전하 수송 물질의 적합한 예는 하기 중 임의의 하나 이상을 포함할 수 있다: 페로브스카이트 물질; I-/I3 -; Co 컴플렉스; 폴리티오펜 (예를 들어, 폴리(3-헥실티오펜) 및 그의 유도체, 또는 P3HT); 카르바졸계 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); 탄소 나노튜브; 흑연; 그래핀; 카본 블랙; 무정형 탄소; 유리질 탄소; 탄소 섬유; 및 이들의 조합. 특정 실시양태에서, 전하 수송 물질은 전하 캐리어 (전자 또는 정공)를 수집할 수 있는, 및/또는 전하 캐리어를 수송할 수 있는 임의의 물질, 고체 또는 액체를 포함할 수 있다. 따라서, 일부 실시양태의 전하 수송 물질은 n- 또는 p형 활성, 양극성, 및/또는 진성 반도체 물질일 수 있다. 전하 수송 물질은 장치의 전극 중 하나에 근접하여 배치될 수 있다. 이는 일부 실시양태에서는 전극에 인접하여 배치될 수 있지만, 다른 실시양태에서는 계면 층이 전하 수송 물질과 전극 사이에 배치될 수 있다 (예를 들어 도 2에서 제5 계면 층(3911)으로 나타낸 바와 같이). 특정 실시양태에서, 전하 수송 물질의 유형은 이것이 근접하여 있는 전극에 기초하여 선택될 수 있다. 예를 들어, 전하 수송 물질이 정공을 수집 및/또는 수송하는 경우, 이는 정공을 애노드로 수송하도록 애노드에 근접하여 있을 수 있다. 그러나, 전하 수송 물질은 대신에 캐소드에 근접하여 배치되고 전자를 캐소드로 수송하도록 선택되거나 구성될 수 있다.
이전에 언급된 바와 같이, 다양한 실시양태에 따른 장치는 임의로 임의의 2개의 다른 층 및/또는 물질 사이에 계면 층을 포함할 수 있으나, 장치는 일부 실시양태에 따라 임의의 계면 층을 함유할 필요가 없다. 따라서, 예를 들어, 페로브스카이트 물질 장치는 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 2의 예시 장치). 계면 층은 본원에서 이전에 논의된 실시양태에 따라 얇은-코트 계면 층 (예를 들어, 알루미나 및/또는 다른 금속-산화물 입자, 및/또는 티타니아/금속-산화물 이층, 및/또는 본원에서 다른 부분에서 논의된 바와 같은 얇은-코트 계면 층에 따른 다른 화합물을 포함함)을 함유할 수 있다. 계면 층은 일부 실시양태에 따라 2개 층 또는 물질 사이의 전하 수송 및/또는 수집을 향상시키기 위해 임의의 적합한 물질을 포함할 수 있고; 이는 또한, 전하가 계면 층에 인접한 물질 중 하나로부터 멀리 수송되는 경우 전하 재조합의 가능성을 막거나 감소시키는 것을 도울 수 있다. 적합한 계면 물질은 하기 중 임의의 하나 이상을 포함할 수 있다: 본원에서 다른 부분에서 논의된 임의의 메조다공성 물질 및/또는 계면 물질; Ag; Al; Au; B; Bi; Ca; Cd; Ce; Co; Cu; Fe; Ga; Ge; H; In; Mg; Mn; Mo; Nb; Ni; Pt; Sb; Sc; Si; Sn; Ta; Ti; V; W; Y; Zn; Zr; 상기 금속 중 임의의 것의 탄화물 (예를 들어, SiC, Fe3C; WC); 상기 금속 중 임의의 것의 규화물 (예를 들어, Mg2Si, SrSi2, Sn2Si); 상기 금속 중 임의의 것의 산화물 (예를 들어, 알루미나, 실리카, 티타니아, SnO2, ZnO); 상기 금속 중 임의의 것의 황화물 (예를 들어, CdS, MoS2, SnS2); 상기 금속 중 임의의 것의 질화물 (예를 들어, Mg3N2, TiN, BN, Si3N4); 상기 금속 중 임의의 것의 셀레나이드 (예를 들어, CdSe, FeSe2, ZnSe); 상기 금속 중 임의의 것의 텔루라이드 (예를 들어, CdTe, TiTe2, ZnTe); 상기 금속 중 임의의 것의 인화물 (예를 들어, InP, GaP); 상기 금속 중 임의의 것의 아르세나이드 (예를 들어, CoAs3, GaAs, InGaAs, NiAs); 상기 금속 중 임의의 것의 안티모나이드 (예를 들어, AlSb, GaSb, InSb); 상기 금속 중 임의의 것의 할라이드 (예를 들어, CuCl, CuI, BiI3); 상기 금속 중 임의의 것의 유사할라이드 (예를 들어, CuSCN, AuCN2); 상기 금속 중 임의의 것의 카르보네이트 (예를 들어, CaCO3, Ce2(CO3)3); 관능화된 또는 비-관능화된 알킬 실릴 기; 흑연; 그래핀; 풀러렌; 탄소 나노튜브; 본원에서 다른 부분에서 논의된 임의의 메조다공성 물질 및/또는 계면 물질; 및 이들의 조합 (일부 실시양태에서, 조합된 물질의 이층, 삼층, 또는 다층). 일부 실시양태에서, 계면 층은 페로브스카이트 물질을 포함할 수 있다. 또한, 계면 층은 본원에서 언급된 임의의 계면 물질의 도핑된 실시양태 (예를 들어, Y-도핑된 ZnO, N-도핑된 단일-벽 탄소 나노튜브)를 포함할 수 있다. 계면 층은 또한 상기 물질 중 3개를 갖는 화합물 (예를 들어, CuTiO3, Zn2SnO4) 또는 상기 물질 중 4개를 갖는 화합물 (예를 들어, CoNiZnO)을 포함할 수 있다.
일례로서, 도 3은 도 2에 의해 예시된 페로브스카이트 물질 장치(3900)과 유사한 구조를 갖는 페로브스카이트 물질 장치(3900a)의 실시양태를 예시한다. 도 3은 일부 실시양태에 따른 페로브스카이트 물질 장치(3900a)의 양식화된 다이어그램이다. 장치(3900a)의 다양한 구성요소가 접경 물질을 포함하는 별개의 층으로서 예시되어 있으나, 도 3은 양식화된 다이어그램이고; 따라서, 그에 따른 실시양태는 이러한 별개의 층, 및/또는 실질적으로 상호혼합된, 비-접경 층 (본원에서 이전에 논의된 "층"의 사용과 일치됨)을 포함할 수 있음을 이해하여야 한다. 도 3은 활성 층(3906a 및 3908a)을 포함한다. 활성 층(3906a 및 3908a) 중 하나 또는 둘 다는, 일부 실시양태에서, 도 2와 관련하여 상기 기재된 임의의 페로브스카이트 광활성 물질을 포함할 수 있다. 다른 실시양태에서, 활성 층(3906a 및 3908a) 중 하나 또는 둘 다는 본원에 기재된 임의의 광활성 물질, 예컨대, 박막 반도체 (예를 들어, CdTe, CZTS, CIGS), 광활성 중합체, 염료 감작 광활성 물질, 풀러렌, 소분자 광활성 물질, 및 결정질 및 다결정질 반도체 물질 (예를 들어, 규소, GaAs, InP, Ge)을 포함할 수 있다. 또한 다른 실시양태에서, 활성 층(3906a 및 3908a) 중 하나 또는 둘 다는 발광 다이오드 (LED), 전계 효과 트랜지스터 (FET), 박막 배터리 층 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 실시양태에서, 활성 층(3906a 및 3908a) 중 하나는 광활성 물질을 포함할 수 있고, 다른 것은 발광 다이오드 (LED), 전계 효과 트랜지스터 (FET), 박막 배터리 층 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 활성 층(3908a)은 페로브스카이트 물질 광활성 층을 포함할 수 있고, 활성 층(3906b)은 전계 효과 트랜지스터 층을 포함할 수 있다. 도 3의 예시된 다른 층, 예컨대 층(3901a, 3902a, 3903a, 3904a, 3905a, 3907a (즉, 재조합 층), 3909a, 3910a, 3911a, 3912a, 및 3913a)은 도 2와 관련하여 본원에 기재된 바와 같은 이러한 상응하는 층과 유사할 수 있다.
추가로, 일부 실시양태에서, 페로브스카이트 물질은 3개 이상의 활성 층을 가질 수 있다. 일례로서, 도 4는 도 2에 의해 예시된 페로브스카이트 물질 장치(3900)와 유사한 구조를 갖는 페로브스카이트 물질 장치(3900b)의 실시양태를 예시한다. 도 3은 일부 실시양태에 따른 페로브스카이트 물질 장치(3900b)의 양식화된 다이어그램이다. 장치(3900b)의 다양한 구성요소가 접경 물질을 포함하는 별개의 층으로서 예시되어 있으나, 도 4는 양식화된 다이어그램이고; 따라서, 그에 따른 실시양태는 이러한 별개의 층, 및/또는 실질적으로 상호혼합된, 비-접경 층 (본원에서 이전에 논의된 "층"의 사용과 일치됨)을 포함할 수 있음을 이해하여야 한다. 도 4는 활성 층(3904b, 3906b 및 3908b)을 포함한다. 활성 층(3904b, 3906b 및 3908b) 중 하나 이상은, 일부 실시양태에서, 도 2와 관련하여 상기 기재된 임의의 페로브스카이트 광활성 물질을 포함할 수 있다. 다른 실시양태에서, 활성 층(3904b, 3906b 및 3908b) 중 하나 이상은 본원에 기재된 임의의 광활성 물질, 예컨대, 박막 반도체 (예를 들어, CdTe, CZTS, CIGS), 광활성 중합체, 염료 감작 광활성 물질, 풀러렌, 소분자 광활성 물질, 및 결정질 및 다결정질 반도체 물질 (예를 들어, 규소, GaAs, InP, Ge)을 포함할 수 있다. 또한 다른 실시양태에서, 활성 층(3904b, 3906b 및 3908b) 중 하나 이상은 발광 다이오드 (LED), 전계 효과 트랜지스터 (FET), 박막 배터리 층 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 실시양태에서, 활성 층(3904b, 3906b 및 3908b) 중 하나 이상은 광활성 물질을 포함할 수 있고, 다른 것은 발광 다이오드 (LED), 전계 효과 트랜지스터 (FET), 박막 배터리 층 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 활성 층(3908a 및 3906b)은 둘 다 페로브스카이트 물질 광활성 층을 포함할 수 있고, 활성 층(3904b)은 전계 효과 트랜지스터 층을 포함할 수 있다. 도 3의 예시된 다른 층, 예컨대 층(3901b, 3902b, 3903b, 3904b, 3905b (즉, 재조합 층), 3907b (즉, 재조합 층), 3909b, 3910b, 3911b, 3912b, 및 3913b)은, 도 2와 관련하여 본원에 기재된 바와 같은 이러한 상응하는 층과 유사할 수 있다.
페로브스카이트 장치의 추가의, 보다 구체적인 예시 실시양태를 예시 장치의 추가의 양식화된 도시와 관련하여 논의할 것이다. 이들 도시, 도 1-4의 양식화된 성질은 유사하게, 일부 실시양태에서 도 1-4 중 임의의 하나 이상에 따라 구성될 수 있는 장치의 유형을 제한하도록 의도되지 않는다. 즉, 도 1-4에 나타낸 아키텍쳐는, 임의의 적합한 수단 (본원에서 다른 부분에서 명백히 논의된 것들, 및 본 개시내용의 이익을 갖는 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 명백할 다른 적합한 수단 둘 다를 포함함)에 따라, BHJ, 배터리, FET, 하이브리드 PV 배터리, 직렬 다중-전지 PV, 병렬 다중-전지 PV 및 본 개시내용의 다른 실시양태의 다른 유사 장치를 제공하도록 적합화될 수 있다.
페로브스카이트 물질 활성 층의 조성
이전에 논의된 바와 같이, 일부 실시양태에서, 활성 층 내의 페로브스카이트 물질은 조성식 CMX3-yX'y (0 ≥ y ≥ 3)을 가질 수 있으며, 여기서: C는 1종 이상의 양이온 (예를 들어, 아민, 암모늄, 1족 금속, 2족 금속, 포름아미디늄, 구아니디늄, 에텐 테트라민, 포스포늄, 이미다졸륨, 및/또는 다른 양이온 또는 양이온-유사 화합물)을 포함하고; M은 1종 이상의 금속 (예를 들어, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Fe, Cd, Co, Ni, Cu, Ag, Au, Hg, Sn, Ge, Ga, Pb, In, Tl, Sb, Bi, Ti, Zn, Cd, Hg, 및 Zr)을 포함하고; X 및 X'는 1종 이상의 음이온을 포함한다. 한 실시양태에서, 페로브스카이트 물질은 CPbI3-yCly를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 페로브스카이트 물질은 2종 이상의 음이온 또는 3종 이상의 음이온을 포함할 수 있다. 특정 실시양태에서, 페로브스카이트 물질은 2종 이상의 금속 또는 3종 이상의 금속을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 페로브스카이트 물질은 2종 이상의 양이온 또는 3종 이상의 양이온을 포함할 수 있다.
일부 실시양태에서, 활성 층 내의 페로브스카이트 물질은 조성식 C1-xC'xMX3 (0 ≥ x ≥ 1)을 가질 수 있으며, 여기서 C 및 C'는 1종 이상의 양이온 (예를 들어, 아민, 암모늄, 1족 금속, 2족 금속, 포름아미디늄, 구아니디늄, 에텐 테트라민, 포스포늄, 이미다졸륨, 및/또는 다른 양이온 또는 양이온-유사 화합물)을 포함하고; M은 1종 이상의 금속 (예를 들어, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Fe, Cd, Co, Ni, Cu, Ag, Au, Hg, Sn, Ge, Ga, Pb, In, Tl, Sb, Bi, Ti, Zn, Cd, Hg, 및 Zr)을 포함하고; X는 1종 이상의 음이온을 포함한다.
일부 실시양태에서, 활성 층 내의 페로브스카이트 물질은 화학식 CM1-zM'zX3 (0 ≥ z ≥ 1)을 가질 수 있으며, 여기서: C는 1종 이상의 양이온 (예를 들어, 아민, 암모늄, 1족 금속, 2족 금속, 포름아미디늄, 구아니디늄, 에텐 테트라민, 포스포늄, 이미다졸륨, 및/또는 다른 양이온 또는 양이온-유사 화합물)을 포함하고; M 및 M'는 1종 이상의 금속 (예를 들어, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Fe, Cd, Co, Ni, Cu, Ag, Au, Hg, Sn, Ge, Ga, Pb, In, Tl, Sb, Bi, Ti, Zn, Cd, Hg, 및 Zr)을 포함하고; X는 1종 이상의 음이온을 포함한다.
일부 실시양태에서, 활성 층의 페로브스카이트 물질은 화학식 C1-xC'xM1-zM'zX3-yX'y (0 ≥ x ≥ 1; 0 ≥ y ≥ 3; 0 ≥ z ≥ 1)을 가질 수 있으며, 여기서: C 및 C'는 1종 이상의 양이온 (예를 들어, 아민, 암모늄, 1족 금속, 2족 금속, 포름아미디늄, 구아니디늄, 에텐 테트라민, 포스포늄, 이미다졸륨, 및/또는 다른 양이온 또는 양이온-유사 화합물)을 포함하고; M 및 M'는 1종 이상의 금속 (예를 들어, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Fe, Cd, Co, Ni, Cu, Ag, Au, Hg, Sn, Ge, Ga, Pb, In, Tl, Sb, Bi, Ti, Zn, Cd, Hg, 및 Zr)을 포함하고; X 및 X'는 1종 이상의 음이온을 포함한다. 특정 실시양태에서, 페로브스카이트 물질은, 예를 들어, 하기에 기재된 단계를 사용하여 기판 층 상으로 블레이드 코팅, 드롭 캐스팅, 스핀 캐스팅, 슬롯-다이 인쇄, 스크린 인쇄, 또는 잉크-젯 인쇄에 의해 PV 장치 내의 활성 층으로서 침착될 수 있다.
먼저, 납 할라이드 전구체 잉크를 형성한다. 일정량의 납 할라이드를 제어된 분위기 환경 (예를 들어, 글로브-함유 포트홀을 갖는 제어된 분위기는 공기-무함유 환경에서의 물질 조작을 가능하게 함)에서 투명한 건조 용기 내에 모을 수 있다. 적합한 납 할라이드는 납 (II) 아이오다이드, 납 (II) 브로마이드, 납 (II) 클로라이드, 및 납 (II) 플루오라이드를 포함하나, 이에 제한되지는 않는다. 납 할라이드는 납 할라이드의 단일 종을 포함할 수 있거나, 또는 이는 정확한 비율로 납 할라이드 혼합물을 포함할 수 있다. 특정 실시양태에서, 납 할라이드 혼합물은 아이오다이드, 브로마이드, 클로라이드, 또는 플루오라이드의 0.001-100 mol%의 임의의 2원, 3원, 또는 4원 비율을 포함할 수 있다. 한 실시양태에서, 납 할라이드 혼합물은 납 (II) 클로라이드 및 납 (II) 아이오다이드를 약 10:90 mol:mol 비율로 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 mol:mol의 비율로 포함할 수 있다.
대안적으로, 납 할라이드 염과 함께 또는 그 대신에 다른 납 염 전구체를 사용하여 전구체 잉크를 형성할 수 있다. 적합한 전구체 염은 납 (II) 또는 납 (IV) 및 하기 음이온의 임의의 조합을 포함할 수 있다: 니트레이트, 니트라이트, 카르복실레이트, 아세테이트, 아세토닐 아세토네이트, 포르메이트, 옥살레이트, 술페이트, 술파이트, 티오술페이트, 포스페이트, 테트라플루오로보레이트, 헥사플루오로포스페이트, 테트라(퍼플루오로페닐) 보레이트, 수소화물, 산화물, 과산화물, 수산화물, 질화물, 아르세네이트, 아르세나이트, 퍼클로레이트, 카르보네이트, 비카르보네이트, 크로메이트, 디크로메이트, 아이오데이트, 브로메이트, 클로레이트, 클로라이트, 하이포클로라이트, 하이포브로마이트, 시아니드, 시아네이트, 이소시아네이트, 풀미네이트, 티오시아네이트, 이소티오시아네이트, 아지드, 테트라카르보닐코발테이트, 카르바모일디시아노메타니드, 디시아노니트로소메타니드, 디시아나미드, 트리시아노메타니드, 아미드, 및 퍼망가네이트.
전구체 잉크는 납 (II) 또는 납 (IV) 염을 상기 언급된 음이온의 염으로서 하기 금속 이온에 대하여 0 내지 100%의 몰비로 추가로 포함할 수 있다: Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Fe, Cd, Co, Ni, Cu, Ag, Au, Hg, Sn, Ge, Ga, Pb, In, Tl, Sb, Bi, Ti, Zn, Cd, Hg, 및 Zr.
이어서, 용매를 용기에 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 이들의 조합을 포함하나, 이에 제한되지는 않는다. 한 실시양태에서는, 납 고체를 건조 디메틸포름아미드 (DMF) 중에 용해시킨다. 납 고체를 약 20℃ 내지 약 150℃의 온도에서 용해시킬 수 있다. 한 실시양태에서는, 납 고체를 약 85℃에서 용해시킨다. 납 고체를 용액을 형성하기 위해 필요한 기간 동안 용해시킬 수 있고, 이는 최대 약 72시간의 기간에 걸쳐 수행될 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 결정성 및 안정성에 영향을 줄 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)제 (예컨대 명세서에서 이전에 논의된 것들) 또는 이들의 조합을 추가로 포함할 수 있다. 납 할라이드 전구체 잉크에 적합한 아미노산은 α-아미노산, β-아미노산, γ-아미노산, δ-아미노산 및 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 한 실시양태에서는, 포름아미디늄 클로라이드를 납 할라이드 전구체 잉크에 첨가할 수 있다. 다른 실시양태에서는, 명세서에서 이전에 논의된 임의의 양이온의 할라이드가 사용될 수 있다. 일부 실시양태에서는, 예를 들어, 포름아미디늄 클로라이드 및 5-아미노 발레르산 히드로클로라이드의 조합을 포함한 첨가제의 조합을 납 할라이드 전구체 잉크에 첨가할 수 있다.
설명으로, 또한 본 개시내용을 임의의 특정 메커니즘의 이론으로 제한하지 않으며, 포름아미디늄 클로라이드 및 5-아미노 발레르산은 이들이 1-단계 페로브스카이트 장치 제작에서 첨가제 또는 반대-양이온으로서 사용되는 경우 페로브스카이트 PV 장치 안정성을 향상시키는 것으로 나타났다. 또한, PbCl2 형태의 클로라이드는 2-단계 방법에서 PbI2 전구체 용액에 첨가되는 경우 페로브스카이트 PV 장치 성능을 개선시키는 것으로 나타났다. 포름아미디늄 클로라이드 및/또는 5-아미노 발레르산 히드로클로라이드를 직접 납 할라이드 전구체 용액 (예를 들어, PbI2)에 첨가하여 단일 물질로의 이들 둘의 이점을 이용함으로써 2-단계 페로브스카이트 박막 침착 프로세스가 개선될 수 있는 것으로 나타났다. 납 할라이드 전구체 용액에 대한 포름아미디늄 클로라이드, 5-아미노 발레르산 히드로클로라이드, 또는 PbCl2의 첨가에 의해 다른 페로브스카이트 필름 침착 프로세스도 마찬가지로 개선될 수 있다.
포름아미디늄 클로라이드 및/또는 5-아미노 발레르산 히드로클로라이드를 포함한 첨가제는 생성된 페로브스카이트 물질의 목적하는 특징에 따라 다양한 농도로 납 할라이드 전구체 잉크에 첨가될 수 있다. 한 실시양태에서, 첨가제는 약 1 nM 내지 약 1 M의 농도로 첨가될 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 첨가제는 약 1 μM 내지 약 1 M의 농도로 첨가될 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 첨가제는 약 1 μM 내지 약 1 mM의 농도로 첨가될 수 있다.
임의로, 특정 실시양태에서는, 물을 납 할라이드 전구체 잉크에 첨가할 수 있다. 설명으로, 또한 본 개시내용을 임의의 특정 이론 또는 메커니즘으로 제한하지 않으며, 물의 존재는 페로브스카이트 박막 결정질 성장에 영향을 준다. 통상적 상황 하에, 물은 공기로부터 증기로서 흡수될 수 있다. 그러나, 특정 농도로의 납 할라이드 전구체 잉크에 대한 물의 직접적 첨가를 통해 페로브스카이트 PV 결정성을 제어할 수 있다. 적합한 물은 증류수, 탈이온수, 또는 오염물 (미네랄 포함)을 실질적으로 갖지 않는 물의 임의의 다른 공급원을 포함한다. 광 I-V 스윕에 기초하면, 페로브스카이트 PV 광-전력 전환 효율은 완전 건조 장치에 비해 물의 첨가시 거의 3배일 수 있는 것으로 나타났다.
물은 생성된 페로브스카이트 물질의 목적하는 특징에 따라 다양한 농도로 납 할라이드 전구체 잉크에 첨가될 수 있다. 한 실시양태에서, 물은 약 1 nL/mL 내지 약 1 mL/mL의 농도로 첨가될 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 물은 약 1 μL/mL 내지 약 0.1 mL/mL의 농도로 첨가될 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 물은 약 1 μL/mL 내지 약 20 μL/mL의 농도로 첨가될 수 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. 상기에 언급된 바와 같이, 납 할라이드 전구체 잉크는 드롭 캐스팅, 스핀 캐스팅, 슬롯-다이 인쇄, 스크린 인쇄, 또는 잉크-젯 인쇄를 포함하나 이에 제한되지는 않는 다양한 수단을 통해 침착될 수 있다. 특정 실시양태에서는, 납 할라이드 전구체 잉크를 약 500 rpm 내지 약 10,000 rpm의 속도로 약 5초 내지 약 600초의 기간 동안 기판 상으로 스핀-코팅할 수 있다. 한 실시양태에서는, 납 할라이드 전구체 잉크를 약 3000 rpm으로 약 30초 동안 기판 상으로 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 물-무함유 분위기, 즉, 30% 미만 상대 습도에서 건조시켜 박막을 형성할 수 있다.
이어서, 박막을 약 20℃ 내지 약 300℃의 온도에서 최대 약 24시간의 기간 동안 열적으로 어닐링할 수 있다. 한 실시양태에서는, 박막을 약 50℃의 온도에서 약 10분 동안 열적으로 어닐링할 수 있다. 이어서, 전구체 필름을 용매, 또는 용매 (예를 들어, DMF, 이소프로판올, 메탄올, 에탄올, 부탄올, 클로로포름 클로로벤젠, 디메틸술폭시드, 물) 및 염 (예를 들어, 메틸암모늄 아이오다이드, 포름아미디늄 아이오다이드, 구아니디늄 아이오다이드, 1,2,2-트리아미노비닐암모늄 아이오다이드, 5-아미노발레르산 히드로아이오다이드)의 혼합물을 0.001M 내지 10M의 농도로 포함하는 용액으로 침수시키거나 헹구는 전환 프로세스에 의해 페로브스카이트 물질 활성 층을 완성시킬 수 있다. 특정 실시양태에서는, 박막을 또한 이 단락의 제1 라인에서와 동일한 방식으로 열적으로 후-어닐링할 수 있다.
일부 실시양태에서는, 납 염 전구체를 기판 상으로 침착시켜 납 염 박막을 형성할 수 있다. 기판은 주위 온도와 대략 동등한 온도를 갖거나 0℃ 내지 500℃의 제어된 온도를 가질 수 있다. 납 염 전구체를, 스핀-코팅, 슬롯-다이 인쇄, 잉크-젯 인쇄, 그라비어 인쇄, 스크린 인쇄, 스퍼터링, PE-CVD, 열 증발, 분무 코팅을 포함하나 이에 제한되지는 않는 관련 기술분야에 공지된 다양한 방법에 의해 침착시킬 수 있다. 특정 실시양태에서, 납 염 전구체의 침착은 시트-대-시트 또는 롤-대-롤 제조 방법론을 포함할 수 있다. 납 염 전구체의 침착은 주위 압력 (예를 들어, 고도 및 대기 조건에 따라, 약 1 기압) 또는 대기압 또는 주위 압력 미만의 압력 (예를 들어, 1 mTorr 내지 500 mTorr)에서 다양한 분위기에서 수행될 수 있다. 침착 분위기는 주위 공기, 제어된 습도 환경 (예를 들어, 0 - 100 g H2O/m3 기체), 순수 아르곤, 순수 질소, 순수 산소, 순수 수소, 순수 헬륨, 순수 네온, 순수 크립톤, 순수 CO2 또는 이들 기체의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 제어된 습도 환경은, 절대 습도 또는 % 상대 습도가 고정된 값으로 유지되는, 또는 절대 습도 또는 % 상대 습도가 미리 정해진 세트 포인트 또는 미리 정해진 기능에 따라 달라지는 환경을 포함할 수 있다. 특정 실시양태에서, 침착은 0% 이상 50% 이하의 % 상대 습도를 갖는 제어된 습도 환경에서 일어날 수 있다. 다른 실시양태에서, 침착은 0 g H2O/m3 기체 이상 20 g H2O/m3 기체 이하를 함유하는 제어된 습도 환경에서 일어날 수 있다.
납 염 전구체는 액체, 기체, 고체, 또는 이들 물질 상태의 조합, 예컨대 용액, 현탁액, 콜로이드, 포움, 겔, 또는 에어로졸일 수 있다. 일부 실시양태에서, 납 염 전구체는 1종 이상의 용매를 함유하는 용액일 수 있다. 예를 들어, 납 염 전구체는 N-시클로헥실-2-피롤리돈, 알킬-2-피롤리돈, 디메틸포름아미드, 디알킬포름아미드, 디메틸술폭시드 (DMSO), 아세토니트릴, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 테트라히드로푸란, 포름아미드, tert-부틸피리딘, 피리딘, 알킬피리딘, 피롤리딘, 클로로벤젠, 디클로로벤젠, 디클로로메탄, 클로로포름 및 이들의 조합 중 하나 이상을 함유할 수 있다. 납 염 전구체는 단일 납 염 (예를 들어, 납 (II) 아이오다이드, 납 (II) 티오시아네이트) 또는 본원에 개시된 것들의 임의의 조합 (예를 들어, PbI2 + PbCl2 ; PbI2 + Pb(SCN)2)을 포함할 수 있다. 납 염 전구체는 또한 1종 이상의 첨가제, 예컨대 아미노산 (예를 들어, 5-아미노발레르산 히드로아이오다이드), 1,8-디아이오도옥탄, 1,8-디티오옥탄, 포름아미디늄 할라이드, 아세트산, 트리플루오로아세트산, 메틸암모늄 할라이드, 또는 물을 함유할 수 있다. 납 할라이드 전구체 잉크를 실질적으로 물-무함유 분위기, 즉, 30% 미만의 상대 습도에서 건조시켜 박막을 형성할 수 있다. 이어서, 박막을 약 20℃ 내지 약 300℃의 온도에서 최대 약 24시간의 기간 동안 열적으로 어닐링할 수 있다. 어닐링은 주위 압력 (예를 들어, 고도 및 대기 조건에 따라, 약 1 기압) 또는 대기압 또는 주위 압력 미만의 압력 (예를 들어, 1 mTorr 내지 500 mTorr)에서 다양한 분위기에서 수행될 수 있다. 어닐링 분위기는 주위 공기, 제어된 습도 환경 (예를 들어, 0 - 100 g H2O/m3 기체), 순수 아르곤, 순수 질소, 순수 산소, 순수 수소, 순수 헬륨, 순수 네온, 순수 크립톤, 순수 CO2 또는 상기 기체의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 제어된 습도 환경은, 절대 습도 또는 % 상대 습도가 고정된 값으로 유지되는, 또는 절대 습도 또는 % 상대 습도가 미리 정해진 세트 포인트 또는 미리 정해진 기능에 따라 달라지는 환경을 포함할 수 있다. 특정 실시양태에서, 어닐링은 0% 이상 50% 이하의 % 상대 습도를 갖는 제어된 습도 환경에서 일어날 수 있다. 다른 실시양태에서, 어닐링은 0 g H2O/m3 기체 이상 20 g H2O/m3 기체 이하를 함유하는 제어된 습도 환경에서 일어날 수 있다.
납 염 전구체를 침착시킨 후, 제2 염 전구체 (예를 들어, 포름아미디늄 아이오다이드, 포름아미디늄 티오시아네이트, 구아니디늄 티오시아네이트)를 납 염 박막 상으로 침착시킬 수 있으며, 여기서 납 염 박막은 주위 온도와 대략 동등한 온도를 갖거나 0℃ 내지 500℃의 제어된 온도를 가질 수 있다. 제2 염 전구체를, 일부 실시양태에서, 주위 온도 또는 약 25℃ 내지 125℃의 승온에서 침착시킬 수 있다. 제2 염 전구체를, 스핀-코팅, 슬롯-다이 인쇄, 잉크-젯 인쇄, 그라비어 인쇄, 스크린 인쇄, 스퍼터링, PE-CVD, 열 증발, 또는 분무 코팅을 포함하나 이에 제한되지는 않는 관련 기술분야에 공지된 다양한 방법에 의해 침착시킬 수 있다. 제2 염 전구체의 침착은 주위 압력 (예를 들어, 고도 및 대기 조건에 따라, 약 1 기압) 또는 대기압 또는 주위 압력 미만의 압력 (예를 들어, 1 mTorr 내지 500 mTorr)에서 다양한 분위기에서 수행될 수 있다. 침착 분위기는 주위 공기, 제어된 습도 환경 (예를 들어, 0 - 100 g H2O/m3 기체), 순수 아르곤, 순수 질소, 순수 산소, 순수 수소, 순수 헬륨, 순수 네온, 순수 크립톤, 순수 CO2 또는 상기 기체의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 제어된 습도 환경은, 절대 습도 또는 % 상대 습도가 고정된 값으로 유지되는, 또는 절대 습도 또는 % 상대 습도가 미리 정해진 세트 포인트 또는 미리 정해진 기능에 따라 달라지는 환경을 포함할 수 있다. 특정 실시양태에서, 침착은 0% 이상 50% 이하의 % 상대 습도를 갖는 제어된 습도 환경에서 일어날 수 있다. 다른 실시양태에서, 침착은 0 g H2O/m3 기체 이상 20 g H2O/m3 기체 이하를 함유하는 제어된 습도 환경에서 일어날 수 있다.
일부 실시양태에서 제2 염 전구체는 1종 이상의 용매를 함유하는 용액일 수 있다. 예를 들어, 제2 염 전구체는 건조 N-시클로헥실-2-피롤리돈, 알킬-2-피롤리돈, 디메틸포름아미드, 디알킬포름아미드, 디메틸술폭시드 (DMSO), 아세토니트릴, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 테트라히드로푸란, 포름아미드, tert-부틸피리딘, 피리딘, 알킬피리딘, 피롤리딘, 클로로벤젠, 디클로로벤젠, 디클로로메탄, 클로로포름 및 이들의 조합 중 하나 이상을 함유할 수 있다.
납 염 전구체 및 제2 염 전구체의 침착 후, 기판을 어닐링할 수 있다. 기판의 어닐링은 납 염 전구체 및 제2 염 전구체를 페로브스카이트 물질, (예를 들어, FAPbI3, GAPb(SCN)3, FASnI3)로 전환시킬 수 있다. 어닐링은 주위 압력 (예를 들어, 고도 및 대기 조건에 따라, 약 1 기압) 또는 대기압 또는 주위 압력 미만의 압력 (예를 들어, 1 mTorr 내지 500 mTorr)에서 다양한 분위기에서 수행될 수 있다. 어닐링 분위기는 주위 공기, 제어된 습도 환경 (예를 들어, 0 - 100 g H2O/m3 기체), 순수 아르곤, 순수 질소, 순수 산소, 순수 수소, 순수 헬륨, 순수 네온, 순수 크립톤, 순수 CO2 또는 상기 기체의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 제어된 습도 환경은, 절대 습도 또는 % 상대 습도가 고정된 값으로 유지되는, 또는 절대 습도 또는 % 상대 습도가 미리 정해진 세트 포인트 또는 미리 정해진 기능에 따라 달라지는 환경을 포함할 수 있다. 특정 실시양태에서, 어닐링은 0% 이상 50% 이하의 % 상대 습도를 갖는 제어된 습도 환경에서 일어날 수 있다. 다른 실시양태에서, 어닐링은 0 g H2O/m3 기체 이상 20 g H2O/m3 기체 이하를 함유하는 제어된 습도 환경에서 일어날 수 있다. 일부 실시양태에서, 어닐링 50℃ 이상 300℃ 이하의 온도에서 일어날 수 있다. 달리 기재되지 않는 한, 본원에 기재된 임의의 어닐링 또는 침착 단계는 상기 조건 하에 수행될 수 있다.
예를 들어, 특정 실시양태에서, FAPbI3 페로브스카이트 물질은 하기 프로세스에 의해 형성될 수 있다. 먼저 무수 DMF 중에 용해된 PbI2 대 PbCl2의 약 90:10 몰비를 포함하는 납 (II) 할라이드 전구체를 스핀-코팅 또는 슬롯-다이 인쇄에 의해 기판 상으로 침착시킬 수 있다. 납 할라이드 전구체 잉크를 실질적으로 물-무함유 분위기, 즉, 30% 미만 상대 습도에서 대략 1시간 (± 15분) 동안 건조시켜 박막을 형성할 수 있다. 이어서 박막을 약 50℃ (± 10℃)의 온도에서 약 10분 동안 열적으로 어닐링할 수 있다. 다른 실시양태에서는, 납 할라이드 전구체를 잉크-젯 인쇄, 그라비어 인쇄, 스크린 인쇄, 스퍼터링, PE-CVD, 원자-층 침착, 열 증발, 또는 분무 코팅에 의해 침착시킬 수 있다. 다음으로, 무수 이소프로필 알콜 중에 용해된 25 - 60 mg/mL 농도의 포름아미디늄 아이오다이드를 포함하는 포름아미디늄 아이오다이드 전구체를 스핀 코팅 또는 슬롯-다이 인쇄에 의해 납 할라이드 박막 상으로 침착시킬 수 있다. 다른 실시양태에서는, 포름아미디늄 아이오다이드 전구체를 잉크-젯 인쇄, 그라비어 인쇄, 스크린 인쇄, 스퍼터링, PE-CVD, 원자-층 침착, 열 증발, 또는 분무 코팅에 의해 침착시킬 수 있다. 납 할라이드 전구체 및 포름아미디늄 아이오다이드 전구체의 침착 후, 기판을 약 25% 상대 습도 (약 4 내지 7 g H2O/m3 공기) 및 약 125℃ 내지 200℃에서 어닐링하여 포름아미디늄 납 아이오다이드 (FAPbI3) 페로브스카이트 물질을 형성할 수 있다.
또 다른 실시양태에서, 페로브스카이트 물질은 C'CPbX3을 포함할 수 있으며, 여기서 C'는 1종 이상의 1족 금속 (즉, Li, Na, K, Rb, Cs)이다. 특정 실시양태에서 M'은 세슘 (Cs)일 수 있다. 또 다른 실시양태에서 C'는 루비듐 (Rb)일 수 있다. 또 다른 실시양태에서 C'는 나트륨 (Na)일 수 있다. 또 다른 실시양태에서 C'는 칼륨 (K)일 수 있다. 또한 다른 실시양태에서, 페로브스카이트 물질은 C'vCwPbyXz를 포함할 수 있으며, 여기서 C'는 1종 이상의 1족 금속이고, v, w, y, 및 z는 1 내지 20의 실수를 나타낸다. 특정 실시양태에서, 페로브스카이트 물질은, 예를 들어, 하기에 기재된 단계를 사용하여 기판 층 상으로 드롭 캐스팅, 스핀 캐스팅, 그라비어 코팅, 블레이드 코팅, 역 그라비어 코팅, 슬롯-다이 인쇄, 스크린 인쇄, 또는 잉크-젯 인쇄에 의해 PV 장치 내의 활성 층으로서 침착될 수 있다.
먼저, 납 할라이드 용액을 형성한다. 일정량의 납 할라이드를 제어된 분위기 환경에서 투명한 건조 용기 내에 모을 수 있다. 적합한 납 할라이드는 납 (II) 아이오다이드, 납 (II) 브로마이드, 납 (II) 클로라이드, 및 납 (II) 플루오라이드를 포함하나, 이에 제한되지는 않는다. 납 할라이드는 납 할라이드의 단일 종을 포함할 수 있거나, 또는 이는 정확한 비율로 납 할라이드 혼합물을 포함할 수 있다. 한 실시양태에서, 납 할라이드는 납 (II) 아이오다이드를 포함할 수 있다. 특정 실시양태에서, 납 할라이드 혼합물은 아이오다이드, 브로마이드, 클로라이드, 또는 플루오라이드의 0.001-100 mol%의 임의의 2원, 3원, 또는 4원 비율을 포함할 수 있다. 한 실시양태에서, 납 할라이드 혼합물은 납 (II) 클로라이드 및 납 (II) 아이오다이드를 약 10:90 mol:mol 비율로 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 mol:mol의 비율로 포함할 수 있다.
대안적으로, 납 할라이드 염과 함께 또는 그 대신에 다른 납 염 전구체를 사용하여 납 염 용액을 형성할 수 있다. 적합한 전구체 납 염은 납 (II) 또는 납 (IV) 및 하기 음이온의 임의의 조합을 포함할 수 있다: 니트레이트, 니트라이트, 카르복실레이트, 아세테이트, 포르메이트, 옥살레이트, 술페이트, 술파이트, 티오술페이트, 포스페이트, 테트라플루오로보레이트, 헥사플루오로포스페이트, 테트라(퍼플루오로페닐) 보레이트, 수소화물, 산화물, 과산화물, 수산화물, 질화물, 아르세네이트, 아르세나이트, 퍼클로레이트, 카르보네이트, 비카르보네이트, 크로메이트, 디크로메이트, 아이오데이트, 브로메이트, 클로레이트, 클로라이트, 하이포클로라이트, 하이포브로마이트, 시아니드, 시아네이트, 이소시아네이트, 풀미네이트, 티오시아네이트, 이소티오시아네이트, 아지드, 테트라카르보닐코발테이트, 카르바모일디시아노메타니드, 디시아노니트로소메타니드, 디시아나미드, 트리시아노메타니드, 아미드, 및 퍼망가네이트.
납 염 용액은 납 (II) 또는 납 (IV) 염을 상기 언급된 음이온의 염으로서 하기 금속 이온에 대하여 0 내지 100%의 몰비로 추가로 포함할 수 있다: Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Fe, Cd, Co, Ni, Cu, Ag, Au, Hg, Sn, Ge, Ga, Pb, In, Tl, Sb, Bi, Ti, Zn, Cd, Hg, 및 Zr.
이어서, 용매를 용기에 첨가하여 납 할라이드 고체를 용해시켜 납 할라이드 용액을 형성할 수 있다. 적합한 용매는 건조 N-시클로헥실-2-피롤리돈, 알킬-2-피롤리돈, 디메틸포름아미드 (DMF), 디알킬포름아미드, 디메틸술폭시드 (DMSO), 아세토니트릴, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 테트라히드로푸란, 포름아미드, tert-부틸피리딘, 피리딘, 알킬피리딘, 피롤리딘, 클로로벤젠, 디클로로벤젠, 디클로로메탄, 클로로포름 및 이들의 조합을 포함하나, 이에 제한되지는 않는다. 한 실시양태에서는, 납 고체를 건조 디메틸포름아미드 (DMF) 중에 용해시킨다. 납 할라이드 고체를 약 20℃ 내지 약 150℃의 온도에서 용해시킬 수 있다. 한 실시양태에서는, 납 할라이드 고체를 약 85℃에서 용해시킨다. 납 할라이드 고체를 용액을 형성하기 위해 필요한 기간 동안 용해시킬 수 있고, 이는 최대 약 72시간의 기간에 걸쳐 수행될 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. 일부 실시양태에서, 납 할라이드 용액은 아미노산 (예를 들어, 5-아미노발레르산, 히스티딘, 글리신, 리신), 아미노산 히드로할라이드 (예를 들어, 5-아미노 발레르산 히드로클로라이드), IFL 표면-개질 (SAM)제 (예컨대 명세서에서 이전에 논의된 것들) 또는 이들의 조합을 추가로 포함할 수 있다.
다음으로, 1족 금속 할라이드 용액을 형성한다. 일정량의 1족 금속 할라이드를 제어된 분위기 환경에서 투명한 건조 용기 내에 모을 수 있다. 적합한 1족 금속 할라이드는 세슘 아이오다이드, 세슘 브로마이드, 세슘 클로라이드, 세슘 플루오라이드, 루비듐 아이오다이드, 루비듐 브로마이드, 루비듐 클로라이드, 루비듐 플루오라이드, 리튬 아이오다이드, 리튬 브로마이드, 리튬 클로라이드, 리튬 플루오라이드, 나트륨 아이오다이드, 나트륨 브로마이드, 나트륨 클로라이드, 나트륨 플루오라이드, 칼륨 아이오다이드, 칼륨 브로마이드, 칼륨 클로라이드, 칼륨 플루오라이드를 포함하나, 이에 제한되지는 않는다. 1족 금속 할라이드는 1족 금속 할라이드의 단일 종을 포함할 수 있거나, 또는 이는 정확한 비율로 1족 금속 할라이드 혼합물을 포함할 수 있다. 한 실시양태에서 1족 금속 할라이드는 세슘 아이오다이드를 포함할 수 있다. 또 다른 실시양태에서 1족 금속 할라이드는 루비듐 아이오다이드를 포함할 수 있다. 또 다른 실시양태에서 1족 금속 할라이드는 나트륨 아이오다이드를 포함할 수 있다. 또 다른 실시양태에서 1족 금속 할라이드는 칼륨 아이오다이드를 포함할 수 있다.
대안적으로, 1족 금속 할라이드 염과 함께 또는 그 대신에 다른 1족 금속 염 전구체를 사용하여 1족 금속 염 용액을 형성할 수 있다. 적합한 전구체 1족 금속 염은 1족 금속 및 하기 음이온의 임의의 조합을 포함할 수 있다: 니트레이트, 니트라이트, 카르복실레이트, 아세테이트, 포르메이트, 옥살레이트, 술페이트, 술파이트, 티오술페이트, 포스페이트, 테트라플루오로보레이트, 헥사플루오로포스페이트, 테트라(퍼플루오로페닐) 보레이트, 수소화물, 산화물, 과산화물, 수산화물, 질화물, 아르세네이트, 아르세나이트, 퍼클로레이트, 카르보네이트, 비카르보네이트, 크로메이트, 디크로메이트, 아이오데이트, 브로메이트, 클로레이트, 클로라이트, 하이포클로라이트, 하이포브로마이트, 시아니드, 시아네이트, 이소시아네이트, 풀미네이트, 티오시아네이트, 이소티오시아네이트, 아지드, 테트라카르보닐코발테이트, 카르바모일디시아노메타니드, 디시아노니트로소메타니드, 디시아나미드, 트리시아노메타니드, 아미드, 및 퍼망가네이트.
이어서, 용매를 용기에 첨가하여 1족 금속 할라이드 고체를 용해시켜 1족 금속 할라이드 용액을 형성할 수 있다. 적합한 용매는 건조 N-시클로헥실-2-피롤리돈, 알킬-2-피롤리돈, 디메틸포름아미드 (DMF), 디알킬포름아미드, 디메틸술폭시드 (DMSO), 아세토니트릴, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 테트라히드로푸란, 포름아미드, tert-부틸피리딘, 피리딘, 알킬피리딘, 피롤리딘, 클로로벤젠, 디클로로벤젠, 디클로로메탄, 클로로포름 및 이들의 조합을 포함하나, 이에 제한되지는 않는다. 한 실시양태에서는, 납 고체를 건조 디메틸술폭시드 (DMSO) 중에 용해시킨다. 1족 금속 할라이드 고체를 약 20℃ 내지 약 150℃의 온도에서 용해시킬 수 있다. 한 실시양태에서는, 1족 금속 할라이드 고체를 실온 (즉, 약 25℃)에서 용해시킨다. 1족 금속 할라이드 고체를 용액을 형성하기 위해 필요한 기간 동안 용해시킬 수 있고, 이는 최대 약 72시간의 기간에 걸쳐 수행될 수 있다. 생성된 용액은 1족 금속 할라이드 용액을 형성한다. 일부 실시양태에서, 1족 금속 할라이드 용액은 약 0.001M 내지 약 10M의 1족 금속 할라이드 농도를 가질 수 있다. 한 실시양태에서, 1족 금속 할라이드 용액은 약 1 M의 1족 금속 할라이드 농도를 갖는다. 일부 실시양태에서, 1족 금속 할라이드 용액은 아미노산 (예를 들어, 5-아미노발레르산, 히스티딘, 글리신, 리신), 아미노산 히드로할라이드 (예를 들어, 5-아미노 발레르산 히드로클로라이드), IFL 표면-개질 (SAM)제 (예컨대 명세서에서 이전에 논의된 것들) 또는 이들의 조합을 추가로 포함할 수 있다.
다음으로, 납 할라이드 용액 및 1족 금속 할라이드 용액을 혼합하여 박막 전구체 잉크를 형성한다. 납 할라이드 용액 및 1족 금속 할라이드 용액을, 생성된 박막 전구체 잉크가 납 할라이드의 몰 농도의 0% 내지 25%인 1족 금속 할라이드의 몰 농도를 갖도록 하는 비율로 혼합할 수 있다. 특정 실시양태에서, 박막 전구체 잉크는 납 할라이드의 몰 농도의 1%인 1족 금속 할라이드의 몰 농도를 가질 수 있다. 특정 실시양태에서, 박막 전구체 잉크는 납 할라이드의 몰 농도의 5%인 1족 금속 할라이드의 몰 농도를 가질 수 있다. 특정 실시양태에서, 박막 전구체 잉크는 납 할라이드의 몰 농도의 10%인 1족 금속 할라이드의 몰 농도를 가질 수 있다. 특정 실시양태에서, 박막 전구체 잉크는 납 할라이드의 몰 농도의 15%인 1족 금속 할라이드의 몰 농도를 가질 수 있다. 특정 실시양태에서, 박막 전구체 잉크는 납 할라이드의 몰 농도의 20%인 1족 금속 할라이드의 몰 농도를 가질 수 있다. 특정 실시양태에서, 박막 전구체 잉크는 납 할라이드의 몰 농도의 25%인 1족 금속 할라이드의 몰 농도를 가질 수 있다. 일부 실시양태에서는 납 할라이드 용액 및 1족 금속 할라이드 용액을 혼합 동안 또는 혼합 후에 교반하거나 휘저을 수 있다.
이어서, 박막 전구체 잉크를 목적하는 기판 상에 침착시킬 수 있다. 적합한 기판 층은 본 개시내용에서 이전에 확인된 기판 층 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 상기에 언급된 바와 같이, 박막 전구체 잉크는 드롭 캐스팅, 스핀 캐스팅, 그라비어 코팅, 블레이드 코팅, 역 그라비어 코팅, 슬롯-다이 인쇄, 스크린 인쇄, 또는 잉크-젯 인쇄를 포함하나 이에 제한되지는 않는 다양한 수단을 통해 침착될 수 있다. 특정 실시양태에서는, 박막 전구체 잉크를 약 500 rpm 내지 약 10,000 rpm의 속도로 약 5초 내지 약 600초의 기간 동안 기판 상으로 스핀-코팅할 수 있다. 한 실시양태에서는, 박막 전구체 잉크를 약 3000 rpm으로 약 30초 동안 기판 상으로 스핀-코팅할 수 있다. 박막 전구체 잉크를 약 0% 상대 습도 내지 약 50% 상대 습도의 습도 범위에서 주위 분위기에서 기판 상에 침착시킬 수 있다. 이어서, 박막 전구체 잉크를 실질적으로 물-무함유 분위기, 즉, 30% 미만 상대 습도 또는 7 g H2O/m3에서 건조시켜 박막을 형성할 수 있다.
이어서, 박막을 약 20℃ 내지 약 300℃의 온도에서 최대 약 24시간의 기간 동안 열적으로 어닐링할 수 있다. 한 실시양태에서는, 박막을 약 50℃의 온도에서 약 10분 동안 열적으로 어닐링할 수 있다. 이어서, 전구체 필름을 용매, 또는 용매 (예를 들어, DMF, 이소프로판올, 메탄올, 에탄올, 부탄올, 클로로포름 클로로벤젠, 디메틸술폭시드, 물) 및 염 (예를 들어, 메틸암모늄 아이오다이드, 포름아미디늄 아이오다이드, 구아니디늄 아이오다이드, 1,2,2-트리아미노비닐암모늄 아이오다이드, 5-아미노발레르산 히드로아이오다이드)의 혼합물을 0.001M 내지 10M의 농도로 포함하는 염 용액으로 침수시키거나 헹구는 전환 프로세스에 의해 페로브스카이트 물질 활성 층을 완성시킬 수 있다. 특정 실시양태에서는, 페로브스카이트 물질 박막을 또한 이 단락의 제1 라인에서와 동일한 방식으로 열적으로 후-어닐링할 수 있다.
일부 실시양태에서, 염 용액은 제어된 분위기 환경에서 투명한 건조 용기 내에 염을 모음으로써 제조될 수 있다. 적합한 염은 메틸암모늄 아이오다이드, 포름아미디늄 아이오다이드, 구아니디늄 아이오다이드, 이미다졸륨 아이오다이드, 에텐 테트라민 아이오다이드, 1,2,2-트리아미노비닐암모늄 아이오다이드, 및 5-아미노발레르산 히드로아이오다이드를 포함하나, 이에 제한되지는 않는다. 다른 적합한 염은 "페로브스카이트 물질"이라는 제목의 섹션에서 상기 기재된 임의의 유기 양이온을 포함할 수 있다. 염은 염의 단일 종을 포함할 수 있거나, 또는 이는 정확한 비율로 염 혼합물을 포함할 수 있다. 한 실시양태에서 염은 메틸암모늄 아이오다이드를 포함할 수 있다. 또 다른 실시양태에서 염은 포름아미디늄 아이오다이드를 포함할 수 있다. 다음으로, 이어서 용매를 용기에 첨가하여 염 고체를 용해시켜 염 용액을 형성할 수 있다. 적합한 용매는 DMF, 아세토니트릴, 이소프로판올, 메탄올, 에탄올, 부탄올, 클로로포름 클로로벤젠, 디메틸술폭시드, 물 및 이들의 조합을 포함하나, 이에 제한되지는 않는다. 한 실시양태에서는, 포름아미디늄 아이오다이드 염 고체를 이소프로판올 중에 용해시킨다. 염 고체를 약 20℃ 내지 약 150℃의 온도에서 용해시킬 수 있다. 한 실시양태에서는, 염 고체를 실온 (즉, 약 25℃)에서 용해시킨다. 염 고체를 용액을 형성하기 위해 필요한 기간 동안 용해시킬 수 있고, 이는 최대 약 72시간의 기간에 걸쳐 수행될 수 있다. 생성된 용액은 염 용액을 형성한다. 일부 실시양태에서, 염 용액은 약 0.001M 내지 약 10M의 염 농도를 가질 수 있다. 한 실시양태에서, 염 용액은 약 1 M의 염 농도를 갖는다.
예를 들어, 납 (II) 아이오다이드 용액, 세슘 아이오다이드 용액, 및 메틸암모늄 (MA) 아이오다이드 염 용액으로의 상기 기재된 프로세스의 사용은 CsiMA1-iPbI3의 화학식을 갖는 페로브스카이트 물질을 형성할 수 있으며, 여기서 i는 0 내지 1의 수이다. 또 다른 예로, 납 (II) 아이오다이드 용액, 루비듐 아이오다이드 용액, 및 포름아미디늄 (FA) 아이오다이드 염 용액은 RbiFA1-iPbI3의 화학식을 갖는 페로브스카이트 물질을 형성할 수 있으며, 여기서 i는 0 내지 1의 수이다. 또 다른 예로, 납 (II) 아이오다이드 용액, 세슘 아이오다이드 용액, 및 포름아미디늄 (FA) 아이오다이드 염 용액의 사용은 CsiFA1-iPbI3의 화학식을 갖는 페로브스카이트 물질을 형성할 수 있으며, 여기서 i는 0 내지 1의 수이다. 또 다른 예로, 납 (II) 아이오다이드 용액, 칼륨 아이오다이드 용액, 및 포름아미디늄 (FA) 아이오다이드 염 용액의 사용은 KiFA1-iPbI3의 화학식을 갖는 페로브스카이트 물질을 형성할 수 있으며, 여기서 i는 0 내지 1의 수이다. 또 다른 예로, 납 (II) 아이오다이드 용액, 나트륨 아이오다이드 용액, 및 포름아미디늄 (FA) 아이오다이드 염 용액의 사용은 NaiFA1-iPbI3의 화학식을 갖는 페로브스카이트 물질을 형성할 수 있으며, 여기서 i는 0 내지 1의 수이다. 또 다른 예로, 납 (II) 아이오다이드-납 (II) 클로라이드 혼합물 용액, 세슘 아이오다이드 용액, 및 포름아미디늄 (FA) 아이오다이드 염 용액의 사용은 CsiFA1-iPbI3-yCly의 화학식을 갖는 페로브스카이트 물질을 형성할 수 있으며, 여기서 i는 0 내지 1의 수이고, y는 0 내지 3의 수를 나타낸다.
특정 실시양태에서, 상기 기재된 바와 같은 납 할라이드 용액은 몰 기준으로 PbI2 대 PbCl2의 90:10 비율을 가질 수 있다. 세슘 아이오다이드 (CsI) 용액을 상기 기재된 방법에 의해 납 할라이드 용액에 첨가하여 10 mol% CsI를 갖는 박막 전구체 잉크를 형성할 수 있다. FAPbI3 페로브스카이트 물질은 이 박막 전구체 용액을 사용하여 상기 기재된 방법에 따라 생성될 수 있다. 상기 기재된 바와 같은 CsI 용액을 통한 세슘 이온의 첨가는 클로라이드 음이온 및 세슘 원자를 FAPbI3 결정 격자 내로 혼입할 수 있다. 이는 클로라이드 이온의 첨가가 없는 상기 기재된 바와 같은 세슘 또는 루비듐 이온의 첨가에 비해 더 큰 정도의 격자 수축을 일으킬 수 있다. 하기 표 1은 10 mol% 루비듐 및 20 mol% 클로라이드 (예를 들어, 10 mol% PbCl2), 10 mol% 세슘, 및 10 mol% 세슘과 20 mol% 클로라이드를 갖는 FAPbI3 페로브스카이트 물질에 대한 격자 파라미터를 나타내며, 여기서 mol% 농도는 납 할라이드 용액 중의 납 원자에 대한 첨가제의 농도를 나타낸다. 표 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 세슘 및 클로라이드가 첨가된 FAPbI3 페로브스카이트 물질은 다른 두 페로브스카이트 물질 샘플에 비해 더 작은 격자 파라미터를 갖는다.
표 1
Figure pct00009
추가로, 데이터는 루비듐, 세슘 및/또는 클로라이드가 첨가된 FAPbI3 페로브스카이트 물질이 Pm3-m 입방체 구조를 가짐을 나타낸다. 최대 10 mol% Rb 및 10 mol% Cl, 또는 10 mol% Cs, 또는 10 mol% Cs 및 10 mol% Cl을 갖는 FAPbI3 페로브스카이트는 입방체 Pm3-m 입방체 결정 구조를 유지하는 것으로 나타났다. 도 29는 표 1에 제공된 샘플 각각에 상응하는 x선 회절 패턴을 나타낸다. 표 2-4는 표 1에 나타낸 3개의 페로브스카이트 물질에 대한 x선 회절 피크 및 강도를 제공한다. 데이터는 1.5 도 2θ/min의 스캔 속도로 Cu Kα 방사선원을 사용하여 리가쿠 미니플렉스(Rigaku Miniflex) 600 상에서 주위 조건에서 수집되었다.
표 2
Figure pct00010
표 3
Figure pct00011
표 4
Figure pct00012
Cu-Kα 방사선 하에 격자 상수 = 6.3375Å를 갖는 입방체 Pm3-m 물질에 대하여 기하학적으로 예상되는 x선 회절 패턴이 표 5에 나타나 있다. 데이터로부터 볼 수 있는 바와 같이, 10 mol% Rb 및 10 mol% Cl, 10 mol% Cs, 및 10% Cs 및 10% Cl을 사용하여 생성된 페로브스카이트 물질은 각각 입방체, Pm3-m 페로브스카이트 물질에 대한 예상되는 패턴에 맞는 회절 패턴을 갖는다.
표 5
Figure pct00013
향상된 페로브스카이트
소위 "층상" 2D 페로브스카이트는, 페로브스카이트가 본원에서 이전에 기재된 메틸암모늄 및 포름아미디늄 양이온보다 긴 알킬 사슬을 갖는 유기 양이온과 배합되는 경우에 형성되는 것으로 공지되어 있다. 층상 2D 페로브스카이트는 루들레스덴-포퍼 상, 디온-제이콥슨(Dion-Jacobson) 상, 및 아우리빌리우스(Aurivillius) 상 등의 구조를 포함한다. 예를 들어, "1-단계" 방법 (본원에 기재되지 않음)에서 페로브스카이트의 형성 동안, 상기 기재된 메틸암모늄 또는 다른 양이온 대신에 1-부틸암모늄을 치환함으로써, 루들레스덴-포퍼 2D 페로브스카이트가 형성될 수 있다. 이러한 페로브스카이트에서, 1-부틸암모늄은 페로브스카이트가 완전 결정질 격자를 형성하는 것을 막고, 대신에 페로브스카이트가 두께에 있어 단일 결정 구조를 갖는 페로브스카이트의 "시트"를 형성하게 한다. 도 5는 1-부틸암모늄 양이온(5510)을 갖는 루들레스덴-포퍼 페로브스카이트(5500)의 구조를 예시한다. 도 5로부터 볼 수 있는 바와 같이, 부틸암모늄 양이온(5510)의 "테일"은 페로브스카이트 물질의 납 및 아이오다이드 부분과 다른 납 및 아이오다이드 구조 사이의 분리를 제공하고, 이는 2D 페로브스카이트의 "시트"를 형성한다. 따라서, 페로브스카이트 물질의 형성 동안 "벌키 유기" 양이온, 예컨대 1-부틸암모늄 또는 벤질암모늄의 도입은, 페로브스카이트의 루들레스덴-포퍼가 요망되지 않는 경우, 바람직하지 않을 수 있다.
그러나, 페로브스카이트 물질을 어닐링하기 전에 희석량의 1-부틸암모늄 용액을 첨가하면 도 6에 나타낸 바와 같은 페로브스카이트를 형성할 수 있다. 도 6은 표면 패시베이팅을 위한 알킬 암모늄 양이온의 첨가를 갖는 페로브스카이트 물질(2000)의 실시양태를 예시한다. 예시된 실시양태에서, 포름아미디늄 납 아이오다이드 (FAPbI3) 페로브스카이트 물질의 표면(2010)은 표면에 1-부틸암모늄 양이온(2020)을 갖는 것으로 나타나 있다. 본원에 기재된 바와 같은 1-부틸암모늄 양이온, 또는 다른 "벌키" 유기 양이온은, 일부 실시양태에서 페로브스카이트 물질 결정 격자의 표면 근처에서 페로브스카이트 물질 내로 확산될 수 있다. 특정 실시양태에서, 본원에 기재된 바와 같은 1-부틸암모늄 양이온, 또는 다른 "벌키" 유기 양이온은, 결정 격자 표면 또는 결정립 경계로부터 페로브스카이트 물질 내로 50 nm 이하에 존재할 수 있다. 페로브스카이트 물질의 표면 근처 또는 표면에서의 "벌키" 유기 양이온, 예컨대 1-부틸암모늄의 포함은 본원에 개시된 페로브스카이트 물질의 "이상적" 화학량론으로부터 벗어난 페로브스카이트 물질의 화학식을 형성할 수 있다. 예를 들어, 이러한 유기 양이온의 포함은 페로브스카이트 물질이 본원에 기재된 CMX3 화학식에 대하여 화학량론 미만 또는 화학량론 초과인 화학식을 갖게 할 수 있다. 이 경우, 페로브스카이트 물질에 대한 화학식은 CxMyXz로서 표현될 수 있으며, 여기서 x, y 및 z는 실수이다. 일부 실시양태에서, 페로브스카이트 물질은 화학식 C'2Cn-1MnX3n+1을 가질 수 있으며, 여기서 n은 정수이다. 예를 들어, n=1인 경우, 페로브스카이트 물질은 화학식 C'2MX4를 가질 수 있고, n=2인 경우, 페로브스카이트 물질은 화학식 C'2CM2X7을 가질 수 있고, n=3인 경우, 페로브스카이트 물질은 화학식 C'2C2M3X10을 가질 수 있고, n=4인 경우, 페로브스카이트 물질은 화학식 C'2C3M4X13을 가질 수 있고, 기타 등등이다. 도 30에 의해 예시된 바와 같이, n-값은 페로브스카이트 물질의 무기 금속 할라이드 부격자의 두께를 나타낸다. 화학식 C'2Cn-1MnX3n+1을 갖는 페로브스카이트 물질의 상은, 벌키 유기 양이온이 페로브스카이트 물질의 결정 격자 내로 확산되거나 다른 방식으로 그 안으로 도입된 영역을 형성할 수 있다. 예를 들어, 이러한 상은 본원에 개시된 바와 같은 벌키 유기 양이온을 포함하여 페로브스카이트 물질의 결정 격자 표면 (예를 들어, 표면 또는 결정립 경계)의 50 나노미터 내에 존재할 수 있다.
1-부틸 암모늄 이온의 탄소 "테일"은, 효과적으로 다른 분자를 표면으로부터 멀리 유지함으로써 페로브스카이트의 표면에 대한 보호 특성을 제공할 수 있다. 일부 실시양태에서, 1-부틸 암모늄 이온의 알킬 기 "테일"은 페로브스카이트 물질의 표면으로부터 멀리 또는 그에 평행하게 배향될 수 있다. 특히, 1-부틸암모늄 "테일"은 소수성 특성을 갖고, 이는 물 분자가 페로브스카이트의 표면에 접촉하는 것을 막고 페로브스카이트 물질의 표면(2010)을 환경 내의 물로부터 보호한다. 추가로, 1-부틸암모늄 양이온은 또한 페로브스카이트 물질(2010)에서의 표면 및 임의의 결정립 경계 또는 결함을 패시베이팅하도록 작용할 수 있다. 패시베이팅은 페로브스카이트 물질의 표면(2010) 또는 결정립 경계에서 전하 축적 또는 "트랩 상태"를 막는 전기적 특징을 지칭한다. 페로브스카이트 물질(2010)의 부분을 패시베이팅하도록 작용함으로써 1-부틸암모늄은 페로브스카이트 물질(2010)의 내외로의 개선된 전하 전달을 용이하게 하고 광활성 층의 전기적 특성을 개선시킬 수 있다.
일부 실시양태에서, 1-부틸암모늄 대신에, 또는 그와 조합되어 다른 유기 양이온이 적용될 수 있다. 페로브스카이트 물질의 표면에 대해 패시베이팅하도록 작용할 수 있는 다른 "벌키 유기" 유기 양이온의 예는 에틸암모늄, 프로필암모늄, n-부틸암모늄; 페릴렌 n-부틸아민-이미드; 부탄-1,4-디암모늄; 1-펜틸암모늄; 1-헥실암모늄; 폴리(비닐암모늄); 페닐에틸암모늄; 벤질암모늄; 3-페닐-1-프로필암모늄; 4-페닐-1-부틸암모늄; 1,3-디메틸부틸암모늄; 3,3-디메틸부틸암모늄; 1-헵틸암모늄; 1-옥틸암모늄; 1-노닐암모늄; 1-데실암모늄; 및 1-이코사닐 암모늄을 포함하나, 이에 제한되지는 않는다. 추가로, 양이온 종에 추가로 하나 이상의 헤테로원자를 함유하는 테일을 갖는 벌키 유기 양이온에서, 헤테로원자는 페로브스카이트 물질 결정 격자와 배위되거나, 그에 결합하거나, 그와 통합될 수 있다. 헤테로원자는, 질소, 황, 산소, 또는 인을 포함한, 수소 또는 탄소가 아닌 테일 내의 임의의 원자일 수 있다.
"벌키" 유기 양이온의 다른 예는 페로브스카이트 물질의 표면 "C-자리 내로 통합될 수 있는 암모늄 기, 포스포늄 기, 또는 다른 양이온성 기로 관능화된 하기 분자를 포함할 수 있다: 벤젠, 피리딘, 나프탈렌, 안트라센, 크산텐, 페난트렌, 테트라센 크리센, 테트라펜, 벤조[c]페난트렌, 트리페닐렌, 피렌, 페릴렌, 코라눌렌, 코로넨, 치환된 디카르복실 이미드, 아닐린, N-(2-아미노에틸)-2-이소인돌-1,3-디온, 2-(1-아미노에틸)나프탈렌, 2-트리페닐렌-O-에틸아민 에테르, 벤질아민, 벤질암모늄 염, N-n-부틸-N'-4-아미노부틸페릴렌-3,4,9,10-비스(디카르복스이미드), 1-(4-알킬페닐)메탄아민, 1-(4-알킬-2-페닐)에탄아민, 1-(4-알킬페닐)메탄아민, 1-(3-알킬-5-알킬페닐)메탄아민, 1-(3-알킬-5-알킬-2-페닐)에탄아민, 1-(4-알킬-2-페닐)에탄아민, 2-에틸아민-7-알킬-나프탈렌, 2-에틸아민-6-알킬-나프탈렌, 1-에틸아민-7-알킬-나프탈렌, 1-에틸아민-6-알킬-나프탈렌, 2-메틸아민-7-알킬-나프탈렌, 2-메틸아민-6-알킬-나프탈렌, 1-메틸아민-7-알킬-나프탈렌, 1-메틸아민-6-알킬-나프탈렌, N-n-아미노알킬-N'-4-아미노부틸페릴렌-3,4,9,10-비스(디카르복스이미드), 1-(3-부틸-5-메톡시부틸페닐)메탄아민, 1-(4-펜틸페닐)메탄아민, 1-[4-(2-메틸펜틸)-2-페닐]에탄아민, 1-(3-부틸-5-펜틸-2-페닐)에탄아민, 2-(5-[4-메틸펜틸]-2-나프틸)에탄아민, N-7-트리데실-N'-4-아미노부틸페릴렌-3,4,9,10-비스(디카르복스이미드), N-n-헵틸-N'-4-아미노부틸페릴렌-3,4,9,10-비스(디카르복스이미드), 2-(6-[3-메톡실프로필]-2-나프틸)에탄아민. 도 17-28은 특정 실시양태에 따른 이들 유기 분자의 구조의 예시를 제공한다. 도 17 및 18에 대하여, 각각의 "R-기", Rx는 H, R', Me, Et, Pr, Ph, Bz, F, Cl, Br, I, NO2, OR', NR'2, SCN, CN, N3, SR' 중 임의의 것일 수 있으며, 여기서 R'는 임의의 알킬, 알케닐, 또는 알키닐 사슬일 수 있다. 추가로, 예시된 Rx 기 중 적어도 하나는 (CH2)nEXy 또는 (CH2)nC(EXy)2일 수 있으며, 여기서 n 및 y = 0, 1, 2, 또는 그 초과이고, n 및 y는 동등하거나 그렇지 않을 수 있고, E는 C, Si, O, S, Se, Te, N, P, As 또는 B로 이루어진 군으로부터 선택되고, X는 할라이드 또는 슈도할라이드, 예컨대 F, Cl, Br, I, CN, SCN 또는 H이다. 또한, 도 19에 대하여, 예시된 분자는 각각의 예시된 아민, 예를 들어 벤질암모늄 염의 임의의 히드로할라이드를 포함할 수 있으며, 여기서 예시된 X 기는 F, Cl, Br, I, SCN, CN, 또는 임의의 다른 유사할라이드일 수 있다. 허용가능한 다른 비-할라이드 음이온은 하기를 포함할 수 있다: 니트레이트, 니트라이트, 카르복실레이트, 아세테이트, 아세토닐 아세토네이트, 포르메이트, 옥살레이트, 술페이트, 술파이트, 티오술페이트, 포스페이트, 테트라플루오로보레이트, 헥사플루오로포스페이트, 테트라(퍼플루오로페닐) 보레이트, 수소화물, 산화물, 과산화물, 수산화물, 질화물, 아르세네이트, 아르세나이트, 퍼클로레이트, 카르보네이트, 비카르보네이트, 크로메이트, 디크로메이트, 아이오데이트, 브로메이트, 클로레이트, 클로라이트, 하이포클로라이트, 하이포브로마이트, 시아니드, 시아네이트, 이소시아네이트, 풀미네이트, 티오시아네이트, 이소티오시아네이트, 아지드, 테트라카르보닐코발테이트, 카르바모일디시아노메타니드, 디시아노니트로소메타니드, 디시아나미드, 트리시아노메타니드, 아미드, 및 퍼망가네이트. 적합한 R 기는 또한 하기를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다: 수소, 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸 기 또는 그의 이성질체; 임의의 알칸, 알켄, 또는 알킨 CxHy (여기서 x = 1 - 20, y = 1 - 42), 시클릭, 분지쇄 또는 직쇄; 알킬 할라이드 CxHyXz (여기서 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 컴플렉스 (예를 들어, 피리딘, 피롤, 피롤리딘, 피페리딘, 테트라히드로퀴놀린); 임의의 황-함유 기 (예를 들어, 술폭시드, 티올, 알킬 황화물); 임의의 질소-함유 기 (니트록시드, 아민); 임의의 인 함유 기 (포스페이트); 임의의 붕소-함유 기 (예를 들어, 붕산); 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 -OCxHy (여기서 x = 0 - 20, y = 1 - 42) 기.
추가로, 일부 실시양태에서, 벌키 유기 양이온은 페로브스카이트 물질에서 결정립 경계 및 표면 결함을 패시베이팅할 수 있다. 도 7은 벌크 페로브스카이트 물질(3010)의 표면 및 결정립 경계(3015) 둘 다를 패시베이팅하는 1-부틸암모늄(3020)을 갖는 페로브스카이트 물질 층(3000)의 일례의 실시양태를 예시한다. 상기 기재된 바와 같은, 이들 이온의 알킬 테일은 또한, 물 및 다른 극성 종을 밀어내고 이러한 종이 페로브스카이트 물질의 표면에 도달하는 것을 저해하는 소수성 층을 형성할 수 있다. 도 7에서 볼 수 있는 바와 같이, 벌키 유기 양이온의 "테일"은 페로브스카이트 물질 층(3000)의 표면 또는 결정립 경계(3015)에 화학적으로 연결되지 (예를 들어, 공유 또는 이온 결합되지) 않을 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 임의의 벌키 유기 양이온의 "테일"은 벌키 유기 양이온의 비-이온성 탄소 구조를 지칭한다. 예를 들어, 1-부틸암모늄의 테일은 부틸 기이고, 벤질암모늄의 테일은 벤질 기이다.
벌키 유기 양이온의 테일은 또한 페로브스카이트 물질의 표면 또는 결정립 경계에 대하여 다른 배열을 가정할 수 있다. 일반적으로, 벌키 유기 양이온의 양이온성 "헤드"는 페로브스카이트 물질의 표면 또는 결정립 경계를 지나 50 나노미터 초과로 확산하지 않을 것이다. 테일은 페로브스카이트 물질과 약하게 상호작용하고 페로브스카이트 물질 결정 결정립 표면으로부터 멀리 배향될 수 있다. 테일은 페로브스카이트 물질 결정 결정립 표면과 분자간 상호작용 (예를 들어, 쌍극자-쌍극자 또는 수소 결합)을 가져서 테일이 페로브스카이트 물질 결정 결정립 표면을 향해 배향되는 구성을 형성할 수 있다. 일부 실시양태에서, 페로브스카이트 물질 중에 존재하는 일부 벌키 유기 양이온의 테일은 페로브스카이트 물질의 표면 또는 결정립 경계와 상호작용하지 않을 수 있고, 페로브스카이트 물질 중의 다른 벌키 유기 양이온의 테일은 페로브스카이트 물질의 표면 또는 결정립 경계와 상호작용할 수 있다. 테일은 페로브스카이트 물질 중에 존재하는 금속 원자 (예를 들어, Pb, Sn, Ge, In, Bi, Cu, Ag, Au)를 통해 페로브스카이트 물질 결정 결정립 표면과 공유적으로 (예를 들어, 배위 공유 결합) 상호작용할 수 있는 적어도 하나의 전자 고립 쌍을 갖는 헤테로원자 또는 음이온 (즉, 쯔비터이온)을 함유할 수 있다. 테일은 또한, (포름아미디늄 등의) 적어도 2개의 "C" 양이온 자리 상에서의 치환에 의해 페로브스카이트 물질 중으로 혼입될 수 있는 양이온 종, 예컨대 본원에 기재된 바와 같은 디암모늄 부탄을 포함할 수 있다. 양이온 종을 포함하는 테일은 또한 2D 페로브스카이트 물질의 2개 층을 브릿징하거나, 페로브스카이트 물질 결정 결정립 표면에 걸쳐 엎드려 놓이거나, 비-이온성 테일에 대하여 기재된 것과 유사한 방식으로 페로브스카이트 물질 결정 결정립 표면으로부터 멀리 배향될 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 이미다졸륨 양이온 등의 충분히 벌키한 테일을 갖는 벌키 유기 양이온은 페로브스카이트 물질 중으로 확산하지 않으면서 단순히 페로브스카이트 표면 또는 결정립 경계 상에 존재할 수 있다.
추가로, 다른 실시양태에서는, 길이 또는 크기가 다양한 테일 기를 갖는 벌키 유기 양이온을 페로브스카이트에 적용하여 페로브스카이트 물질 중의 결정립 경계 및 표면 결함을 패시베이팅할 수 있다. 도 8은 벌크 페로브스카이트 물질(4010)의 표면 및 결정립 경계(4015) 둘 다를 패시베이팅하는 1-부틸암모늄(4020), 1-노닐암모늄(4021), 1-헵틸암모늄(4022), 및 1-헥실 암모늄(4023)의 조합을 갖는 페로브스카이트 물질 층(4000)의 일례의 실시양태를 예시한다. 특정 실시양태에서는, 상기에서 확인된 알킬암모늄 화합물의 임의의 혼합물을 본원에 기재된 바와 같은 페로브스카이트 물질에 적용할 수 있다. 도 8은 벌크 페로브스카이트 물질(4010)의 표면 및 결정립 경계(4015) 둘 다를 패시베이팅하는 1-부틸암모늄(4020), 1-노닐암모늄(4021), 1-헵틸암모늄(4022), 및 1-헥실 암모늄(4023)의 조합을 갖는 페로브스카이트 물질 층(4000)의 일례의 실시양태를 예시한다. 특정 실시양태에서는, 상기에서 확인된 알킬암모늄 화합물의 임의의 혼합물을 본원에 기재된 바와 같은 페로브스카이트 물질에 적용할 수 있다. 일부 실시양태에서 벌키 유기 양이온은 벤질 기를 포함할 수 있다. 도 8a는 벌크 페로브스카이트 물질(4510)의 표면 및 결정립 경계(4515) 둘 다를 패시베이팅하는 벤질 기를 함유하는 다양한 벌키 유기 양이온을 갖는 페로브스카이트 물질 층(4500)의 일례의 실시양태를 예시한다.
상기 기재된 바와 같은 페로브스카이트 물질에 대한 1-부틸암모늄 표면 코팅의 첨가는 습한 환경에서 페로브스카이트의 고온 내구성을 증가시키는 것으로 나타났다. 도 9는 48일의 기간에 걸친 1-부틸암모늄 ("BAI") 표면 코팅을 갖는, 또한 갖지 않는 페로브스카이트 물질에서 얻은 이미지의 비교를 나타낸다. 두 페로브스카이트 물질 모두 동일한 조성을 가졌고, 55% 상대 습도에서 85℃의 온도를 갖는 환경에 48일 동안 노출되었다. 사진으로부터 볼 수 있는 바와 같이, 1-부틸암모늄 표면 코팅을 갖지 않는 페로브스카이트 물질은 환경으로의 노출 1일 후 색이 현저히 밝아지고, 이는 페로브스카이트 물질이 현저히 열화되었음을 나타낸다. 1-부틸암모늄 표면 코팅을 갖는 페로브스카이트 물질은 48일에 걸쳐 점진적인 색의 밝아짐을 나타내고, 48일 후 부분적으로 어둡게 남아있다. 이는 1-부틸암모늄 표면 코팅을 갖는 페로브스카이트 물질이 고온 환경으로의 연장된 노출 동안 1-부틸암모늄 표면 코팅이 없는 페로브스카이트 물질에 비해 더 강건함을 나타낸다.
도 10은 7일의 기간에 걸친 1-부틸암모늄 ("BAI") 표면 코팅을 갖는, 또한 갖지 않는 페로브스카이트 물질에서 얻은 이미지의 비교를 나타낸다. 두 페로브스카이트 물질 모두 동일한 조성을 가졌고, 0% 상대 습도에서 85℃의 온도를 갖는 환경에 7일 동안 노출되었다. 사진으로부터 볼 수 있는 바와 같이, 1-부틸암모늄 표면 코팅을 갖지 않는 페로브스카이트 물질은 환경으로의 노출 1일 후 색이 현저히 밝아지고, 이는 페로브스카이트 물질이 현저히 열화되었음을 나타낸다. 1-부틸암모늄 표면 코팅을 갖는 페로브스카이트 물질은 7일 후 매우 적은 색의 변화를 나타낸다. 이는 1-부틸암모늄 표면 코팅을 갖는 페로브스카이트 물질이 고온, 고습 환경으로의 연장된 노출 동안 완전히 붕괴되지 않았음을 나타낸다.
다른 실시양태에서는, 1-부틸암모늄에 대하여 상기 기재된 바와 같은 페로브스카이트 물질의 표면에 페릴렌 n-부틸아민-이미드를 적용할 수 있다. 도 11a-d는 본 개시내용에 따른 페로브스카이트 물질의 표면에 적용될 수 있는 다양한 페릴렌모노이미드 및 디이미드를 예시한다. 도 12는 표면 패시베이팅을 위한 알킬 암모늄 양이온의 첨가를 갖는 페로브스카이트 물질(2500)의 실시양태를 예시한다. 예시된 실시양태에서, 포름아미디늄 납 아이오다이드 (FAPbI3) 페로브스카이트 물질의 표면(2510)은 표면에 페릴렌 n-부틸아민-이미드(2520)를 갖는 것으로 나타나 있다. 도 6에 예시된 1-부틸암모늄과 같이, 페릴렌 n-부틸아민-이미드 이온의 탄소 "테일"은, 효과적으로 다른 분자를 표면으로부터 멀리 유지함으로써 페로브스카이트의 표면에 대한 보호 특성을 제공할 수 있다. 특히, 페릴렌 n-부틸아민-이미드 "테일"은 소수성 특성을 갖고, 이는 물 분자가 페로브스카이트의 표면에 접촉하는 것을 막고 페로브스카이트 물질의 표면(2510)을 환경 내의 물로부터 보호한다. 추가로, 페릴렌 n-부틸아민-이미드 양이온은 또한 페로브스카이트 물질(2510)에서의 표면 및 임의의 결정립 경계 또는 결함을 패시베이팅하도록 작용할 수 있다. 페로브스카이트 물질(2510)의 부분을 패시베이팅하도록 작용함으로써 페릴렌 n-부틸아민-이미드는 페로브스카이트 물질(2510)의 내외로의 개선된 전하 전달을 용이하게 하고 광활성 층의 전기적 특성을 개선시킬 수 있다.
페로브스카이트 물질 어닐링 전의 1-부틸암모늄 용액의 침착을 위한 일례의 방법을 하기에 기재한다.
먼저, 납 할라이드 전구체 잉크를 형성한다. 일정량의 납 할라이드를 제어된 분위기 환경 (예를 들어, 글로브-함유 포트홀을 갖는 제어된 분위기는 공기-무함유 환경에서의 물질 조작을 가능하게 함)에서 투명한 건조 용기 내에 모을 수 있다. 적합한 납 할라이드는 납 (II) 아이오다이드, 납 (II) 브로마이드, 납 (II) 클로라이드, 및 납 (II) 플루오라이드를 포함하나, 이에 제한되지는 않는다. 납 할라이드는 납 할라이드의 단일 종을 포함할 수 있거나, 또는 이는 정확한 비율로 납 할라이드 혼합물을 포함할 수 있다. 특정 실시양태에서, 납 할라이드 혼합물은 아이오다이드, 브로마이드, 클로라이드, 또는 플루오라이드의 0.001-100 mol%의 임의의 2원, 3원, 또는 4원 비율을 포함할 수 있다. 한 실시양태에서, 납 할라이드 혼합물은 납 (II) 클로라이드 및 납 (II) 아이오다이드를 약 10:90 mol:mol 비율로 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 mol:mol의 비율로 포함할 수 있다.
대안적으로, 납 할라이드 염과 함께 또는 그 대신에 다른 납 염 전구체를 사용하여 전구체 잉크를 형성할 수 있다. 적합한 전구체 염은 납 (II) 또는 납 (IV) 및 하기 음이온의 임의의 조합을 포함할 수 있다: 니트레이트, 니트라이트, 카르복실레이트, 아세테이트, 아세토닐 아세토네이트, 포르메이트, 옥살레이트, 술페이트, 술파이트, 티오술페이트, 포스페이트, 테트라플루오로보레이트, 헥사플루오로포스페이트, 테트라(퍼플루오로페닐) 보레이트, 수소화물, 산화물, 과산화물, 수산화물, 질화물, 아르세네이트, 아르세나이트, 퍼클로레이트, 카르보네이트, 비카르보네이트, 크로메이트, 디크로메이트, 아이오데이트, 브로메이트, 클로레이트, 클로라이트, 하이포클로라이트, 하이포브로마이트, 시아니드, 시아네이트, 이소시아네이트, 풀미네이트, 티오시아네이트, 이소티오시아네이트, 아지드, 테트라카르보닐코발테이트, 카르바모일디시아노메타니드, 디시아노니트로소메타니드, 디시아나미드, 트리시아노메타니드, 아미드, 및 퍼망가네이트.
전구체 잉크는 납 (II) 또는 납 (IV) 염을 상기 언급된 음이온의 염으로서 하기 금속 이온에 대하여 0 내지 100%의 몰비로 추가로 포함할 수 있다: Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Fe, Cd, Co, Ni, Cu, Ag, Au, Hg, Sn, Ge, Ga, In, Tl, Sb, Bi, Ti, Zn, Cd, Hg, 및 Zr.
이어서, 용매를 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, 알킬니트릴, 아릴니트릴, 아세토니트릴, 알콕시알콜, 알콕시에탄올, 2-메톡시에탄올, 글리콜, 프로필렌 글리콜, 에틸렌 글리콜 및 이들의 조합을 포함하나, 이에 제한되지는 않는다. 한 실시양태에서는, 납 고체를 건조 디메틸포름아미드 (DMF) 중에 용해시킨다. 납 고체를 약 20℃ 내지 약 150℃의 온도에서 용해시킬 수 있다. 일부 실시양태에서, 용매는 2-메톡시에탄올 및 아세토니트릴을 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 2-메톡시에탄올 및 아세토니트릴은 약 25:75 내지 약 75:25, 또는 적어도 25:75의 부피비로 첨가될 수 있다. 특정 실시양태에서, 용매는 부피 기준으로 약 1:100 내지 약 1:1, 또는 약 1:100 내지 약 1:5의 2-메톡시에탄올 및 아세토니트릴 대 DMF의 비를 포함할 수 있다. 특정 실시양태에서, 용매는 부피 기준으로 적어도 약 1:100의 2-메톡시에탄올 및 아세토니트릴 대 DMF의 비를 포함할 수 있다. 한 실시양태에서는, 납 고체를 약 85℃에서 용해시킨다. 납 고체를 용액을 형성하기 위해 필요한 기간 동안 용해시킬 수 있고, 이는 최대 약 72시간의 기간에 걸쳐 수행될 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 결정성 및 안정성에 영향을 줄 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)제 (예컨대 명세서에서 이전에 논의된 것들) 또는 이들의 조합을 추가로 포함할 수 있다. 한 실시양태에서는, 포름아미디늄 클로라이드를 납 할라이드 전구체 잉크에 첨가할 수 있다. 다른 실시양태에서는, 명세서에서 이전에 논의된 임의의 양이온의 할라이드가 사용될 수 있다. 일부 실시양태에서는, 예를 들어, 포름아미디늄 클로라이드 및 5-아미노 발레르산 히드로클로라이드의 조합을 포함한 첨가제의 조합을 납 할라이드 전구체 잉크에 첨가할 수 있다.
포름아미디늄 클로라이드 및/또는 5-아미노 발레르산 히드로클로라이드를 포함한 첨가제는 생성된 페로브스카이트 물질의 목적하는 특징에 따라 다양한 농도로 납 할라이드 전구체 잉크에 첨가될 수 있다. 한 실시양태에서, 첨가제는 약 1 nM 내지 약 1 M의 농도로 첨가될 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 첨가제는 약 1 μM 내지 약 1 M의 농도로 첨가될 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 첨가제는 약 1 μM 내지 약 1 mM의 농도로 첨가될 수 있다.
일부 실시양태에서는, 납 할라이드 전구체 잉크에 첨가되도록 1족 금속 할라이드 용액을 형성한다. 일정량의 1족 금속 할라이드를 제어된 분위기 환경에서 투명한 건조 용기 내에 모을 수 있다. 적합한 1족 금속 할라이드는 세슘 아이오다이드, 세슘 브로마이드, 세슘 클로라이드, 세슘 플루오라이드, 루비듐 아이오다이드, 루비듐 브로마이드, 루비듐 클로라이드, 루비듐 플루오라이드, 리튬 아이오다이드, 리튬 브로마이드, 리튬 클로라이드, 리튬 플루오라이드, 나트륨 아이오다이드, 나트륨 브로마이드, 나트륨 클로라이드, 나트륨 플루오라이드, 칼륨 아이오다이드, 칼륨 브로마이드, 칼륨 클로라이드, 칼륨 플루오라이드를 포함하나, 이에 제한되지는 않는다. 1족 금속 할라이드는 1족 금속 할라이드의 단일 종을 포함할 수 있거나, 또는 이는 정확한 비율로 1족 금속 할라이드 혼합물을 포함할 수 있다. 한 실시양태에서 1족 금속 할라이드는 세슘 아이오다이드를 포함할 수 있다. 또 다른 실시양태에서 1족 금속 할라이드는 루비듐 아이오다이드를 포함할 수 있다. 또 다른 실시양태에서 1족 금속 할라이드는 나트륨 아이오다이드를 포함할 수 있다. 또 다른 실시양태에서 1족 금속 할라이드는 칼륨 아이오다이드를 포함할 수 있다.
대안적으로, 1족 금속 할라이드 염과 함께 또는 그 대신에 다른 1족 금속 염 전구체를 사용하여 1족 금속 염 용액을 형성할 수 있다. 적합한 전구체 1족 금속 염은 1족 금속 및 하기 음이온의 임의의 조합을 포함할 수 있다: 니트레이트, 니트라이트, 카르복실레이트, 아세테이트, 포르메이트, 옥살레이트, 술페이트, 술파이트, 티오술페이트, 포스페이트, 테트라플루오로보레이트, 헥사플루오로포스페이트, 테트라(퍼플루오로페닐) 보레이트, 수소화물, 산화물, 과산화물, 수산화물, 질화물, 아르세네이트, 아르세나이트, 퍼클로레이트, 카르보네이트, 비카르보네이트, 크로메이트, 디크로메이트, 아이오데이트, 브로메이트, 클로레이트, 클로라이트, 하이포클로라이트, 하이포브로마이트, 시아니드, 시아네이트, 이소시아네이트, 풀미네이트, 티오시아네이트, 이소티오시아네이트, 아지드, 테트라카르보닐코발테이트, 카르바모일디시아노메타니드, 디시아노니트로소메타니드, 디시아나미드, 트리시아노메타니드, 아미드, 및 퍼망가네이트.
이어서, 용매를 용기에 첨가하여 1족 금속 할라이드 고체를 용해시켜 1족 금속 할라이드 용액을 형성할 수 있다. 적합한 용매는 건조 N-시클로헥실-2-피롤리돈, 알킬-2-피롤리돈, 디메틸포름아미드 (DMF), 디알킬포름아미드, 디메틸술폭시드 (DMSO), 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 테트라히드로푸란, 포름아미드, tert-부틸피리딘, 피리딘, 알킬피리딘, 피롤리딘, 클로로벤젠, 디클로로벤젠, 디클로로메탄, 클로로포름 및 이들의 조합을 포함하나, 이에 제한되지는 않는다. 한 실시양태에서는, 납 고체를 건조 디메틸술폭시드 (DMSO) 중에 용해시킨다. 1족 금속 할라이드 고체를 약 20℃ 내지 약 150℃의 온도에서 용해시킬 수 있다. 한 실시양태에서는, 1족 금속 할라이드 고체를 실온 (즉, 약 25℃)에서 용해시킨다. 1족 금속 할라이드 고체를 용액을 형성하기 위해 필요한 기간 동안 용해시킬 수 있고, 이는 최대 약 72시간의 기간에 걸쳐 수행될 수 있다. 생성된 용액은 1족 금속 할라이드 용액을 형성한다. 일부 실시양태에서, 1족 금속 할라이드 용액은 약 0.001M 내지 약 10M의 1족 금속 할라이드 농도를 가질 수 있다. 한 실시양태에서, 1족 금속 할라이드 용액은 약 1 M의 1족 금속 할라이드 농도를 갖는다. 일부 실시양태에서, 1족 금속 할라이드 용액은 아미노산 (예를 들어, 5-아미노발레르산, 히스티딘, 글리신, 리신), 아미노산 히드로할라이드 (예를 들어, 5-아미노 발레르산 히드로클로라이드), IFL 표면-개질 (SAM)제 (예컨대 명세서에서 이전에 논의된 것들) 또는 이들의 조합을 추가로 포함할 수 있다.
다음으로, 납 할라이드 용액 및 1족 금속 할라이드 용액을 혼합하여 박막 전구체 잉크를 형성한다. 납 할라이드 용액 및 1족 금속 할라이드 용액을, 생성된 박막 전구체 잉크가 납 할라이드의 몰 농도의 0% 내지 25%인 1족 금속 할라이드의 몰 농도를 갖도록 하는 비율로 혼합할 수 있다. 특정 실시양태에서, 박막 전구체 잉크는 납 할라이드의 몰 농도의 1%인 1족 금속 할라이드의 몰 농도를 가질 수 있다. 특정 실시양태에서, 박막 전구체 잉크는 납 할라이드의 몰 농도의 5%인 1족 금속 할라이드의 몰 농도를 가질 수 있다. 특정 실시양태에서, 박막 전구체 잉크는 납 할라이드의 몰 농도의 10%인 1족 금속 할라이드의 몰 농도를 가질 수 있다. 특정 실시양태에서, 박막 전구체 잉크는 납 할라이드의 몰 농도의 15%인 1족 금속 할라이드의 몰 농도를 가질 수 있다. 특정 실시양태에서, 박막 전구체 잉크는 납 할라이드의 몰 농도의 20%인 1족 금속 할라이드의 몰 농도를 가질 수 있다. 특정 실시양태에서, 박막 전구체 잉크는 납 할라이드의 몰 농도의 25%인 1족 금속 할라이드의 몰 농도를 가질 수 있다. 일부 실시양태에서는 납 할라이드 용액 및 1족 금속 할라이드 용액을 혼합 동안 또는 혼합 후에 교반하거나 휘저을 수 있다.
임의로, 특정 실시양태에서, 물을 납 할라이드 전구체 잉크에 첨가할 수 있다. 일부 실시양태에서, 용매는 2-메톡시에탄올 및 아세토니트릴을 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 2-메톡시에탄올 및 아세토니트릴은 약 25:75 내지 약 75:25, 또는 적어도 25:75의 부피비로 첨가될 수 있다. 특정 실시양태에서, 용매는 부피 기준으로 약 1:100 내지 약 1:1, 또는 약 1:100 내지 약 1:5의 2-메톡시에탄올 및 아세토니트릴 대 DMF의 비를 포함할 수 있다. 특정 실시양태에서, 용매는 부피 기준으로 적어도 약 1:100의 2-메톡시에탄올 및 아세토니트릴 대 DMF의 비를 포함할 수 있다. 설명으로, 또한 본 개시내용을 임의의 특정 이론 또는 메커니즘으로 제한하지 않으며, 물의 존재는 페로브스카이트 박막 결정질 성장에 영향을 준다. 통상적 상황 하에, 물은 공기로부터 증기로서 흡수될 수 있다. 그러나, 특정 농도로의 납 할라이드 전구체 잉크에 대한 물의 직접적 첨가를 통해 페로브스카이트 PV 결정성을 제어할 수 있다. 적합한 물은 증류수, 탈이온수, 또는 오염물 (미네랄 포함)을 실질적으로 갖지 않는 물의 임의의 다른 공급원을 포함한다. 광 I-V 스윕에 기초하면, 페로브스카이트 PV 광-전력 전환 효율은 완전 건조 장치에 비해 물의 첨가시 거의 3배일 수 있는 것으로 나타났다.
물은 생성된 페로브스카이트 물질의 목적하는 특징에 따라 다양한 농도로 납 할라이드 전구체 잉크에 첨가될 수 있다. 한 실시양태에서, 물은 약 1 nL/mL 내지 약 1 mL/mL의 농도로 첨가될 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 물은 약 1 μL/mL 내지 약 0.1 mL/mL의 농도로 첨가될 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 물은 약 1 μL/mL 내지 약 20 μL/mL의 농도로 첨가될 수 있다.
이어서, 납 할라이드 전구체 잉크 또는 박막 전구체 잉크를 목적하는 기판 상에 침착시킬 수 있다. 적합한 기판 층은 본 개시내용에서 이전에 확인된 기판 층 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 상기에 언급된 바와 같이, 납 할라이드 전구체 잉크 또는 박막 전구체 잉크는 드롭 캐스팅, 스핀 캐스팅, 블레이드 코팅, 슬롯-다이 인쇄, 스크린 인쇄, 또는 잉크-젯 인쇄를 포함하나 이에 제한되지는 않는 다양한 수단을 통해 침착될 수 있다. 특정 실시양태에서는, 납 할라이드 전구체 잉크 또는 박막 전구체 잉크를 약 500 rpm 내지 약 10,000 rpm의 속도로 약 5초 내지 약 600초의 기간 동안 기판 상으로 스핀-코팅할 수 있다. 한 실시양태에서는, 납 할라이드 전구체 잉크 또는 박막 전구체 잉크를 약 3000 rpm으로 약 30초 동안 기판 상으로 스핀-코팅할 수 있다. 일부 실시양태에서는, 전구체 잉크의 다중 후속 침착을 수행하여 박막 층을 형성할 수 있다. 납 할라이드 전구체 잉크 또는 박막 전구체 잉크를 약 0% 상대 습도 내지 약 50% 상대 습도의 습도 범위에서 주위 분위기에서 기판 상에 침착시킬 수 있다. 이어서, 납 할라이드 전구체 잉크 또는 박막 전구체 잉크를 실질적으로 물-무함유 분위기, 즉, 30% 미만 상대 습도에서 건조시켜 박막을 형성할 수 있다.
납 할라이드 전구체 또는 박막 전구체의 침착 후, 상기 기재된 바와 같은 벌키 유기 양이온 (예를 들어, 벤질암모늄, 페닐에틸암모늄, 에틸암모늄, 프로필암모늄, n-부틸암모늄; 부탄-1,4-디암모늄; 1-펜틸암모늄; 1-헥실암모늄; 폴리(비닐암모늄); 페닐에틸암모늄; 3-페닐-1-프로필암모늄; 4-페닐-1-부틸암모늄; 1,3-디메틸부틸암모늄; 3,3-디메틸부틸암모늄; 1-헵틸암모늄; 1-옥틸암모늄; 1-노닐암모늄; 1-데실암모늄; 1-이코사닐 암모늄; 또는 본원에 기재된 또는 도 17-28에 예시된 임의의 다른 벌키 양이온) 염 용액을 납 염 전구체 및 제2 염 전구체의 침착으로부터 형성된 박막에 적용할 수 있다. 벌키 유기 염은 상기 양이온 중 임의의 것의 할라이드, 니트레이트, 니트라이트, 카르복실레이트, 아세테이트, 아세토닐 아세토네이트, 포르메이트, 옥살레이트, 술페이트, 술파이트, 티오술페이트, 포스페이트, 테트라플루오로보레이트, 헥사플루오로포스페이트, 테트라(퍼플루오로페닐) 보레이트, 수소화물, 산화물, 과산화물, 수산화물, 질화물, 아르세네이트, 아르세나이트, 퍼클로레이트, 카르보네이트, 비카르보네이트, 크로메이트, 디크로메이트, 아이오데이트, 브로메이트, 클로레이트, 클로라이트, 하이포클로라이트, 하이포브로마이트, 시아니드, 시아네이트, 이소시아네이트, 풀미네이트, 티오시아네이트, 이소티오시아네이트, 아지드, 테트라카르보닐코발테이트, 카르바모일디시아노메타니드, 디시아노니트로소메타니드, 디시아나미드, 트리시아노메타니드, 아미드, 및/또는 퍼망가네이트 염을 포함할 수 있다. 벌키 유기 양이온 염 용액은, 벌키 유기 양이온 염을 용매, 예컨대 알콜, 건조 아세토니트릴, N-시클로헥실-2-피롤리돈, 알킬-2-피롤리돈, 디메틸포름아미드 (DMF), 디알킬포름아미드, 디메틸술폭시드 (DMSO), 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 테트라히드로푸란, 포름아미드, tert-부틸피리딘, 피리딘, 알킬피리딘, 피롤리딘, 클로로벤젠, 디클로로벤젠, 디클로로메탄, 클로로포름 및 이들의 조합 중에 용해시킴으로써 형성될 수 있다. 특정 실시양태에서는, 벌키 유기 양이온 염을 이소프로필 알콜 중에 용해시킬 수 있다. 특정 실시양태에서, 벌키 유기 양이온 염 용액은 0.0001 M 내지 1.0 M의 벌키 유기 양이온 염의 농도를 가질 수 있다. 다른 실시양태에서, 벌키 유기 양이온 염 용액은 0.01 M 내지 0.1 M의 벌키 유기 양이온 염의 농도를 가질 수 있다. 특정 실시양태에서, 벌키 유기 양이온 염 용액은 0.02 내지 0.05 M의 벌키 유기 양이온 염의 농도를 가질 수 있다. 특정 실시양태에서, 벌키 유기 양이온 염 용액은 대략 0.05 M의 벌키 유기 양이온 염의 농도를 가질 수 있다. 벌키 유기 양이온 염 용액을, 용액 침착에 대하여 본원에 기재된 임의의 방법에 의해 페로브스카이트 물질 전구체 박막 상에 침착시킬 수 있다. 이들 방법은 분무 코팅, 드롭 캐스팅, 스핀 캐스팅, 블레이드 코팅, 슬롯-다이 인쇄, 스크린 인쇄, 그라비어 인쇄, 또는 잉크-젯 인쇄를 포함할 수 있다. 한 실시양태에서, 벌키 유기 양이온 염은 1-부틸암모늄 아이오다이드일 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 벌키 유기 양이온 염은 벤질암모늄 아이오다이드일 수 있다. 또한 또 다른 실시양태에서, 벌키 유기 양이온 염은 페닐에틸암모늄 아이오다이드일 수 있다.
이어서, 박막을 약 20℃ 내지 약 300℃의 온도에서 최대 약 24시간의 기간 동안 열적으로 어닐링할 수 있다. 한 실시양태에서는, 박막을 약 50℃의 온도에서 약 10분 동안 열적으로 어닐링할 수 있다. 이어서, 전구체 필름을 용매, 또는 용매 (예를 들어, 아세토니트릴, DMF, 이소프로판올, 메탄올, 에탄올, 부탄올, 클로로포름 클로로벤젠, 디메틸술폭시드, 물) 및 염 (예를 들어, 메틸암모늄 아이오다이드, 포름아미디늄 아이오다이드, 구아니디늄 아이오다이드, 1,2,2-트리아미노비닐암모늄 아이오다이드, 5-아미노발레르산 히드로아이오다이드)의 혼합물을 0.001M 내지 10M의 농도로 포함하는 용액으로 침수시키거나 헹구는 전환 프로세스에 의해 페로브스카이트 물질 활성 층을 완성시킬 수 있다. 특정 실시양태에서는, 박막을 또한 이 단락의 제1 라인에서와 동일한 방식으로 열적으로 후-어닐링할 수 있다.
박막을 침착시키고, 또한 일부 실시양태에서, 어닐링한 후, 제2 염 전구체 (예를 들어, 포름아미디늄 아이오다이드, 포름아미디늄 티오시아네이트, 또는 구아니디늄 티오시아네이트)를 납 염 박막 상으로 침착시킬 수 있으며, 여기서 박막은 주위 온도와 대략 동등한 온도를 갖거나 0℃ 내지 500℃의 제어된 온도를 가질 수 있다. 제2 염 전구체를 주위 온도 또는 약 25℃ 내지 125℃의 승온에서 침착시킬 수 있다. 제2 염 전구체를, 스핀-코팅, 블레이드-코팅, 슬롯-다이 인쇄, 잉크-젯 인쇄, 그라비어 인쇄, 스크린 인쇄, 스퍼터링, PE-CVD, 열 증발, 또는 분무 코팅을 포함하나 이에 제한되지는 않는 관련 기술분야에 공지된 다양한 방법에 의해 침착시킬 수 있다. 일부 실시양태에서는, 제2 염 용액의 다중 후속 침착을 수행하여 박막 층을 형성할 수 있다. 일부 실시양태에서 제2 염 전구체는 1종 이상의 용매를 함유하는 용액일 수 있다. 예를 들어, 제2 염 전구체는 건조 아세토니트릴, 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 이들의 조합 중 하나 이상을 함유할 수 있다.
일부 실시양태에서는, 본원에 기재된 바와 같은 임의의 벌키 유기 양이온 염을 제2 염 용액의 침착 전에 제2 염 용액과 조합할 수 있다. 특정 실시양태에서는, 벌키 유기 양이온 염 용액을 상기 기재된 바와 같이 제조하고, 제2 염 용액의 침착 전에 제2 염 용액과 혼합할 수 있다. 예를 들어, 벌키 유기 양이온 염 용액은 0.0001 M 내지 1.0 M의 벌키 유기 양이온 염의 농도를 가질 수 있다. 다른 실시양태에서, 벌키 유기 양이온 염 용액은 0.01 M 내지 0.1 M의 벌키 유기 양이온 염의 농도를 가질 수 있다. 특정 실시양태에서, 벌키 유기 양이온 염 용액은 0.02 내지 0.05 M의 벌키 유기 양이온 염의 농도를 가질 수 있다. 특정 실시양태에서, 벌키 유기 양이온 염 용액은 대략 0.05 M의 벌키 유기 양이온 염의 농도를 가질 수 있다. 다른 실시양태에서는, 벌키 유기 양이온 염 용액을, 납 할라이드 전구체 잉크 또는 박막 전구체 잉크의 침착 후에 형성된 납 할라이드 박막 상으로 침착시킬 수 있다. 또 다른 실시양태에서는, 벌키 유기 양이온 염 용액을 제2 염 용액의 침착 후에 페로브스카이트 전구체 박막 상으로 침착시킬 수 있다.
마지막으로, 페로브스카이트 물질 전구체 박막을 갖는 기판을 어닐링할 수 있다. 기판의 어닐링은 납 염 전구체 및 제2 염 전구체를, 벌키 유기 양이온의 표면 패시베이팅 층을 갖는, 페로브스카이트 물질, (예를 들어, FAPbI3, GAPb(SCN)3, FASnI3)로 전환시킬 수 있다. 어닐링은 주위 압력 (예를 들어, 고도 및 대기 조건에 따라, 약 1 기압 (760 Torr)) 또는 대기압 또는 주위 압력 미만의 압력 (예를 들어, 1 mTorr 내지 500 mTorr)에서 다양한 분위기에서 수행될 수 있다. 어닐링 분위기는 주위 공기, 제어된 습도 환경 (예를 들어, 0 - 100 g H2O/m3 기체), 순수 아르곤, 순수 질소, 순수 산소, 순수 수소, 순수 헬륨, 순수 네온, 순수 크립톤, 순수 CO2 또는 상기 기체의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 제어된 습도 환경은, 절대 습도 또는 % 상대 습도가 고정된 값으로 유지되는, 또는 절대 습도 또는 % 상대 습도가 미리 정해진 세트 포인트 또는 미리 정해진 기능에 따라 달라지는 환경을 포함할 수 있다. 특정 실시양태에서, 어닐링은 0% 이상 50% 이하의 % 상대 습도를 갖는 제어된 습도 환경에서 일어날 수 있다. 다른 실시양태에서, 어닐링은 0 g H2O/m3 기체 이상 20 g H2O/m3 기체 이하를 함유하는 제어된 습도 환경에서 일어날 수 있다. 일부 실시양태에서, 어닐링은 50℃ 이상 300℃ 이하의 온도에서 일어날 수 있다.
예를 들어, 특정 실시양태에서, FAPbI3 페로브스카이트 물질은 하기 프로세스에 의해 형성될 수 있다. 먼저 무수 DMF 중에 용해된 PbI2 대 PbCl2의 약 90:10 몰비를 포함하는 납 (II) 할라이드 전구체를 스핀-코팅, 블레이드 코팅, 또는 슬롯-다이 인쇄에 의해 기판 상으로 침착시킬 수 있다. 납 할라이드 전구체 잉크를 실질적으로 물-무함유 분위기, 즉, 30% 미만 상대 습도 또는 17 g H2O/m3에서 대략 1시간 (± 15분) 동안 건조시켜 박막을 형성할 수 있다. 이어서, 박막을 약 50℃ (± 10℃)의 온도에서 약 10분 동안 열적으로 어닐링할 수 있다. 다른 실시양태에서는, 납 할라이드 전구체를 잉크-젯 인쇄, 그라비어 인쇄, 스크린 인쇄, 블레이드 코팅, 스퍼터링, PE-CVD, 원자-층 침착, 열 증발, 또는 분무 코팅에 의해 침착시킬 수 있다. 다음으로, 무수 이소프로필 알콜 중의 0.05 M의 농도를 갖는 1-부틸암모늄 염 용액을 납 할라이드 박막 상으로 침착시킬 수 있다. 다음으로, 무수 이소프로필 알콜 중에 용해된 15 - 100 mg/mL 농도의 포름아미디늄 아이오다이드를 포함하는 포름아미디늄 아이오다이드 전구체를 스핀 코팅 또는 블레이드 코팅에 의해 납 할라이드 박막 상으로 침착시킬 수 있다. 다른 실시양태에서는, 포름아미디늄 아이오다이드 전구체를 잉크-젯 인쇄, 그라비어 인쇄, 스크린 인쇄, 슬롯-다이 인쇄, 스퍼터링, PE-CVD, 원자-층 침착, 열 증발, 또는 분무 코팅에 의해 침착시킬 수 있다. 다음으로, 기판을 약 25% 상대 습도 (약 4 내지 7 g H2O/m3 기체) 및 약 100℃ 내지 200℃에서 어닐링하여 1-부틸암모늄의 표면 층을 갖는 포름아미디늄 납 아이오다이드 (FAPbI3) 페로브스카이트 물질을 형성할 수 있다. 대안적 실시양태에서는, 1-부틸암모늄 염 용액을 포름아미디늄 아이오다이드 전구체의 침착 후에 형성된 박막 상으로 침착시킬 수 있다. 또 다른 실시양태에서는, 1-부틸암모늄 염 용액을 납 할라이드 전구체 잉크의 침착 전에 납 할라이드 전구체 잉크와 조합할 수 있다. 또한 또 다른 실시양태에서는, 1-부틸암모늄 염 용액을 포름아미디늄 아이오다이드 전구체의 침착 전에 포름아미디늄 아이오다이드 전구체와 조합할 수 있다. 또한 또 다른 실시양태에서는, 1-부틸암모늄 염 용액을 포름아미디늄 아이오다이드 전구체의 침착 후 및 박막 및 기판의 어닐링 전에 박막 상으로 침착시킬 수 있다. 또한 또 다른 실시양태에서는, 1-부틸암모늄 염 용액을 박막 및 기판의 어닐링 후 박막 상으로 침착시킬 수 있다.
다른 실시양태에서, 납 (II) 아이오다이드 용액, 세슘 아이오다이드 용액, 메틸암모늄 (MA) 아이오다이드 염 용액, 및 1-부틸암모늄 염 용액으로의 상기 기재된 프로세스의 사용은 1-부틸암모늄의 표면 층을 갖는 CsiMA1-iPbI3의 화학식을 갖는 페로브스카이트 물질을 형성할 수 있으며, 여기서 i는 0 내지 1의 수이다. 또 다른 예로, 납 (II) 아이오다이드 용액, 루비듐 아이오다이드 용액, 포름아미디늄 (FA) 아이오다이드 염 용액, 및 1-부틸암모늄 염 용액의 사용은 1-부틸암모늄 층의 표면 층을 갖는 RbiFA1-iPbI3의 화학식을 갖는 페로브스카이트 물질을 형성할 수 있으며, 여기서 i는 0 내지 1의 수이다. 또 다른 예로, 납 (II) 아이오다이드 용액, 세슘 아이오다이드 용액, 포름아미디늄 (FA) 아이오다이드 염 용액, 및 1-부틸암모늄 염 용액으로의 상기 기재된 프로세스의 사용은 1-부틸암모늄 층의 표면 층을 갖는 CsiFA1-iPbI3의 화학식을 갖는 페로브스카이트 물질을 형성할 수 있으며, 여기서 i는 0 내지 1의 수이다. 또 다른 예로, 납 (II) 아이오다이드 용액, 칼륨 아이오다이드 용액, 포름아미디늄 (FA) 아이오다이드 염 용액, 및 1-부틸암모늄 염 용액의 사용은 1-부틸암모늄 층의 표면 층을 갖는 KiFA1-iPbI3의 화학식을 갖는 페로브스카이트 물질을 형성할 수 있으며, 여기서 i는 0 내지 1의 수이다. 또 다른 예로, 납 (II) 아이오다이드 용액, 나트륨 아이오다이드 용액, 포름아미디늄 (FA) 아이오다이드 염 용액, 및 1-부틸암모늄 염 용액의 사용은 1-부틸암모늄 층의 표면 층을 갖는 NaiFA1-iPbI3의 화학식을 갖는 페로브스카이트 물질을 형성할 수 있으며, 여기서 i는 0 내지 1의 수이다. 또 다른 예로, 납 (II) 아이오다이드-납 (II) 클로라이드 혼합물 용액, 세슘 아이오다이드 용액, 포름아미디늄 (FA) 아이오다이드 염 용액, 및 1-부틸암모늄 염 용액의 사용은 1-부틸암모늄 층의 표면 층을 갖는 CsiFA1-iPbI3-yCly의 화학식을 갖는 페로브스카이트 물질을 형성할 수 있으며, 여기서 i는 0 내지 1의 수이고, y는 0 내지 3의 수를 나타낸다.
또 다른 실시양태에서, FAPbI3 페로브스카이트 물질은 하기 프로세스에 의해 형성될 수 있다. 먼저 무수 DMF 중에 용해된 PbI2 대 PbCl2의 약 90:10 몰비를 포함하는 납 (II) 할라이드 전구체 잉크를 스핀-코팅, 블레이드 코팅, 또는 슬롯-다이 인쇄에 의해 기판 상으로 침착시킬 수 있다. 납 할라이드 전구체 잉크를 실질적으로 물-무함유 분위기, 즉, 30% 미만의 상대 습도 또는 17 g H2O/m3에서 대략 1시간 (± 15분) 동안 건조시켜 박막을 형성할 수 있다. 이어서, 박막을 약 50℃ (± 10℃)의 온도에서 약 10분 동안 열적으로 어닐링할 수 있다. 다른 실시양태에서는, 납 할라이드 전구체를 잉크-젯 인쇄, 그라비어 인쇄, 스크린 인쇄, 스퍼터링, PE-CVD, 원자-층 침착, 블레이드 코팅, 열 증발, 또는 분무 코팅에 의해 침착시킬 수 있다. 다음으로, 무수 이소프로필 알콜 중에 용해된 15 - 60 mg/mL 농도의 포름아미디늄 아이오다이드를 포함하는 포름아미디늄 아이오다이드 전구체를 스핀 코팅 또는 블레이드 코팅에 의해 납 할라이드 박막 상으로 침착시킬 수 있다. 다른 실시양태에서는, 포름아미디늄 아이오다이드 전구체를 잉크-젯 인쇄, 그라비어 인쇄, 스크린 인쇄, 슬롯-다이 인쇄, 스퍼터링, PE-CVD, 원자-층 침착, 열 증발, 또는 분무 코팅에 의해 침착시킬 수 있다. 납 할라이드 전구체 및 포름아미디늄 아이오다이드 전구체의 침착 후, 이소프로필 알콜 중의 0.04 M의 농도를 갖는 벤질암모늄 염 용액을 페로브스카이트 물질 전구체 박막 상으로 침착시킬 수 있다. 다음으로, 기판을 약 25% 상대 습도 (약 4 내지 7 g H2O/m3 기체) 및 약 100℃ 내지 200℃에서 어닐링하여 벤질암모늄의 표면 층을 갖는 포름아미디늄 납 아이오다이드 (FAPbI3) 페로브스카이트 물질을 형성할 수 있다. 특정 실시양태에서는, 벤질암모늄 염 용액을 포름아미디늄 아이오다이드 전구체의 침착 전에 납 할라이드 박막 상으로 침착시킬 수 있다. 또 다른 실시양태에서는, 벤질암모늄 염 용액을 납 할라이드 전구체 잉크의 침착 전에 납 할라이드 전구체 잉크와 조합할 수 있다. 또한 또 다른 실시양태에서는, 벤질암모늄 염 용액을 포름아미디늄 아이오다이드 전구체의 침착 전에 포름아미디늄 아이오다이드 전구체와 조합할 수 있다. 일부 실시양태에서, 생성된 페로브스카이트 물질은 표면으로부터 멀리 벌크 물질 중에서 입방체 결정 구조를 가질 수 있다. 페로브스카이트 물질의 표면 근처의 벌키 유기 양이온의 존재는 페로브스카이트 물질의 표면 근처의 비-입방체 결정 구조를 형성할 수 있다.
다른 실시양태에서, 납 (II) 아이오다이드 용액, 세슘 아이오다이드 용액, 메틸암모늄 (MA) 아이오다이드 염 용액, 및 1-부틸암모늄 염 용액으로의 상기 기재된 프로세스의 사용은 벤질암모늄의 표면 층을 갖는 CsiMA1-iPbI3의 화학식을 갖는 페로브스카이트 물질을 형성할 수 있으며, 여기서 i는 0 내지 1의 수이다. 또 다른 예로, 납 (II) 아이오다이드 용액, 루비듐 아이오다이드 용액, 포름아미디늄 (FA) 아이오다이드 염 용액, 및 벤질암모늄 염 용액으로의 상기 기재된 프로세스의 사용은 벤질암모늄 층의 표면 층을 갖는 RbiFA1-iPbI3의 화학식을 갖는 페로브스카이트 물질을 형성할 수 있으며, 여기서 i는 0 내지 1의 수이다. 또 다른 예로, 납 (II) 아이오다이드 용액, 세슘 아이오다이드 용액, 포름아미디늄 (FA) 아이오다이드 염 용액, 및 벤질암모늄 염 용액으로의 상기 기재된 프로세스의 사용은 벤질암모늄 층의 표면 층을 갖는 CsiFA1-iPbI3의 화학식을 갖는 페로브스카이트 물질을 형성할 수 있으며, 여기서 i는 0 내지 1의 수이다. 또 다른 예로, 납 (II) 아이오다이드 용액, 칼륨 아이오다이드 용액, 포름아미디늄 (FA) 아이오다이드 염 용액, 및 벤질암모늄 염 용액으로의 상기 기재된 프로세스의 사용은 벤질암모늄 층의 표면 층을 갖는 KiFA1-iPbI3의 화학식을 갖는 페로브스카이트 물질을 형성할 수 있으며, 여기서 i는 0 내지 1의 수이다. 또 다른 예로, 납 (II) 아이오다이드 용액, 나트륨 아이오다이드 용액, 포름아미디늄 (FA) 아이오다이드 염 용액, 및 벤질암모늄 염 용액으로의 상기 기재된 프로세스의 사용은 벤질암모늄의 표면 층을 갖는 NaiFA1-i PbI3의 화학식을 갖는 페로브스카이트 물질을 형성할 수 있으며, 여기서 i는 0 내지 1의 수이다. 또 다른 예로, 납 (II) 아이오다이드-납 (II) 클로라이드 혼합물 용액, 세슘 아이오다이드 용액, 포름아미디늄 (FA) 아이오다이드 염 용액, 및 벤질암모늄 염 용액으로의 상기 기재된 프로세스의 사용은 벤질암모늄 층의 표면 층을 갖는 CsiFA1-iPbI3-yCly의 화학식을 갖는 페로브스카이트 물질을 형성할 수 있으며, 여기서 i는 0 내지 1의 수이고, y는 0 내지 3의 수를 나타낸다.
벤질암모늄으로의 페로브스카이트 물질의 생성 방법을 하기에 기재한다. 먼저, PbI2, PbCl2, 및 세슘 아이오다이드 (CsI)를 DMF 및 DMSO 용매의 혼합물 중에 용해시킴으로써 납 아이오다이드 전구체 잉크를 제조한다. 납 아이오다이드 전구체를 제조하기 위해, CsI를 DMSO 중에 용해시킴으로써 1.5 M CsI/DMSO 용액을 제조한다. CsI/DMSO 용액은, 특정 실시양태에서, CsI를 실온에서 1시간 내지 2.5시간 동안 무수 DMSO 1.0 mL 당 CsI 1.5 mmol의 비율로 DMSO 중으로 교반투입함으로써 제조될 수 있다. 다음으로, 상기 언급된 CsI 용액을 PbI2, PbCl2, 및 무수 DMF 용매의 용액에 첨가하여 1.28 M Pb2+ 용액을 형성하고, 여기서 Cs 대 Pb의 비율은 1:10이고 I 대 Cl의 비율은 9:1이다. 특정 실시양태에서, 1.28 M Pb2+ 용액은, 각각 93.8 μL의 CsI 용액에 대해 1.26 mmol의 PbI2, 0.14 mmol의 PbCl2, 및 1.0 mL의 무수 DMF 용매를 함유하는 용기에 CsI 용액을 첨가함으로써 제조될 수 있다. Pb2+ 용액을 50℃ 내지 100℃의 온도에서 1.5시간 내지 2.5시간 동안 혼합한 후 냉각시켜 납 아이오다이드 전구체 잉크를 형성할 수 있다. 특정 실시양태에서는, Pb2+ 용액을 85℃에서 2시간 동안 교반한 후, 용액을 실온 환경에서 1시간 동안 교반함으로써 냉각시킬 수 있다. 일부 실시양태에서는, 납 아이오다이드 전구체 잉크를 납 아이오다이드 전구체 잉크의 침착 전에 여과할 수 있다. 특정 실시양태에서는, 0.2 μm 필터를 사용하여 납 아이오다이드 전구체 잉크를 여과할 수 있다.
포름아미디늄 아이오다이드 (FAI) 및 벤질암모늄 아이오다이드 (BzAI) 용액은, FAI 및 BzAI 염을 무수 이소프로판올 (IPA) 중에 용해시켜 각각 0.2 M FAI 용액 및 0.05 M BzAI 용액을 형성함으로써 제조된다. 특정 실시양태에서는, FAI 및 BzAI 용액 둘 다를 다음 코팅 프로세스 동안 75℃에서 유지할 수 있다.
다음으로, 납 아이오다이드 전구체 잉크를 기판 상으로 침착시키고, 이어서 어닐링하여 납 아이오다이드 필름을 형성한다. 특정 실시양태에서, 45℃에서 유지된 납 아이오다이드 전구체 잉크를 니켈 산화물 (NiO) 박막 층으로 코팅된 기판 상으로 블레이드-코팅하고, 이어서 50℃에서 10분 동안 어닐링하여 납 아이오다이드 필름을 형성할 수 있다.
다음으로, 페로브스카이트 물질 층을 형성하기 위해, 납 아이오다이드 필름을 먼저 BzAI 용액의 1개 코트, 그 후 FAI 용액의 3개 코트로 언더워싱한다. BzAI 용액 및 FAI 용액의 코트 각각의 침착 후, 코트를 다음 코팅의 침착 전에 건조시킨다. 특정 실시양태에서는, BzAI 및 FAI 용액 둘 다를 각각의 코트의 침착 동안 45℃에서 유지할 수 있다. 제3 FAI 코트가 침착된 후, 기판 및 코팅을 어닐링하여 페로브스카이트 물질 층을 형성할 수 있다. 특정 실시양태에서는, 제3 FAI가 침착된 후, 기판을 즉시 5분 동안 157℃로 가열하여 페로브스카이트 물질 층을 어닐링한다.
상기 방법은 여러 이점을 가질 수 있다. 예를 들어, FAI 용액의 침착 전의 납 아이오다이드 필름 상으로의 BzAI 용액의 침착은 2D 페로브스카이트 물질의 형성에 의해 3D FAPbI3 페로브스카이트 물질의 성장을 위한 중간 템플레이팅을 제공할 수 있다. BzAI는 납 아이오다이드 박막과 반응하여 중간 2D 페로브스카이트 물질 상을 형성할 수 있다. FAI 용액의 침착 후 FAI와의 반응에 따라, 2D 상 내의 BzA+ 양이온은 FA+ 양이온으로 완전히 또는 부분적으로 대체되어 3D FAPbI3 프레임워크를 형성할 수 있다. 추가로, BzAI는 또한 3D FAPbI3 페로브스카이트 물질 중의 결정 결함을 패시베이팅할 수 있다. 상기 기재된 프로세스에 의해 형성된 FAPbI3 박막의 광발광 강도는 BzAI를 포함하지 않는 프로세스에 의해 형성된 FAPbI3 박막의 것에 비해 더 밝다 (더 높다). 도 31은 BzAI의 첨가 없이 생성된 페로브스카이트 물질 광기전력 장치(3105) 및 본원에 기재된 바와 같은 BzAI를 사용하여 생성된 페로브스카이트 물질 광기전력 장치(3110)의 광학 (흡광도) 및 광발광 이미지 둘 다를 예시한다. 도 31은 페로브스카이트 물질 광기전력 장치(3105)에 비해 페로브스카이트 물질 광기전력 장치(3110)의 광학 이미지가 더 어둡고 (더 높은 광 흡광도를 나타냄) 페로브스카이트 물질 광기전력 장치(3110)의 광발광 이미지가 더 밝음을 나타낸다. 추가로, 전력 출력은 BzAI를 혼입시킨 페로브스카이트 물질 광기전력 장치에서 더 큰 것으로 나타났다. 도 32는 BzAI가 없는 광기전력 장치, 예컨대 광기전력 장치(3105)에 상응하는 전력 출력 곡선(3205), 및 본원에 기재된 바와 같은 BzAI를 갖는 광기전력 장치, 예컨대 광기전력 장치(3110)에 상응하는 전력 출력 곡선(3210)을 예시한다. 도 32에 도시된 전력 출력 측정은 정상-상태 수행을 입증하기 위해 30초 암(dark) 측정을 개재시켜 180초 동안 100 mW/cm2 AM1.5G 조명 하에 최대 전력 포인트에서 측정하였다. 도 32로부터 볼 수 있는 바와 같이, 생성 동안 BzAI를 혼입시킨 광기전력 장치는, BzAI 없이 생성된 광기전력 장치에 비해 (15.0 mW/cm2, 770 mV, 및 19.5 mA/cm2), 단위 면적 당 더 많은 전력 (16.0 mW/cm2), 더 많은 전압 (785 mV), 및 단위 면적 당 더 많은 전류 (20.3 mA/cm2)를 생성한다. 도 33은 샘플 "5r" 라인으로서 라벨링된 BzAI 없이 생성된 페로브스카이트 물질 광기전력 장치, 및 샘플 "10r" 라인으로서 라벨링된 BzAI를 사용하여 생성된 페로브스카이트 물질 광기전력 장치의 전류-전압 (I-V) 스캔(3320)을 예시한다. 도 33으로부터 볼 수 있는 바와 같이, BzAI를 사용하여 생성된 페로브스카이트 물질 광기전력 장치는 BzAI 없이 생성된 페로브스카이트 물질 광기전력 장치에 비해 바이어스 전압에 걸쳐 보다 큰 전류를 생성한다. 추가로, 도 34는 BzAI 없이 생성된 6개의 페로브스카이트 물질 광기전력 장치 (샘플 5, r = 역 스캔, f = 정방향 스캔, 및 s = 정상-상태 측정) 및 BzAI를 사용하여 생성된 6개의 페로브스카이트 물질 광기전력 장치 (샘플 10)에 대한 개회로 전압 (Voc), 단락 전류 밀도 (Jsc), 충전 인자 (FF) 및 전력 전환 효율 (PCE)의 박스 플롯을 나타낸다. 도 35는 BzAI 없이 생성된 6개의 페로브스카이트 물질 광기전력 장치 (플롯(3505)) 및 BzAI를 사용하여 생성된 6개의 페로브스카이트 물질 광기전력 장치 (플롯(3510))의 외부 양자 효율 (EQE)을 예시한다. 도 35의 각각의 EQE 곡선을 적분하여 mA/cm2 단위의 Jsc를 추정하였고, 이는 BzAI를 사용하여 생성된 페로브스카이트 물질 장치가 BzAI 없이 생성된 페로브스카이트 물질 장치에 비해 더 높은 Jsc (EQE 곡선 하 면적)를 나타냄을 보여준다. 마지막으로, 도 36은 BzAI 없이 생성된 페로브스카이트 물질 광기전력 장치에 대한 어드미턴스 분광법 플롯(3605) 및 BzAI를 사용하여 생성된 페로브스카이트 물질 광기전력 장치에 대한 어드미턴스 분광법 플롯(3610)을 나타낸다. 어드미턴스 분광법 플롯(3610)은, 벤질암모늄을 포함하지 않는 샘플 장치에 대한 어드미턴스 분광법 플롯(3605)과 비교시 벤질암모늄을 포함하는 샘플 장치의 경우 억제된 이온 이동을 나타낸다. 과도한 이온 이동은 페로브스카이트 물질 장치 성능 및 내구성에 대하여 해로운 영향을 주는 것으로 공지되어 있고, 이는 페로브스카이트 물질 광기전력 장치 내의 벤질암모늄의 포함이 장치 성능 및 내구성을 증가시킬 있음을 나타낸다.
디암모늄 부탄 양이온 향상된 페로브스카이트
페로브스카이트 물질의 결정 구조 내로의, 하기에 기재되는 바와 같은 1,4-디암모늄 부탄, 또는 다른 폴리-암모늄 유기 화합물의 혼입은 그 물질의 특성을 개선시킬 수 있다. 한 실시양태에서, 하기에 기재되는 바와 같은 FAPbI3 페로브스카이트 내로의 1,4-디암모늄 부탄의 첨가는 유리한 특성을 갖는 페로브스카이트 물질을 제공할 수 있다. 일부 실시양태에서는, 상기 기재된 프로세스에서 벌키 유기 양이온 염 대신에 1,4-디암모늄 부탄 염을 활용하여 1,4-디암모늄 부탄을 페로브스카이트 물질 중으로 혼입할 수 있고, 1,4-디암모늄 부탄 염 (또는 본원에 기재된 다른 유기 폴리암모늄 염)의 첨가는 벌키 유기 양이온 염의 첨가가 기재된 페로브스카이트 생성 방법의 임의의 스테이지에서 일어날 수 있다. 페로브스카이트 물질의 결정 구조 내로의 유기 양이온, 예컨대 1,4-디암모늄 부탄의 포함은 본원에 개시된 페로브스카이트 물질의 "이상적" 화학량론으로부터 벗어난 페로브스카이트 물질의 화학식을 형성할 수 있다. 예를 들어, 이러한 유기 양이온의 포함은 페로브스카이트 물질이 본원에 기재된 FAPbI3 화학식에 대하여 화학량론 미만 또는 화학량론 초과인 화학식을 갖게 할 수 있다. 이 경우, 페로브스카이트 물질에 대한 화학식은 CxMyXz로서 표현될 수 있으며, 여기서 x, y 및 z는 실수이다.
한 실시양태에서는, 1,4-디암모늄 부탄 염 용액을 침착 전에 납 할라이드 전구체 잉크 용액에 첨가할 수 있다. 특정 실시양태에서는, 1,4-디암모늄 부탄 염을 0.001 mol% 내지 50 mol%의 농도로 납 할라이드 전구체 잉크 용액에 첨가할 수 있다. 일부 실시양태에서는, 1,4-디암모늄 부탄 염을 0.1 mol% 내지 20 mol%의 농도로 납 할라이드 전구체 잉크 용액에 첨가할 수 있다. 특정 실시양태에서는, 1,4-디암모늄 부탄 염을 1 mol% 내지 10 mol%의 농도로 납 할라이드 전구체 잉크 용액에 첨가할 수 있다.
또 다른 실시양태에서는, 포름아미디늄 염 용액을 상기 기재된 바와 같은 납 할라이드 전구체 박막과 접촉시키기 전에 1,4-디암모늄 부탄 염을 포름아미디늄 염 용액에 첨가할 수 있다. 특정 실시양태에서는, 1,4-디암모늄 부탄 염을 0.001 mol% 내지 50 mol%의 농도로 포름아미디늄 아이오다이드 염 용액에 첨가할 수 있다. 일부 실시양태에서는, 1,4-디암모늄 부탄 염을 0.1 mol% 내지 20 mol%의 농도로 포름아미디늄 아이오다이드 염 용액에 첨가할 수 있다. 특정 실시양태에서는, 1,4-디암모늄 부탄 염을 1 mol% 내지 10 mol%의 농도로 포름아미디늄 아이오다이드 염 용액에 첨가할 수 있다.
다른 실시양태에서는, 1,4-디암모늄 부탄 염 전구체 용액을 납 할라이드 전구체 잉크의 침착 후 형성된 납 할라이드 박막 상으로 또는 포름아미디늄 염 용액의 침착 후 페로브스카이트 전구체 박막 상으로 침착시킬 수 있다. 특정 실시양태에서, 1,4-디암모늄 부탄 염 전구체 용액은 0.001 mol% 내지 50 mol%의 농도를 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 1,4-디암모늄 부탄 염 전구체 용액은 0.1 mol% 내지 20 mol%의 농도를 가질 수 있다. 특정 실시양태에서, 1,4-디암모늄 부탄 염 전구체 용액은 1 mol% 내지 10 mol%의 농도를 가질 수 있다.
1,4-디암모늄 부탄을 포함한 페로브스카이트 물질의 침착을 위한 일례의 방법은, 납 염 전구체를 기판 상으로 침착시켜 납 염 박막을 형성하고, 제1 유기 양이온 염을 포함하는 유기 양이온 염 전구체를 납 염 박막 상으로 침착시켜 페로브스카이트 전구체 박막을 형성하는 것을 포함한다. 납 염 전구체 또는 유기 양이온 염 전구체가 1,4-디암모늄 부탄 염을 포함할 수 있거나 또는 1,4-디암모늄 부탄 염 전구체를 납 염 박막 또는 페로브스카이트 전구체 박막 상으로 침착시킬 수 있다. 마지막으로 기판 및 페로브스카이트 전구체 박막을 어닐링하여 1,4-디암모늄 부탄을 포함하는 페로브스카이트 물질을 형성할 수 있다. 납 염 전구체 및 유기 양이온 염 전구체는 페로브스카이트 박막의 생성에 사용되는 본원에 기재된 임의의 용액을 포함할 수 있다.
1,4-디암모늄 부탄은 포름아미디늄 납 아이오다이드 페로브스카이트 물질 결정 격자 내의 포름아미디늄 양이온 사이에서 나타나는 길이와 거의 동일한 그의 암모늄 기 사이의 길이를 갖는다. 따라서, 1,4-디암모늄 부탄은 FAPbI3 물질의 형성 동안 2개의 포름아미디늄 이온을 치환할 수 있다. 대안적 실시양태에서는, 다른 알킬 폴리암모늄 염을 페로브스카이트 물질의 형성 동안 납 할라이드 전구체 잉크에 첨가할 수 있다. 예를 들어, 1,8 디암모늄 옥탄, 비스(4-아미노부틸)아민, 및 트리스(4-아미노부틸)아민을 첨가할 수 있다. 추가로, 1,4-디암모늄 부탄을 포함한 폴리암모늄 다가양이온은 벌키 유기 양이온에 대하여 상기 기재된 것들과 유사한 메커니즘에 의해 상기 기재된 벌키 유기 양이온과 동일한 이익을 제공할 수 있다.
도 13은 페로브스카이트 물질의 생성 프로세스 동안의 1,4-디암모늄 부탄 염의 첨가가, 생성되는 페로브스카이트(7000)에 미칠 수 있는 효과의 양식화된 예시이다. 도 13에 의해 예시된 바와 같이, 1,4-디암모늄 부탄 양이온(7020)은 페로브스카이트 물질 결정 격자 내의 2개의 포름아미디늄 양이온(7010)을 치환할 수 있다. FAPbI3 페로브스카이트에서, 포름아미디늄 양이온 사이의 간격은 대략 6.35 Å이다. 1,4-디암모늄 부탄 양이온의 길이는 대략 6.28 Å이고, 차이는 단지 0.07 Å이다. 따라서, 1,4-디암모늄 부탄 양이온은 페로브스카이트 결정 격자의 특성 또는 구조를 현저히 변화시키지 않으면서 페로브스카이트 결정 격자 내로 치환될 수 있다. 일부 실시양태에서, 페로브스카이트 물질에 대한 1,4-디암모늄 부탄 양이온의 첨가는 페로브스카이트 물질의 특성 및 안정성을 향상시킬 수 있다. 1,4-디암모늄 부탄 양이온은 페로브스카이트 물질 내에서 강성 구조로서 작용하여, 그의 구조적 및 화학적 내구성을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서 1,4-디암모늄 부탄 양이온이 첨가된 페로브스카이트 물질은 1,4-디암모늄 부탄 양이온이 없는 페로브스카이트 물질에 비해 더 우수한 건조 열 안정성을 나타낼 수 있다. 추가로, 1,4-디암모늄 부탄 양이온이 첨가된 페로브스카이트 물질은 페로브스카이트 물질의 방출 스펙트럼에서 청색 이동을 나타낼 수 있다. 일부 실시양태에서는 1,4-디암모늄 부탄 양이온을 0 내지 20 mol%의 농도로 포름아미디늄 염 용액에 첨가할 수 있다. 다른 실시양태에서는 1,4-디암모늄 부탄 양이온을 1 내지 5 mol%의 농도로 포름아미디늄 염 용액에 첨가할 수 있다. 특정 실시양태에서는 1,4-디암모늄 부탄 양이온을 5 mol%의 농도로 포름아미디늄 염 용액에 첨가할 수 있다.
실험적 증거는, 페로브스카이트 물질에 대한 최대 20% 1,4-디암모늄 부탄의 첨가에 대하여, 격자 파라미터가 인지가능하게 이동하지 않음을 나타내었다. 도 14는 0 mol%, 5 mol%, 10 mol%, 및 20 mol% 1,4-디암모늄 부탄 아이오다이드 ("DABI")를 갖는 페로브스카이트에 대한 x선 회절 피크 (XRD)를 제공한다. 각각의 농도에 대하여, 주 피크는 동일한 포인트에서 나타나고, 이는 페로브스카이트 물질에 대한 격자 파라미터가 0 mol% 내지 20 mol% 농도의 1,4-디암모늄 부탄의 첨가시 인지가능하게 변하지 않음을 나타낸다. 1,4-디암모늄 부탄의 첨가는 Cu-Kα 방사선으로 13° 미만의 2θ에서 작은 강도 회절을 생성할 수 있으며, 이는 소량의 2D 또는 층상 페로브스카이트 상을 나타내는 것이다.
도 15는 7일 동안 0% 상대 습도에서 85℃의 온도에 노출된 0 mol%, 1 mol%, 2.5 mol% 및 5 mol%를 갖는 페로브스카이트 샘플의 이미지를 제공한다. 0 mol% DABI를 갖는 페로브스카이트 물질은 1일 후 현저한 색의 밝아짐 및 7일 후 훨씬 더 현저한 황변을 나타낸다. 이는 0 mol% DABI를 갖는 페로브스카이트 물질이 시험 조건으로의 노출 1일 후 현저히 열화되었음을 나타낸다. 1 mol%, 2.5 mol% 및 5 mol%를 갖는 페로브스카이트 물질 샘플 모두 7일 후 어둡게 남아있고, 이는 1 mol% 정도로 적은 DABI의 첨가가 페로브스카이트 물질의 소위 "건조 열" 안정성을 현저히 증가시킴을 나타낸다.
추가로, 페로브스카이트 물질에 대한 1,4-디암모늄 부탄의 첨가는 1,4-디암모늄 부탄이 없는 페로브스카이트 물질과 비교시 페로브스카이트 물질로부터 나타나는 광발광의 약간의 청색 이동을 제공할 수 있다. 이러한 청색 이동은 1,4-디암모늄 부탄의 첨가에 기인하는 페로브스카이트 물질 내의 트랩 상태의 패시베이팅으로부터 유래된다. 이러한 청색 이동은 페로브스카이트 물질에 대한 1,4-디암모늄 부탄의 첨가가 페로브스카이트 물질의 결정 구조를 변화시키지 않으면서 페로브스카이트 물질 결정 격자에서 결함 밀도를 감소시킴을 나타낸다. 예를 들어, 20 mol%의 1,4-디암모늄 부탄이 첨가된 FAPbI3 페로브스카이트 물질에서 나타난 생성된 청색 이동은 1,4-디암모늄 부탄이 없는 FAPbI3 페로브스카이트 물질에 비해, 1,4-디암모늄 부탄이 없는 경우의 1.538 eV로부터 20 mol% 1,4-디암모늄 부탄을 갖는 경우의 1.552 eV까지로, 0.014 eV의 변화이다.
다른 실시양태에서는, 다른 암모늄 컴플렉스가 페로브스카이트 물질의 형성 동안 첨가될 수 있다. 예를 들어, 도 16은 1,4-디암모늄 부탄 양이온에 대하여 상기 기재된 것과 동일한 방법으로 페로브스카이트 물질에 첨가될 수 있는 3개의 암모늄 화합물, 1,8-디암모늄 옥탄, 비스(4-아미노부틸)-암모늄 및 트리스(4-아미노부틸)-암모늄을 예시한다. 1,8-디암모늄 옥탄은 상기 기재된 바와 같은 페로브스카이트 물질의 형성 동안 도입되는 경우 FAPbI3 페로브스카이트 물질 결정 격자의 2개의 포름아미디늄 양이온 ("A-자리")의 공간을 점유할 수 있다. 비스(4-아미노부틸)-암모늄은 상기 기재된 바와 같은 페로브스카이트 물질의 형성 동안 도입되는 경우 FAPbI3 페로브스카이트 물질 결정 격자의 3개의 A-자리의 공간을 점유할 수 있다. 트리스(4-아미노부틸)-암모늄은 상기 기재된 바와 같은 페로브스카이트 물질의 형성 동안 도입되는 경우 FAPbI3 페로브스카이트 물질 결정 격자의 4개의 A-자리의 공간을 점유할 수 있다. 도 16a-c는 도 16에 예시된 3개의 암모늄 화합물의 FAPbI3 페로브스카이트 물질 결정 격자 내로의 혼입의 양식화된 예시를 제공한다. 도 16a는 FAPbI3 페로브스카이트 물질 결정 격자(7100) 내로의 1,8-디암모늄 옥탄의 혼입의 양식화된 예시이다. 도 16a에 의해 예시된 바와 같이, 1,8-디암모늄 옥탄 양이온(7120)은 페로브스카이트 물질 결정 격자 내의 2개의 포름아미디늄 양이온(7110)을 치환할 수 있다. 도 16b는 FAPbI3 페로브스카이트 물질 결정 격자(7200) 내로의 비스(4-아미노부틸)-암모늄의 혼입의 양식화된 예시이다. 도 16b에 의해 예시된 바와 같이, 비스(4-아미노부틸)-암모늄 양이온(7220)은 페로브스카이트 물질 결정 격자 내의 3개의 포름아미디늄 양이온(7210)을 치환할 수 있다. 도 16c는 FAPbI3 페로브스카이트 물질 결정 격자(7300) 내로의 트리스(4-아미노부틸)-암모늄의 혼입의 양식화된 예시이다. 도 16c에 의해 예시된 바와 같이, 트리스(4-아미노부틸)-암모늄 양이온(7320)은 페로브스카이트 물질 결정 격자 내의 4개의 포름아미디늄 양이온(7310)을 치환할 수 있다. 다른 실시양태에서는, 2 내지 20개의 탄소 원자의 탄소 사슬을 갖는 알킬 디암모늄 컴플렉스가 페로브스카이트 물질에 첨가될 수 있다. 일부 실시양태에서는, 암모늄 컴플렉스의 조합이 페로브스카이트 물질에 첨가될 수 있다.
탄탈럼 및 니오븀 산화물 나노입자
특정 실시양태에서, 본 개시내용 전반에 걸쳐 기재된 계면 층(IFL)은 금속 산화물 나노입자의 층일 수 있다. 금속 (V) 산화물 나노입자는 화학식 M2O5을 갖는 금속 (V) 산화물 코어를 포함한다. 특히, 니오븀 (V) 및 탄탈럼 (V) 산화물 나노입자는 둘 다 페로브스카이트 물질 PV 장치에서 전자 수송 물질 층에 사용될 수 있다.
일반적으로, 금속 산화물은 다양한 광기전력 장치에서 전자 수송 층(ETL)으로서 기능할 수 있다. 그러나, 이전에는 금속 산화물이 페로브스카이트 물질 PV에서 제한적 유용성을 가졌는데, 그 이유는 침착을 위해 높은 어닐링 온도 또는 산화 조건 (이는 금속 산화물의 침착 전에 침착된 임의의 페로브스카이트 물질을 불안정하게 하거나 또는 분해할 수 있음)을 흔히 필요로 하기 때문이다. 금속 산화물 나노입자는 장치 제작에서 산화물 형성을 분리한다. 금속 산화물 나노입자는 페로브스카이트 물질 장치 제조 전에 제조될 수 있고, 다양한 용매에 가용성일 수 있다. 가용성 금속 산화물 나노입자는 습식 합성에 의해 제조될 수 있고, 안정한 리간드로 관능화되어, 온화한 조건 하에 저온에서 가공가능한 가용성 금속 산화물 잉크를 생성할 수 있고, 이는 이전에 침착된 페로브스카이트 물질 층에 대한 손상을 감소시키거나 제거한다. 탄탈럼 (V) 산화물 및 니오븀 (V) 산화물은 둘 다 장치 작동 동안 캐소드로부터 정공을 효과적으로 차단할 수 있게 하는 그의 매우 낮은 이온화 전위 (진공 대비 - 8 eV)로 인해 페로브스카이트 물질 PV 전지에서 전자 수송 층에 대한 이상적인 금속 산화물이다.
도 37은 특정 실시양태에 따른 금속 (V) 산화물 나노입자 ETL을 포함하는 페로브스카이트 물질 장치(3700)의 양식화된 예시이다. 페로브스카이트 물질 장치(3700)는 기판(3711 및 3712), 전극(3721 및 3722), IFL(3732), 페로브스카이트 물질 층(3741) 및 ETL 층(3731)을 포함한다. 기판(3711 및 3712)은 본원에 개시된 임의의 기판 물질을 포함할 수 있고, 전극(3721 및 3722)은 본원에 개시된 임의의 전극 물질을 포함할 수 있고, IFL(3732)은 본원에 개시된 임의의 IFL 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 페로브스카이트 물질 층(3741)은 본원에 개시된 임의의 페로브스카이트 물질을 포함할 수 있다. 특정 실시양태에서, 페로브스카이트 물질(3741)은 유기 "C" 양이온으로서 포름아미디늄만을 함유하는 본원에 개시된 페로브스카이트 물질을 포함할 수 있다. 특정 실시양태에서, 페로브스카이트 물질(3741)은 본원에 기재된 바와 같은 벌키 양이온-함유 포름아미디늄 납 아이오다이드 페로브스카이트일 수 있다. 또 다른 특정 실시양태에서, 페로브스카이트 물질(3741)은 본원에 기재된 바와 같이 디-암모늄 부탄을 함유하는 포름아미디늄 납 아이오다이드 페로브스카이트일 수 있다.
ETL 층(3731)은 본원에 추가로 기재된 바와 같은 금속 (V) 나노입자를 포함하고, 또한 본원에 기재된 바와 같은 IFL로서 적합한 임의의 다른 물질을 포함할 수 있다. ETL 층(3731)은, 특정 실시양태에서, 탄탈럼 (V) 산화물 나노입자, 니오븀 (V) 산화물 나노입자 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 다른 실시양태에서, ETL 층(3731)은 탄탈럼 (V) 및 니오븀 (V)의 합금을 포함하는 나노입자를 포함할 수 있고, 이러한 나노입자는 (NbxTa1-x)2O5 (여기서 x는 0 내지 1의 수임)로서 표현되는 화학식을 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, ETL 층(3731)은 추가의 계면 층(IFL)을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, ETL 층(3731)은 침착 전에 금속 (V) 산화물 나노입자를 용매 중에 용해시킴으로써 제조된 금속 (V) 산화물 나노입자 잉크를 블레이드 코팅, 드롭 캐스팅, 스핀 캐스팅, 슬롯-다이 인쇄, 그라비어 코팅, 리버스 그라비어 코팅, 스크린 인쇄, 또는 잉크-젯 인쇄함으로써 침착될 수 있다.
도 38은 특정 실시양태에 따른 금속 (V) 산화물 나노입자(ETL)을 혼입시킨 페로브스카이트 물질 장치(3800)의 양식화된 예시이다. 페로브스카이트 물질 장치(3800)는 기판(3811 및 3812), 전극(3821 및 3822), 정공 수송 층 (HTL)(3832), 페로브스카이트 물질 층(3841) 및 풀러렌(IFL)(3831) 및 금속 (V) 산화물 나노입자 층(3851)을 포함한다. 기판(3811 및 3812)은 본원에 개시된 임의의 기판 물질을 포함할 수 있고, 전극(3821 및 3822)은 본원에 개시된 임의의 전극 물질을 포함할 수 있고, HTL(3832)는 정공 수송 (p형) 특성을 갖는 본원에 개시된 임의의 IFL 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 페로브스카이트 물질 층(3841)은 본원에 개시된 임의의 페로브스카이트 물질을 포함할 수 있다. 특정 실시양태에서, 페로브스카이트 물질(3841)은 유기 "C" 양이온으로서 단지 포름아미디늄을 함유하는 본원에 개시된 페로브스카이트 물질을 포함할 수 있다. 특정 실시양태에서, 페로브스카이트 물질(3841)은 본원에 기재된 바와 같은 벌키 양이온-함유 포름아미디늄 납 아이오다이드 페로브스카이트일 수 있다. 또 다른 특정 실시양태에서, 페로브스카이트 물질(3841)은 본원에 기재된 바와 같이 디-암모늄 부탄을 함유하는 포름아미디늄 납 아이오다이드 페로브스카이트일 수 있다. 풀러렌 층(3831)은 C60 및 C60의 관능화된 유도체를 포함하나 이에 제한되지 않는, 본원에 기재된 임의의 풀러렌을 포함할 수 있다. 금속 (v) 산화물 나노입자 층(3851)은 본원에 추가로 기재된 바와 같은 금속 (V) 나노입자를 포함하고, 특정 실시양태에서, 탄탈럼 (V) 산화물 나노입자, 니오븀 (V) 산화물 나노입자 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 금속 (v) 산화물 나노입자 층(3851)은 침착 전에 금속 (V) 산화물 나노입자를 용매 중에 용해시킴으로써 제조된 금속 (V) 산화물 나노입자 잉크를 블레이드 코팅, 드롭 캐스팅, 스핀 캐스팅, 슬롯-다이 인쇄, 그라비어 코팅, 리버스 그라비어 코팅, 스크린 인쇄, 또는 잉크-젯 인쇄함으로써 침착될 수 있다.
도 39는 특정 실시양태에 따른 금속 (V) 산화물 나노입자(ETL)을 혼입시킨 페로브스카이트 물질 장치(3900)의 양식화된 예시이다. 페로브스카이트 물질 장치(3900)는 산화알루미늄 (Al2O3) 층(3911), 유리 층(3912), ITO 층(3922), 크로뮴 층(3923), 알루미늄 층(3921), HTL (3932), 페로브스카이트 물질 층(3941), ETL (3931) 및 금속 (V) 산화물 나노입자 층(3951)을 포함한다. ITO 층(3922) 및 Cr 층(3923) 및 Al 층(3921)은 본원의 다른 도면과 관련하여 예시된 임의의 전극 층과 유사한 방식으로 전극으로서 기능한다. HTL(3932)는 정공 수송 (p형) 특성을 갖는 본원에 개시된 임의의 IFL 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 페로브스카이트 물질 층(3941)은 본원에 개시된 임의의 페로브스카이트 물질을 포함할 수 있다. 특정 실시양태에서, 페로브스카이트 물질(3941)은 유기 "C" 양이온으로서 단지 포름아미디늄을 함유하는 본원에 개시된 페로브스카이트 물질을 포함할 수 있다. 특정 실시양태에서, 페로브스카이트 물질(3941)은 본원에 기재된 바와 같은 벌키 양이온-함유 포름아미디늄 납 아이오다이드 페로브스카이트일 수 있다. 또 다른 특정 실시양태에서, 페로브스카이트 물질(3941)은, 본원에 기재된 바와 같이, 디-암모늄 부탄을 함유하는 포름아미디늄 납 아이오다이드 페로브스카이트일 수 있다. ETL(3931)은 전자 수송 (n형) 특성을 갖는 본원에 개시된 임의의 IFL 물질을 포함할 수 있다. 금속 (v) 산화물 나노입자 층(3951)은 본원에 추가로 기재된 바와 같은 금속 (V) 나노입자를 포함하고, 특정 실시양태에서, 탄탈럼 (V) 산화물 나노입자, 니오븀 (V) 산화물 나노입자 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 금속 (v) 산화물 나노입자 층(3951)은, 침착 전에 금속 (V) 산화물 나노입자를 용매 중에 용해시킴으로써 제조된 금속 (V) 산화물 나노입자 잉크를 블레이드 코팅, 드롭 캐스팅, 스핀 캐스팅, 슬롯-다이 인쇄, 그라비어 코팅, 리버스 그라비어 코팅, 스크린 인쇄, 또는 잉크-젯 인쇄함으로써 침착될 수 있다.
도 40은 특정 실시양태에 따른 금속 (V) 산화물 나노입자(ETL)을 혼입시킨 페로브스카이트 물질 장치(4100)의 양식화된 예시이다. 페로브스카이트 물질 장치(4100)는 산화알루미늄 (Al2O3) 층(4111), 유리 층(4112), ITO 층(4122), 크로뮴 층(4123), 알루미늄 층(4121), Al2O3 층(4132), NiO 층(4133), 페로브스카이트 물질 층(4141), C60 IFL(4131), 및 금속 (V) 산화물 나노입자 층(4151)을 포함한다. ITO 층(4122) 및 Cr 층(4123) 및 Al 층(4121)은 본원의 다른 도면과 관련하여 예시된 임의의 전극 층과 유사한 방식으로 전극으로서 기능한다. NiO 층(4133) 및 Al2O3층(4132)은 도 38의 HTL (3832)과 유사하게 HTL로서 함께 기능할 수 있다. 일부 실시양태에서, 페로브스카이트 물질 층(4141)은 본원에 개시된 임의의 페로브스카이트 물질을 포함할 수 있다. 특정 실시양태에서, 페로브스카이트 물질(4141)은 유기 "C" 양이온으로서 단지 포름아미디늄을 함유하는 본원에 개시된 페로브스카이트 물질을 포함할 수 있다. 특정 실시양태에서, 페로브스카이트 물질(4141)은 본원에 기재된 바와 같은 벌키 양이온-함유 포름아미디늄 납 아이오다이드 페로브스카이트일 수 있다. 또 다른 특정 실시양태에서, 페로브스카이트 물질(4141)은, 본원에 기재된 바와 같이, 디-암모늄 부탄을 함유하는 포름아미디늄 납 아이오다이드 페로브스카이트일 수 있다. C60 IFL(4131)은 C60 분자 및 C60의 관능화된 유도체를 포함할 수 있다. 금속 (v) 산화물 나노입자 층(4151)은 본원에 추가로 기재된 바와 같은 금속 (V) 나노입자를 포함하고, 특정 실시양태에서, 탄탈럼 (V) 산화물 나노입자, 니오븀 (V) 산화물 나노입자 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 금속 (v) 산화물 나노입자 층(4151)은, 침착 전에 금속 (V) 산화물 나노입자를 용매 중에 용해시킴으로써 제조된 금속 (V) 산화물 나노입자 잉크를 드롭 캐스팅, 스핀 캐스팅, 슬롯-다이 인쇄, 스크린 인쇄, 또는 잉크-젯 인쇄함으로써 침착될 수 있다.
도 41은 특정 실시양태에 따른 금속 (V) 산화물 나노입자(ETL)을 혼입시킨 페로브스카이트 물질 장치(4200)의 양식화된 예시이다. 페로브스카이트 물질 장치(4200)는 Al2O3 층(4211), 유리 층(4212), ITO 층(4222), 크로뮴 층(4223), 알루미늄 층(4221), HTL (4232), 페로브스카이트 물질 층(4241), ETL (4231), 및 금속 (V) 산화물 나노입자 층(4251)을 포함한다. ITO 층(4222) 및 Cr 층(4223) 및 Al 층(4221)은 본원의 다른 도면과 관련하여 예시된 임의의 전극 층과 유사한 방식으로 전극으로서 기능한다. HTL(4232)은 정공 수송 (p형) 특성을 갖는 본원에 개시된 임의의 IFL 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 페로브스카이트 물질 층(4241)은 본원에 개시된 임의의 페로브스카이트 물질을 포함할 수 있다. 특정 실시양태에서, 페로브스카이트 물질(4241)은 유기 "C" 양이온으로서 단지 포름아미디늄을 함유하는 본원에 개시된 페로브스카이트 물질을 포함할 수 있다. 특정 실시양태에서, 페로브스카이트 물질(4241)은 본원에 기재된 바와 같은 벌키 양이온-함유 포름아미디늄 납 아이오다이드 페로브스카이트일 수 있다. 또 다른 특정 실시양태에서, 페로브스카이트 물질(4241)은, 본원에 기재된 바와 같이, 디-암모늄 부탄을 함유하는 포름아미디늄 납 아이오다이드 페로브스카이트일 수 있다. ETL(4231)은 전자 수송 (n형) 특성을 갖는 본원에 개시된 임의의 IFL 물질을 포함할 수 있다. 금속 (v) 산화물 나노입자 층(4251)은 본원에 추가로 기재된 바와 같은 금속 (V) 산화물 나노입자를 포함하고, 특정 실시양태에서, 탄탈럼 (V) 산화물 나노입자, 니오븀 (V) 산화물 나노입자 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 금속 (v) 산화물 나노입자 층(4251)은 침착 전에 금속 (V) 산화물 나노입자를 용매 중에 용해시킴으로써 제조된 금속 (V) 산화물 나노입자 잉크를 블레이드 코팅, 드롭 캐스팅, 스핀 캐스팅, 그라비어 코팅, 리버스 그라비어 코팅, 슬롯-다이 인쇄, 스크린 인쇄, 또는 잉크-젯 인쇄함으로써 침착될 수 있다. 특정 실시양태에서, ETL(4231)은 페로브스카이트 물질 층(4241)으로부터 전자를 신속하게 추출하지만 정공을 효과적으로 차단하지 않는 전자 수송 물질일 수 있고, 이러한 배열에서 금속 (V) 산화물 나노입자 층(4251)은 ETL(4231)이 차단하지 않는 정공을 차단할 수 있다.
특정 실시양태에서, 금속 (v) 산화물 나노입자 층은 본 개시내용 내에 기재된 임의의 IFL 층으로서 이용될 수 있다. 예를 들어, 금속 (v) 산화물 나노입자는 도 1, 2, 3 또는 4에 예시된 임의의 IFL의 전체 또는 일부로서 이용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 금속 (v) 산화물 나노입자는 본원에 기재된 바와 같은 다층 IFL 중의 단일 층에 포함될 수 있다. 본 개시내용의 금속 (v) 산화물 나노입자는 페로브스카이트 물질 PV 장치에서 페로브스카이트 물질 층에 인접하여 배치될 수 있다. 예를 들어, 본 개시내용의 금속 (v) 산화물 나노입자는 도 1의 IFL(1050), 도 2의 IFL(3909) 또는 CTL(3910) (또는 둘 다의 조합), 도 3의 IFL(3909a) 또는 CTL(3910a) (또는 둘 다의 조합), 또는 도 4의 IFL(3909b) 또는 CTL(3910b) (또는 둘 다의 조합)으로서 이용될 수 있다. 금속 (V) 산화물 입자, 특히 탄탈럼 (V) 산화물 나노입자 및 니오븀 (V) 산화물 나노입자의 합성 및 침착 방법이 하기에 기재된다.
금속 (V) 산화물 나노입자 코어를 제조하기 위한 일례의 반응은 도 42에 예시되어 있다. 금속 (V) 산화물 나노입자 코어는 유기 산의 존재 하에 금속 (V) 알콕시드 전구체 (M(OR)5) 및 물로부터 합성된다. 일부 실시양태에서, 유기 산은 알킬카르복실산일 수 있다. 특정 실시양태에서, 금속은 탄탈럼 (V) 또는 니오븀 (V)일 수 있다. 일부 실시양태에서, 금속 (V) 알콕시드 전구체는 메톡시드, 에톡시드, n-프로폭시드, 이소프로폭시드 및 (n, 이소, sec 또는 tert)-부톡시드, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 특정 실시양태에서, 금속 (V) 알콕시드 전구체는 금속 (V) 에톡시드 (M(OEt)5)일 수 있다. 도 42에 예시된 실시양태에서, 유기 산은 이소부티르산이고, 반응은 n-프로판올 용액 중에서 수행된다. 그러나, 다른 실시양태에서 n-부탄올, 2-부탄올, 2-메틸부탄-2-올을 포함하나 이에 제한되지는 않는 임의의 알콜이 사용될 수 있다. 추가로, 알콜 용액은 물을 포함하거나 포함하지 않을 수 있다. 도 42에 예시된 바와 같이, 생성된 금속 (V) 산화물 나노입자 코어(4310)는 5개의 산소 원자 대 2개의 금속 원자의 비를 갖는다. 그러나, 도 42의 나노입자의 표면에 예시된 5개의 산소 원자 대 2개의 금속 원자의 비는 단지 예시적 목적을 위한 것임에 유의해야 한다. 나노입자의 표면은 내부 및 외부 불순물, 벌크 구조와 비교한 표면 구조의 변동, 또는 표면 도핑으로 인해 불규칙하거나 또는 "완벽한" 화학량론에서 벗어날 수 있음을 이해하여야 한다. 수소 원자는 금속 (V) 산화물 나노입자 코어(4310)의 표면에서 산소 원자에 결합할 수 있고, 유기 리간드는 표면에서 금속 원자에 결합할 수 있다. 도 42에 예시된 실시양태에서, 이소부티르산 리간드는 나노입자 코어(4310)의 표면 상의 금속 원자에 결합한다. 일부 실시양태에서, 나노입자 코어는 하기 기재된 리간드 교환 공정 전에 용액 중에 남아있을 수 있다. 다른 실시양태에서, 나노입자 코어를 형성하는 반응의 완료 후에, 나노입자 코어는 관련 기술분야에 공지된 임의의 방법에 의해 단리될 수 있다. 예를 들어, 나노입자 코어를 단리시키는 한 방법은 n-프로판올 용액 중 나노입자의 현탁액을 원심분리하여 나노입자 코어를 용액으로부터 분리하고, 개별 나노입자 코어를 용매 중에 용해시키고, 용액에 침전 화합물을 첨가하여 나노입자 코어를 침전시키고, 침전 나노입자 코어를 원심분리하여 이들을 용액으로부터 분리하는 것을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 분리된 나노입자 코어를 추가의 용매 중에 용해시키고, 침전시키고, 다시 원심분리하여 나노입자 코어를 추가로 세척할 수 있다. 특정 실시양태에서, 나노입자 코어는 5000-15000 rpm에서 1 내지 15분 동안 원심분리되고, 분리 후 헥산 용액 중에 용해되고, 헥산 용액에 첨가된 메틸 아세테이트에 의해 침전될 수 있다. 특정 실시양태에서, 나노입자 코어는 10000 rpm에서 10분 동안 원심분리되고, 분리 후 헥산 용액 중에 용해되고, 헥산 용액에 첨가된 메틸 아세테이트에 의해 침전될 수 있다.
도 42에 예시된 바와 같은 나노입자 코어(4310)의 합성 후, 이어서 도 43에 예시된 바와 같이 이소부티르산 리간드를 알킬실록산 리간드로 교환할 수 있다. 특정 실시양태에서, 알킬실록산 리간드는 이소부틸실록산일 수 있다. 먼저 나노입자 코어를 알콜 용액 중에서 1종 이상의 트리알콕시알킬실란과 혼합한다. 특정 실시양태에서, 트리알콕시알킬실란은 트리메톡시(이소부틸)실란이다. 다른 실시양태에서, 트리알콕시알킬실란은 트리(알콕시)이소부틸실란, 트리(알콕시)알릴실란, 트리(알콕시)비닐실란, 트리(알콕시)-n-프로필실란, 트리(알콕시)-n-부틸실란, 트리(알콕시)-sec-부틸실란, 트리(알콕시)-tert-부틸실란, 트리(알콕시)페닐실란, 트리(알콕시)-n-옥틸실란, 트리(알콕시)이소옥틸실란, 트리(알콕시)-n-도데실실란, 트리(알콕시)-4-(트리메틸실릴)페닐실란, 트리(알콕시)-p-톨릴실란, 트리(알콕시)-4-플루오로페닐실란, 트리(알콕시)-4-클로로페닐실란, 트리(알콕시)-4-브로모페닐실란, 트리(알콕시)-4-아이오도페닐실란, 트리(알콕시)-4-시아노페닐실란, 트리(알콕시)벤질실란, 트리(알콕시)메틸실란, 트리(알콕시)에틸실란, 트리(알콕시)-4-(트리플루오로메틸)페닐실란, 트리(알콕시)-4-암모늄부틸실란 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으며, 여기서 "알콕시"는 메톡시, 에톡시, 이소프로폭시, tert-부톡시 또는 페녹시 기이다. 추가로, 상기 화합물의 오르토 및 메타 이성질체를 포함한 임의의 이성질체가 트리알콕시알킬실란으로서 선택될 수 있다. 도 43에 예시된 실시양태에서, 알콜 용액은 n-프로판올 용액이다. 다른 실시양태에서, 알콜 용액은 n-부탄올, 2-부탄올 및 2-메틸부탄-2-올을 포함하나 이에 제한되지는 않는 임의의 알콜을 포함할 수 있다. 추가로, 알콜 용액은 알콜 이외에 물을 포함하거나 포함하지 않을 수 있다.
다음에, 수산화암모늄 (NH4OH)을 용액에 첨가한 후, 수성 HCl을 첨가하여 리간드 교환을 완료한다. 일부 실시양태에서, HCl 기체를 용액을 통해 살포할 수 있다. 리간드 교환 반응이 완결된 후, 금속 (V) 나노입자(4400)가 형성되고 용액으로부터 침전된다. 특정 실시양태에서, 알킬실록산 리간드는 이소부틸실록산일 수 있다. 선택된 트리알콕시알킬실란 (예컨대 상기 기재된 것들)에 따라, 생성된 알킬실록산 리간드는 이소부틸실록산, 알릴실록산, 비닐실록산, n-프로필실록산, n-부틸실록산, sec-부틸실록산, tert-부틸실록산, 페닐실록산, n-옥틸실록산, 이소옥틸실록산 n-도데실실록산, 4-(트리메틸실릴)페닐실록산, 파라-톨릴실록산, 4-플루오로페닐실록산, 4-클로로페닐실록산, 4-브로모페닐실록산, 4-아이오도페닐실록산, 4-시아노페닐실록산, 벤질실록산, 메틸실록산, 에틸실록산, 4-(트리플루오로메틸)페닐실록산, 4-암모늄부틸실록산 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 알킬실록산 리간드는, 상응하는 트리알콕시알킬실란의 오르토 또는 메타 이성질체가 선택된 경우, 상기 화합물의 임의의 오르토 및 메타 이성질체를 포함할 수 있다. 알킬실록산 리간드는 PV 용액-기반 가공 및 침착 방법에 사용되는 유기 용매 중에서 적절한 용해도를 제공하는 것으로 관찰되었고, PV 장치에 사용되는 페로브스카이트 물질과 매우 상용성인 전자 특성을 갖는 금속 (V) 나노입자를 제공하는 것으로 관찰되었다. 예를 들어, 알킬실록산 리간드 조성물은 전구체 잉크에 대한 용해도를 최대화하고 장치에서 직렬 저항을 최소화하도록 결정되었다. 형성 후, 나노입자를 원심분리를 통해 단리시키고, 역용매로 1회 이상 세척할 수 있다. 세척 후, 나노입자를 건조시킨 다음, 유기 용매 중에 저장 또는 용해시킬 수 있다. 특정 실시양태에서, 건조된 금속 (V) 산화물 나노입자를 클로로벤젠에 용해시켜 나노입자 잉크를 형성할 수 있다.
일부 실시양태에서, 금속 (V) 산화물 나노입자는 도 44에 예시된 반응에 의해 가교될 수 있다. 도 44에 예시된 바와 같이, 알킬실록산-치환된 나노입자는 1종 이상의 알콕실알킬실란과 반응하여 알킬실록산 리간드를 가교시킬 수 있다. 가교된 금속 (v) 산화물 나노입자는 2개 (또는 그 초과)의 결합 기를 갖는 분자, 예컨대 비스-알콕실알킬실란을 사용함으로써, 또는 알켄 기 (예를 들어, 비닐 또는 알릴)의 라디칼 개시된 중합을 통해 가능하다. 가교는 강력한 매트릭스 내 나노입자를 연결할 수 있다. 가교된 나노입자의 이점은 열 안정성, 및 페로브스카이트 물질 광활성 층을 분해할 수 있는 수분 및 다른 화합물의 침투에 대한 내성 증가를 포함하여, 장치 성능 열화를 늦추고, 장치 수명을 연장시킬 수 있다는 점을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 금속 (V) 산화물 나노입자의 가교는 용액 중에서 수행될 수 있다. 이들 실시양태에서, 보다 높은 수준의 가교는 가교된 나노입자의 용해도를 억제할 수 있기 때문에, 이량체 또는 삼량체 가교된 나노입자를 형성할 수 있다. 다른 실시양태에서, 금속 (V) 산화물 나노입자의 가교는 나노입자의 침착 후에 (예를 들어, 페로브스카이트 물질 층 상에 침착 후에) 수행될 수 있다. 이러한 실시양태에서, 나노입자는 이미 침착되었고 용해도는 이 단계에서 문제가 되지 않기 때문에 임의의 가교도가 달성될 수 있다.
리간드 교환 동안 다양한 알콕실알킬실란의 선택은 금속 (V) 산화물 나노입자의 전자 특성을 변화시킬 수 있다. 도 45는 상이한 알킬실록산 리간드를 갖는 여러 금속 (V) 나노입자를 예시한다. 도 45에서 볼 수 있는 바와 같이, 일부 알킬실록산 리간드는 전자를 더 많이 끌어당기고, 일부는 전자를 더 많이 공여하며, 일부는 전자를 끌어당기거나 전자를 공여하지 않고, 여기서 전자를 공여하는 것 및 전자를 끌어당기는 것은 리간드가 금속 (V) 산화물 나노입자 코어로부터 전자를 공여하는지 또는 끌어당기는지를 지칭한다. 보다 큰 전자 공여성인 리간드는 보다 많은 n형 금속 (V) 산화물 나노입자를 생성하고, 보다 큰 전자 끄는 리간드는 보다 많은 p형 금속 (V) 산화물 나노입자를 생성한다. 리간드의 선택은 금속 (V) 산화물 나노입자의 전자 특성이 미세-조정되도록 하여, 금속 (V) 산화물 나노입자 층이 특정한 페로브스카이트 물질 조성물 및 밴드 갭에 대해 미세-조정되도록 한다. 추가로, 금속 (V) 산화물 나노입자는 금속 에톡시드 전구체에 다른 금속을 포함시킴으로써 추가로 조정될 수 있다. 금속 에톡시드 전구체는 탄탈럼 및 니오븀과 유사한 특성을 갖는 다른 금속을 포함할 수 있거나 다른 금속으로 도핑될 수 있다. 예를 들어, 금속 에톡시드 전구체를 Ti, Zr 또는 Hf로 도핑하여 더 많은 p형 산화물 나노입자를 제조할 수 있거나, Cr, Mo 또는 W로 도핑하여 더 많은 n형 산화물 나노입자를 제조할 수 있다. 일부 실시양태에서, 금속 산화물 코어는 금속으로 도핑될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 금속 산화물 코어는 Ti, Zr, Hf, Cr, Mo, W, V 또는 이들의 임의의 조합으로 도핑될 수 있다.
보다 짧은 알킬 기 (예를 들어, 비닐)는 나노입자 사이에 보다 큰 전도성을 제공할 수 있는 반면, 보다 긴 알킬 기 (예를 들어, 옥틸)는 보다 큰 소수성을 제공하여 광활성 층으로부터 물을 밀어내는 작용을 할 수 있다. 일부 실시양태에서, 알콕실알킬실란의 알킬 기는 관능화될 수 있다. 예를 들어, 알킬 기는 암모늄 기로 종결될 수 있고, 이는 도 47에 예시된 바와 같이, 페로브스카이트 물질 격자의 표면에서 "C"-부위 (예를 들어 화학식 CMX3, 또는 본원에 기재된 바와 같은 다른 페로브스카이트 물질 화학식에서 "C"로서 페로브스카이트 물질에 혼입된 암모늄, 포름아미디늄 또는 다른 양이온) 빈자리의 패시베이팅을 제공할 수 있다.
도 46은 페로브스카이트 물질(4620)의 표면 상에 배치된 금속 (V) 나노입자(4610)의 양식화된 예시를 제공한다. 도 47은 페로브스카이트 물질(4720)의 표면 상에 배치된 암모늄-관능화된 리간드를 갖는 금속 (V) 나노입자(4710)의 양식화된 예시를 제공한다. 금속 (V) 나노입자의 암모늄 기(4711)는 페로브스카이트 물질(4720)의 표면 상의 비배위 부위(4721)를 충전함으로써 페로브스카이트 물질의 표면을 패시베이팅시켜, 보다 우수한 전자 성능 및 안정성을 유도할 수 있다.
금속 (V) 산화물 나노입자를 혼입시킨 페로브스카이트 물질 장치는 본원에 개시된 방법에 따라 구성될 수 있다. 전극, IFL, 및 페로브스카이트 물질 층과 같은, PIN 아키텍처 페로브스카이트 물질 장치의 개별 층들은 본원에 개시된 방법에 따라 또는 관련 기술분야에 공지된 바와 같이 침착될 수 있다. 금속 (V) 산화물 나노입자는 금속 (V) 산화물 나노입자 잉크의 블레이드 코팅, 드롭 캐스팅, 스핀 캐스팅, 슬롯-다이 인쇄, 스크린 인쇄, 또는 잉크-젯 인쇄에 의해 페로브스카이트 물질 층, 또는 장치 내의 다른 층 상에 침착될 수 있다.
탄탈럼 (V) 산화물 나노입자를 페로브스카이트 물질 PV 장치에 혼입시키는 방법의 특정 실시양태가 하기에 기재된다. 먼저, 유리 기판을 투명 전도성 산화물 (예를 들어 ITO, FTO, 또는 본원에 개시된 임의의 다른 투명 전극 물질)로 패턴화할 수 있다. 이어서 정공 수송 층, Al2O3 및 NiO를 드롭 캐스팅, 스핀 캐스팅, 그라비어 코팅, 블레이드 코팅, 리버스 그라비어 코팅, 슬롯-다이 인쇄, 스크린 인쇄, 또는 잉크-젯 인쇄에 의해 순차적으로 침착시킨다. Al2O3 및 NiO의 층을 침착시킨 후, 이들을 어닐링할 수 있다. 다음에, 페로브스카이트 물질을 이전에 침착된 정공 수송 층 상에 침착시킨다. 일부 실시양태에서, 본원에 기재된 바와 같은 2-단계 페로브스카이트 방법이 사용될 수 있다. 특정 실시양태에서, 본원에 기재된 바와 같이, 클로라이드를 페로브스카이트 전구체 내로 혼입시키는 2-단계 페로브스카이트 방법을 사용하여 정공 수송 층의 상부 상에 CsxFA1-xPbI3-yCly 페로브스카이트 물질 층을 침착시킬 수 있다. 일부 실시양태에서, 벤질암모늄을 포함한 벌키 유기 양이온을 또한 본원에 기재된 방법에 의해 페로브스카이트 물질에 혼입시킬 수 있다. 침착 후, 페로브스카이트 물질을 본원에 개시된 페로브스카이트 침착 방법과 관련하여 기재된 바와 같이 어닐링할 수 있다.
이어서, 금속 (V) 산화물 나노입자 잉크를 층 스택 상에 침착시킨다. 일부 실시양태에서, 금속 (V) 산화물 나노입자 잉크를 제어된 대기 환경, 예컨대 불활성 환경에서 침착시킬 수 있다. 특정 실시양태에서, 탄탈럼 (V) 산화물 나노입자 잉크 또는 니오븀 (V) 산화물 나노입자 잉크를 페로브스카이트 물질 층 상에 침착시킬 수 있다. 금속 (V) 나노입자는 상기 기재된 방법에 의해 형성할 수 있다. 금속 (V) 나노입자 잉크는 블레이드 코팅, 드롭 캐스팅, 블레이드 코팅, 스핀 캐스팅, 그라비어 코팅, 리버스 그라비어 코팅, 슬롯-다이 인쇄, 스크린 인쇄, 또는 잉크-젯 인쇄에 의해 침착될 수 있다. 금속 (V) 산화물 나노입자 용액은 1 nm 내지 100 nm 두께의 금속 (V) 산화물 나노입자 층을 형성하도록 침착될 수 있다. 일부 실시양태에서, 금속 (V) 산화물 나노입자 용액은 20 nm 내지 60 nm 두께의 금속 (V) 산화물 나노입자 층을 형성하도록 침착될 수 있다. 특정 실시양태에서, 금속 (V) 산화물 나노입자 용액은 약 40 nm 두께의 금속 (V) 산화물 나노입자 층을 형성하도록 침착될 수 있다. 기판의 제곱 미터당 0.1 L 내지 0.2 L의 금속 (V) 산화물 나노입자 잉크가 침착될 수 있고, 특정 실시양태에서 기판의 제곱 미터당 0.16 L의 금속 (V) 산화물 나노입자 잉크가 침착될 수 있다.
일부 실시양태에서, 클로로벤젠 중 탄탈럼 (V) 산화물 나노입자를 클로로벤젠 mL 당 약 1 mg의 탄탈럼 (V) 산화물 나노입자 내지 클로로벤젠 mL 당 10 mg의 탄탈럼 (V) 산화물 나노입자의 농도로 포함하는 탄탈럼 (V) 산화물 나노입자 잉크가 스핀 코팅에 의해 페로브스카이트 물질 층 상에 침착될 수 있다. 특정 실시양태에서, 클로로벤젠 중 탄탈럼 (V) 산화물 나노입자를 클로로벤젠 mL 당 약 4 mg의 탄탈럼 (V) 산화물 나노입자의 농도로 포함하는 탄탈럼 (V) 산화물 나노입자 잉크가 스핀 코팅에 의해 페로브스카이트 물질 층 상에 침착된다. 다른 실시양태에서, 클로로벤젠 중 탄탈럼 (V) 산화물 나노입자를 클로로벤젠 mL 당 약 1 mg의 탄탈럼 (V) 산화물 나노입자 내지 클로로벤젠 mL 당 10 mg의 탄탈럼 (V) 산화물 나노입자의 농도로 포함하는 탄탈럼 (V) 산화물 나노입자 잉크가 블레이드 코팅에 의해 페로브스카이트 물질 층 상에 침착될 수 있다. 특정 실시양태에서, 클로로벤젠 중 탄탈럼 (V) 산화물 나노입자를 클로로벤젠 mL 당 약 4 mg의 탄탈럼 (V) 산화물 나노입자의 농도로 포함하는 탄탈럼 (V) 산화물 나노입자 잉크가 블레이드 코팅에 의해 페로브스카이트 물질 층 상에 침착된다. 금속 (V) 산화물 나노입자 잉크를 블레이드 코팅에 의해 침착시키는 경우, 블레이드 높이를 1100 μm 내지 1400 μm로 설정할 수 있다. 일부 실시양태에서, 금속 (V) 산화물 나노입자 용액을 페로브스카이트 물질 층 상에 침착시키기 전에 여과할 수 있다.
침착 후, 금속 (V) 산화물 나노입자 층을 어닐링할 수 있다. 일부 실시양태에서, 어닐링은 50℃ 내지 140℃의 온도에서 3 내지 20분 동안 일어날 수 있다. 특정 실시양태에서, 어닐링은 50℃ 내지 80℃의 온도에서 4 내지 10분 동안 일어날 수 있다. 특정 실시양태에서, 어닐링은 약 55℃의 온도에서 약 5분 동안 일어난다.
이어서 C60 층을 금속 (V) 산화물 나노입자 층 상에 침착시킬 수 있다. C60 층의 침착 후, 1종 이상의 금속 전극 층, 예컨대 Cr, Al 또는 Cu 또는 하나 이상의 유기 전극 층, 예컨대 바토쿠프로인 (BCP)을 C60 층 상에 침착시킬 수 있다. 전극 층의 침착 후, 상부 "밀봉" 또는 캡슐화제 층을 침착시켜 수분 및 PV 장치로의 다른 환경 오염물의 침투로부터 초래되는 손상으로부터 장치를 보호할 수 있다.
도 48은 Ta2O5 나노입자 전자 수송 층 없이 제조된 여러 페로브스카이트 물질 광기전력 장치 및 Ta2O5 나노입자 전자 수송 층을 갖는 것으로 제조된 여러 페로브스카이트 물질 광기전력 장치에 대한 개회로 전압 (Voc), 단락 전류 밀도 (Jsc), 충전 인자 (FF) 및 전력 전환 효율 (PCE)의 박스 플롯을 나타내며, 여기서 Ta2O5 나노입자 전자 수송 층을 갖는 장치는 도 40에 예시된 장치의 구조를 갖고, Ta2O5 나노입자는 이소부틸실록산 리간드를 갖는다. Ta2O5 나노입자 전자 수송 층이 없는 각각의 페로브스카이트 물질 장치에서, 전자 수송 층 이외에, 장치의 모든 다른 층은 Ta2O5 나노입자 전자 수송 층을 갖는 페로브스카이트 물질 광기전력 장치의 층과 동일하였다. 도 48로부터 알 수 있는 바와 같이, Ta2O5 나노입자 전자 수송 층을 갖는 장치는 Ta2O5 나노입자 전자 수송 층을 갖지 않는 장치에 비해 개선된 개회로 전압 (Voc), 단락 전류 밀도 (Jsc), 충전 인자 (FF) 및 전력 전환 효율 (PCE)을 나타내었다. 특히, Ta2O5 나노입자 전자 수송 층의 추가에 의해 평균 Voc는 0.95 V에서 1.03 V로 증가하는 것으로 관찰되었고, 최고 Voc는 1.02 V에서 1.14 V로 증가하였다. 추가로, 평균 FF는 Ta2O5 나노입자 전자 수송 층을 포함하는 장치에서 64에서 68로 증가하는 것으로 관찰되었고, 최고 FF는 69에서 73로 증가하였다. 전류가 눈에 띄게 변화하는 것으로 관찰되지 않았기 때문에, Voc 및 FF에서의 이러한 변화는 12%에서 13.5%로의 평균 PCE의 증가를 가져왔다.
따라서, 본 발명은 언급된 목적 및 이점 뿐만 아니라 그에 내재된 것들을 달성하도록 잘 적합화된다. 본 발명은 본원 교시내용의 이익을 갖는 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 명백한 상이하지만 등가의 방식으로 변형되고 실행될 수 있음에 따라, 상기에 개시된 특정 실시양태는 단지 예시적인 것이다. 또한, 하기 청구범위에 기재되는 바와 같은 것 이외의, 본원에 나타낸 구성 또는 설계의 세부사항에 대한 제한이 의도되지 않는다. 따라서, 상기에 개시된 특정 예시적 실시양태는 변경되거나 변형될 수 있으며, 모든 이러한 변동은 본 발명의 범위 및 취지 내에 있는 것으로 고려됨이 명백하다. 특히, 본원에 개시된 ("약 a 내지 약 b", 또는, 동등하게, "대략 a 내지 b", 또는, 동등하게, "대략 a-b" 형태의) 값의 모든 범위는 값의 각각의 범위의 멱 집합 (모든 부분집합의 집합)을 지칭하며 값의 보다 넓은 범위 내에 포괄되는 모든 범위를 기재하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 청구범위에서의 용어는 특허권자에 의해 명시적으로 명백히 정의되지 않는 한 그의 보통의 통상적 의미를 갖는다.

Claims (29)

  1. 하기를 포함하는 금속 산화물 나노입자:
    화학식 M2O5 (여기서, M은 탄탈럼 (V) 또는 니오븀 (V)임)의 금속 산화물 코어; 및
    금속 산화물 코어에 결합된 알킬실록산 리간드.
  2. 제1항에 있어서, 알킬실록산 리간드가 이소부틸실록산, 알릴실록산, 비닐실록산, n-프로필실록산, n-부틸실록산, sec-부틸실록산, tert-부틸실록산, 페닐실록산, n-옥틸실록산, 이소옥틸실록산 n-도데실실록산, 4-(트리메틸실릴)페닐실록산, 파라-톨릴실록산, 4-플루오로페닐실록산, 4-클로로페닐실록산, 4-브로모페닐실록산, 4-아이오도페닐실록산, 4-시아노페닐실록산, 벤질실록산, 메틸실록산, 에틸실록산, 4-(트리플루오로메틸)페닐실록산, 4-암모늄부틸실록산 및 이들의 임의의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 금속 산화물 나노입자.
  3. 제1항에 있어서, 알킬실록산 리간드가 적어도 하나의 다른 나노입자의 알킬실록산 리간드에 가교된 것인 금속 산화물 나노입자.
  4. 제1항에 있어서, 금속 산화물 코어가 Ti, Zr, Hf, Cr, Mo, W, V 또는 이들의 임의의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 금속으로 도핑된 것인 금속 산화물 나노입자.
  5. 제1항에 있어서, 금속 코어가 Ta2O5를 포함하는 것인 금속 산화물 나노입자.
  6. 제1항에 있어서, 금속 코어가 Nb2O5를 포함하는 것인 금속 산화물 나노입자.
  7. 하기 단계를 포함하는, 금속 (V) 산화물 나노입자를 제조하는 방법:
    금속 (V) 알콕시드 및 알킬카르복실산을 제1 용액에 첨가하여 금속 (V) 산화물 나노입자 코어를 형성하는 단계;
    금속 (V) 산화물 나노입자 코어 및 알콕시알킬실란을 제2 용액에 첨가하는 단계;
    수산화암모늄을 제2 용액에 도입시키는 단계; 및
    염화수소를 제2 용액에 도입시키는 단계.
  8. 제7항에 있어서, 금속 (V) 알콕시드가 Ti, Zr, Hf, Cr, Mo, W, V 및 이들의 임의의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 금속으로 도핑된 것인 방법.
  9. 제7항에 있어서, 알콕시알킬실란이 트리(알콕시)이소부틸실란, 트리(알콕시)알릴실란, 트리(알콕시)비닐실란, 트리(알콕시)-n-프로필실란, 트리(알콕시)-n-부틸실란, 트리(알콕시)-sec-부틸실란, 트리(알콕시)-tert-부틸실란, 트리(알콕시)페닐실란, 트리(알콕시)-n-옥틸실란, 트리(알콕시)이소옥틸실란, 트리(알콕시)-n-도데실실란, 트리(알콕시)-4-(트리메틸실릴)페닐실란, 트리(알콕시)-p-톨릴실란, 트리(알콕시)-4-플루오로페닐실란, 트리(알콕시)-4-클로로페닐실란, 트리(알콕시)-4-브로모페닐실란, 트리(알콕시)-4-아이오도페닐실란, 트리(알콕시)-4-시아노페닐실란, 트리(알콕시)벤질실란, 트리(알콕시)메틸실란, 트리(알콕시)에틸실란, 트리(알콕시)-4-(트리플루오로메틸)페닐실란, 트리(알콕시)-4-암모늄부틸실란 및 이들의 임의의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 방법.
  10. 제9항에 있어서, 알콕시알킬실란의 알콕시 기가 메톡시 기, 에톡시 기, 이소프로폭시 기, tert-부톡시 기, 페녹시 기 또는 이들의 임의의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 방법.
  11. 제7항에 있어서, 알콕시알킬실란이 암모늄 기로 종결된 것인 방법.
  12. 제7항에 있어서, 알콕시알킬실란이 비스-(알콕시실릴)알칸이고, 방법이 가교된 금속 (V) 산화물 나노입자를 형성하는 것인 방법.
  13. 제7항에 있어서, 금속 (V) 알콕시드가 화학식 M(OR)5 (여기서 M은 탄탈럼 (V) 또는 니오븀 (V)이고, OR은 메톡시드, 에톡시드, n-프로폭시드, 이소프로폭시드, n-부톡시드, 이소-부톡시드, sec-부톡시드, tert-부톡시드 및 이들의 임의의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택됨)를 갖는 것인 방법.
  14. 제7항에 있어서, 제1 용액 및 제2 용액이 각각 물, n-프로판올, n-부탄올, 2-부탄올, 2-메틸부탄-2-올 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 용매를 포함하는 것인 방법.
  15. 제7항에 있어서, 알킬카르복실산이 이소부티르산인 방법.
  16. 제7항에 있어서, 하기 단계를 추가로 포함하는 방법:
    금속 (V) 알콕시드 및 알킬카르복실산의 용액을 원심분리하여 금속 (V) 산화물 나노입자 코어를 분리하는 단계.
  17. 제16항에 있어서, 원심분리를 5,000 - 15,000 rpm에서 1분 이상 15분 이하의 양의 시간 동안 수행하는 것인 방법.
  18. 제7항에 있어서, 금속 (V) 산화물 나노입자가 알킬실록산 리간드에 의해 결합되는 것인 방법.
  19. 제18항에 있어서, 알킬실록산 리간드가 이소부틸실록산, 알릴실록산, 비닐실록산, n-프로필실록산, n-부틸실록산, sec-부틸실록산, tert-부틸실록산, 페닐실록산, n-옥틸실록산, 이소옥틸실록산 n-도데실실록산, 4-(트리메틸실릴)페닐실록산, 파라-톨릴실록산, 4-플루오로페닐실록산, 4-클로로페닐실록산, 4-브로모페닐실록산, 4-아이오도페닐실록산, 4-시아노페닐실록산, 벤질실록산, 메틸실록산, 에틸실록산, 4-(트리플루오로메틸)페닐실록산, 4-암모늄부틸실록산 및 이들의 임의의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 방법.
  20. 제18항에 있어서, 알킬실록산 리간드가 이소부틸실록산인 방법.
  21. 제7항에 있어서, 금속 (V) 산화물 나노입자가 탄탈럼 (V) 또는 니오븀 (V)을 포함하는 것인 방법.
  22. 하기를 포함하는 금속 산화물 나노입자:
    탄탈럼 (V) 및 니오븀 (V)을 포함하는 금속 산화물 코어; 및
    금속 산화물 코어에 결합된 알킬실록산 리간드.
  23. 제22항에 있어서, 금속 산화물 코어가 Ti, Zr, Hf, Cr, Mo, W, V 및 이들의 임의의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 금속으로 도핑된 것인 금속 산화물 나노입자.
  24. 제22항에 있어서, 알킬실록산 리간드가 이소부틸실록산, 알릴실록산, 비닐실록산, n-프로필실록산, n-부틸실록산, sec-부틸실록산, tert-부틸실록산, 페닐실록산, n-옥틸실록산, 이소옥틸실록산 n-도데실실록산, 4-(트리메틸실릴)페닐실록산, 파라-톨릴실록산, 4-플루오로페닐실록산, 4-클로로페닐실록산, 4-브로모페닐실록산, 4-아이오도페닐실록산, 4-시아노페닐실록산, 벤질실록산, 메틸실록산, 에틸실록산, 4-(트리플루오로메틸)페닐실록산, 4-암모늄부틸실록산 및 이들의 임의의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 금속 산화물 나노입자.
  25. 제22항에 있어서, 알킬실록산 리간드가 이소부틸실록산인 금속 산화물 나노입자.
  26. 제22항에 있어서, 알킬실록산 리간드가 적어도 하나의 다른 나노입자의 알킬실록산 리간드에 가교된 것인 금속 산화물 나노입자.
  27. 제22항에 있어서, 금속 코어가 Ta2O5 및 Nb2O5를 포함하는 것인 금속 산화물 나노입자.
  28. 제22항에 있어서, 알킬실록산 리간드의 적어도 일부가 관능기로 종결된 것인 금속 산화물 나노입자.
  29. 제28항에 있어서, 알킬실록산 리간드의 적어도 일부가 암모늄 기로 종결된 것인 금속 산화물 나노입자.
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