光活性层的生产方法技术

本发明专利技术涉及一种用于生产半透明的光活性层的方法，以及包括该半透明的光活性层的器件。本发明专利技术提供一种用于生产半透明的光活性层的方法，所述方法包括：a)在基板上布置组合物以形成所得到的层，该组合物包括光活性材料或光活性材料的一种或多种前体；以及b)对所述所得到的层去湿以形成所述光活性材料的去湿层；其中，所述光活性材料的去湿层是半透明的。本发明专利技术还提供了一种半透明的光活性层，所述半透明的光活性层包括基板以及布置在所述基板上的光活性材料的去湿层，其中，所述光活性材料的去湿层包括多个吸收区域以及多个透明区域，其中，所述多个吸收区域包括所述光活性材料，所述多个透明区域基本上不包括所述光活性材料。还公开了包括半透明层的器件和用于生产该器件的方法，该器件作为包括所述半透明层的建筑部件和汽车部件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于生产半透明的光活性层的方法以及用于生产包含半透明的光活性层的器件的方法。还公开了半透明的光活性层和包含该半透明的光活性层的器件。半透明的光活性层在生产半透明的光电器件和光伏建筑一体化中的应用。
技术介绍
光伏建筑一体化对于经济地进行太阳能发电是引人关注的概念。特别感兴趣的是将半透明的太阳能电池整合至窗户，这是由于其打开了采用建筑物的整体外观来产生太阳能电力的前景，而不是简单地采用有限的屋顶空间。为了使这种太阳能窗户变得实用，成本必须低，并且理想地，它们能够通过玻璃行业中采用的现有涂覆方法来制造。它们需要产生有效电力，同时仍具有良好的透明度。另外，有色窗对于新应用是重要的，并且可能会希望色彩“绚丽”，最大的需求是用于具有受控着色水平的中性色着色的窗户。近来，实现太阳能电池中均匀涂覆半透明度的大多数方法使用有机太阳能电池或染色敏化的电池(例如参见，Kang,M.G.,Park,N.,Park,Y.J.,Ryu,K.S.&H.,C.S.,SolarEnergyMaterialsandSolarCells,75,475–479,2003)。这些技术是可溶液处理的，表明了低成本的生产方法且易于规模化。然而，它们的效率受限于基本的电荷转移损失。因此，用于生产半透明的有机光伏的尝试已导致不尽人意的性能或低于所期望的可见光透过比。为了获得中性色，通常以损失总效率来小心地选择活性材料(Ameri,T.etal.,AdvancedFunctionalMaterials,20,1592–1598,2010)。选择薄膜太阳能技术来简单地降低吸收体的厚度以提供透明度。事实上，这恰恰利用了近来安装在BIPV的无定形硅来完成。然而，如果利用任何传统半导体(比如无定形硅)完成，则薄膜由于带隙增加的吸收系数而将呈现出红色或棕色。近年来，作为令人关注的新种类光伏材料，出现了半导体钙钛矿。它们提供可溶液处理的本体(bulk)半导体，其可以用廉价且丰富的材料来制造。现在已经证明了高达12.3％的单结能量转化效率(例如参见，Lee,M.M.,Teuscher,J.,Miyasaka,T.,Murakami,T.N.&Snaith,H.J.,Science,338,643–7,2012；Ball,J.M.,Lee,M.M.,Hey,A.&Snaith,H.J.,Energy&EnvironmentalScience,2013,doi:10.1039/b000000x)。本专利技术人近来的工作已表明，高效率钙钛矿太阳能电池可在低温下并且以完全平面异质结薄膜结构来生产，大大地降低了制造成本并简化了设计。这些特性将使得这种的钙钛矿成为制造半透明窗户的理想材料。然而，尽管产生最高效率的甲基胺卤化铅钙钛矿在整个可见光谱中具有吸收作用，但是与传统半导体一同观察时，薄至足以成为半透明的均匀薄膜在光谱的高能量端仍然具有较高的吸收作用，这就意味着它们在透射中呈现出灰色或红色。虽然“青铜色”是用于装配玻璃的一个选择，但是它并不代表最合意的装配玻璃选择。
技术实现思路
本专利技术人已经对在成形和晶体化期间溶液处理的光活性膜(包括钙钛矿膜)的去湿进行研究和模型化。他们确定了在退火期间最大限度地降低去湿的重要参数，并且使用开发实现CH3NH3PbI3-xClx钙钛矿膜的完全覆盖的模型，证实了不具有无介孔层的高效平面异质结太阳能电池。在进行该项工作中，本专利技术人意识到除了最大限度地降低去湿之外，他们可使用他们的处理常识来控制去湿，并且在本申请中，他们创造了用于制造半透明的太阳能电池的新理念。与惯例相反，他们最大限度地对固体薄光活性膜去湿以形成光活性的岛(island)的微结构阵列。岛和去湿区域的长度尺度显著大于光的波长，正因如此，光穿过无光活性材料的区域，并且该岛具有恰当的厚度以在整个可见光谱中发生强烈吸收。完全吸收光活性的岛和透射光的结合，使太阳能电池是中性色且是半透明的。通过改变该薄膜的去湿程度，从而改变光活性材料(例如，钙钛矿)的岛直径，本专利技术人能够调整平均可见光透过比。对于约50％的平均透射率，对于并入有钙钛矿的去湿膜的完整太阳能电池，得到高达5％的高能量转化效率。这就表示用于低温可溶液处理的半透明太阳能电池为有前途的新技术。本专利技术人还证实了通过在光以其他方式透过的区域内的惰性基体中并入染料，能够对这种半透明的电池进行消色而不降低电池效率。因此，本专利技术涉及一种用于生产半透明的光活性层的方法，该半透明的光活性层包括光活性材料的去湿层。该方法能够利用易于规模扩大的技术来生产中性着色的半透明光电器件。去湿以最小的努力产生光活性区域的半透明的微结构阵列。这些光活性层和器件将能够经济地生产光伏建筑一体化器件。因此，本专利技术提供了一种用于生产半透明的光活性层的方法，所述方法包括：a)在基板上布置组合物以形成所得到的层，该组合物包括光活性材料或光活性材料的一种或多种前体；以及b)对所述所得到的层去湿以形成所述光活性材料的去湿层；其中，所述光活性材料的去湿层是半透明的。本专利技术还提供了一种半透明的光活性层，该半透明的光活性层能够通过根据本发明的用于生产半透明的光活性层的方法来获得。此外，本专利技术提供了一种半透明的光活性层，该半透明的光活性层包括基板以及布置在所述基板上的光活性材料的去湿层，其中，所述光活性材料的去湿层包括：多个吸收区域，所述多个吸收区域包括所述光活性材料；以及多个透明区域，所述多个透明区域基本上不包括所述光活性材料。本专利技术还提供了一种用于生产光电器件的方法，所述方法包括：a)根据本专利技术的方法生产半透明的光活性层；以及b)在所述半透明的光活性层上布置半导体的层。还提供了根据本专利技术的方法能够获得的光电器件。还提供了一种光电器件，其中，所述光电器件包括半透明的光活性层，其中，所述光活性层包括基板以及布置在所述基板上的光活性材料的去湿层，其中，所述光活性材料的去湿层包括：多个吸收区域，所述多个吸收区域包括所述光活性材料；以及多个透明区域，所述多个透明区域基本上不包括所述光活性材料。还提供了一种包括根据本专利技术的光活性层的建筑部件和汽车部件。附图说明图1示出了去湿过程的示意图，在该过程中，在浇注和初始溶剂蒸发之后，首先在材料中形成空穴，然后材料继续直至完全结晶，进一步对膜进行去湿，空穴生长成产生去湿材料的隔离区域。膜的去湿分数(涂覆区域与未涂覆区域的比)取决于诸如浇注膜厚、退火温度、浇注材料的非化学计量、膜的材料与基板之间的表面相互作用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于生产半透明的光活性层的方法，所述方法包括：(a)在基板上布置组合物以形成所得到的层，该组合物包括光活性材料或光活性材料的一种或多种前体；以及(b)对所述所得到的层去湿以形成所述光活性材料的去湿层，其中，所述光活性材料的去湿层是半透明的。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.06.18 GB 1310854.31.一种用于生产半透明的光活性层的方法，所述方法包括：
(a)在基板上布置组合物以形成所得到的层，该组合物包括光活性材料或光活性材料
的一种或多种前体；以及
(b)对所述所得到的层去湿以形成所述光活性材料的去湿层，其中，所述光活性材料的
去湿层是半透明的。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光活性材料的去湿层包括：
多个吸收区域，所述多个吸收区域包括所述光活性材料；以及
多个透明区域，所述多个透明区域基本上不包括所述光活性材料。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，(b)包括：对所述所得到的层去湿直至形成所
述光活性材料的去湿层，所述光活性材料的去湿层包括所述光活性材料的多个不相连的吸
收区域，其中，所述吸收区域的平均半径为0.4μm至100μm，并且两个相邻的吸收区域的中心
之间的平均距离为1μm至300μm。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，(b)包括：对所述所得到的层去湿直至形成所
述光活性材料的去湿层，所述光活性材料的去湿层包括所述光活性材料的多个不相连的透
明区域，所述透明区域不包括所述光活性材料，其中，所述透明区域的平均直径为0.4μm至
300μm。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述光活性材料的去湿层具有20％
至90％的所述光活性材料的覆盖度。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述光活性材料的去湿层对波长为
370nm至740nm的光具有10％至90％的平均透射率。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述光活性材料包括可溶液处理的
光活性材料。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述光活性材料包括钙钛矿、砷化
镓、硒化铅、硫化铅、砷化铟、磷化铟、铜铟硒化物、铜锌锡硫化物、铜锌锡硒化物、铜锌锡硒
硫化物、铜铟镓硒化物、铜铟镓二硒化物或铜铟镓二硒硫化物。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述光活性材料包括光活性的钙钛
矿。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述光活性材料包括混合阴离子的
钙钛矿，其中，所述混合阴离子的钙钛矿包括选自卤阴离子和硫族阴离子的两种或更多种
不同的阴离子。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述光活性材料包括式(I)的混合
卤化物的钙钛矿：
[A][B][X]3(I)
其中，
[A]为式(R1R2R3R4N)+的至少一种有机阳离子，其中：
(i)R1为氢、取代或未取代的C1-C20烷基、或者取代或未取代的芳基；
(ii)R2为氢、取代或未取代的C1-C20烷基、或者取代或未取代的芳基；
(iii)R3为氢、取代或未取代的C1-C20烷基、或者取代或未取代的芳基；以及
(iv)R4为氢、取代或未取代的C1-C20烷基、或者取代或未取代的芳基；或者
[A]为式(R5R6N＝CH-NR7R8)+的至少一种有机阳离子，其中：
(i)R5为氢、取代或未取代的C1-C20烷基、或者取代或未取代的芳基；
(ii)R6为氢、取代或未取代的C1-C20烷基、或者取代或未取代的芳基；
(iii)R7为氢、取代或未取代的C1-C20烷基、或者取代或未取代的芳基；以及
(iv)R8为氢、取代或未取代的C1-C20烷基、或者取代或未取代的芳基；
[B]为至少一种二价金属阳离子；以及
[X]为两种或更多种不同的卤阴离子。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述光活性材料包括CH3NH3PbI3、
CH3NH3PbBr3、CH3NH3PbCl3、CH3NH3PbF3、CH3NH3PbBrI2、CH3NH3PbBrCl2、CH3NH3PbIBr2、
CH3NH3PbICl2、CH3NH3PbClBr2、CH3NH3PbI2Cl、CH3NH3SnBrI2、CH3NH3SnBrCl2、CH3NH3SnF2Br、
CH3NH3SnIBr2、CH3NH3SnICl2、CH3NH3SnF2I、CH3NH3SnClBr2、CH3NH3SnI2Cl、CH3NH3SnF2Cl、(H2N
＝CH-NH2)PbI3、(H2N＝CH-NH2)PbBr3或(H2N＝CH-NH2)PbI3zBr3(1-z)，其中，z为0.0至1.0，可选
地其中，z大于0.0且小于1.0。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述基板包括电极材料和/或半导
体材料。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述基板包括透明导电氧化物或金
属的层，和/或n-型半导体的层。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述基板包括透明导电氧化物的层
和n-型半导体的致密层，并且其中，包括光活性材料或所述光活性材料的一种或多种前体
的所述组合物布置在所述n-型半导体的致密层上，
可选地其中，所述n-型半导体包括二氧化钛。
16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，(a)包括在所述基板上布置组合物，
所述组合物包括：
(i)溶剂；以及
(ii)光活性的钙钛矿或为光活性的钙钛矿的前体的两种或更多种化合物。
17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，(a)包括在所述基板上布置组合物，
所述组合物物包括：
溶剂；
AX；以及
BX2；
其中，
A为有机阳离子；
B为二价金属阳离子；以及
X各自独立地选自F、Cl、Br和I。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，B为选自Pb2+和Sn2+的二价金属阳离子。
19.根据权利要求17或18所述的方法，其中，A为(R1R2R3R4N)+或(R5R6N＝CH-NR7R8)+，并且
R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7和R8与权利要求11所限定的相同。
20.根据权利要求17至19中任一项所述的方法，其中，AX与BX2的摩尔比为1:1至12:1。
21.根据权利要求17至20中任一项所述的方法，其中，AX为有机碘化合物，以及BX2为金
属氯化物或金属碘化物。
22.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，(a)包括在基板上旋涂组合物，所述
组合物包括：
溶剂，可选地其中，所述溶剂为二甲基亚砜或二甲基甲酰胺；
甲基碘化铵；以及
氯化铅或碘化铅。
23.根据权利要求1至15中任一项所述的方法，其中，(a)包括：
(i)使所述基板暴露至蒸气，该蒸气包括用于产生所述光活性材料的一种或多种反应
物；以及
(ii)使所述蒸气沉积在所述基板上，以在所述基板上产生所述光活性材料的层。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，用于产生所述光活性材料的一种或多种反应物
包括权利要求9至12中任一项所述的光活性的钙钛矿，或包括权利要求17至22中任一项所
述的AX和BX2。
25.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，(b)包括在50℃至250℃的温度下，
对所述所得到的层进行加热。
26.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，(b)包括对所述所得到的层加热5分
钟至120分钟。
27.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，(b)包括对所述所得到的层进行去
湿直至形成所述光活性材料的覆盖度为20％至90％的所述光活性材料的去湿层。
28.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，(b)包括对所述所得到的层进行去
湿直至形成对波长为370nm至740nm的光具有10％至90％的平均透射率的所述光活性材料
的去湿层。
29.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法进一步包括：
(c)利用电子阻挡材料来阻挡所述光活性材料的去湿层的透明区域，所述电子阻挡材
料适用于减少电流从所述半透明的光活性层的第一侧上的区域穿过透明区域至半透明的
光活性层的第二侧上的区域的流动。
30.根据权利要求29所述的方法，其中，所述电子阻挡材料包括分子的自组装单层或多
层。
31.根据权利要求30所述的方法，其中，所述电子阻挡材料包括分子的自组装单层或多
层，其中，所述分子选择性地结合至所述基板。
32.根据权利要求30或31所述的方法，其中，所述电子阻挡材料包括羧化的环糊精、琥
珀酰环糊精、氰基丙烯酸末端官能化的五(3-己基噻吩)、碘代四氟苯甲酸、4-胍基丁酸、
C10-30-烷基...

【专利技术属性】
技术研发人员：亨利·施耐德，维克多·布尔拉科夫，詹姆斯·鲍尔，加尔斯·埃普龙，艾伦·哥里尔利，
申请(专利权)人：埃西斯创新有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB