包含宽带隙的钙钛矿系太阳能电池及其制造方法技术

本发明专利技术涉及包含宽带隙的钙钛矿系太阳能电池及其制造方法，详细地，本发明专利技术的太阳能电池包括钙钛矿结构的有机金属卤化物层、以及与有机金属卤化物层形成界面而层叠的结晶性物质层，结晶性物质层的结晶性物质是具有与钙钛矿结构不同的晶体结构的结晶性卤化物，结晶性卤化物具有比有机金属卤化物层的有机金属卤化物的带隙能量大的带隙能量，并具有比有机金属卤化物的价带(valence band)最大能级低的价带(valence band)最大能级。

Perovskite Solar Cells Containing Broadband Gaps and Their Manufacturing Method

The invention relates to a perovskite solar cell with wide band gap and its manufacturing method. In detail, the solar cell comprises an organic metal halide layer with perovskite structure and a crystalline material layer overlapping with an organic metal halide layer forming an interface. The crystalline material of the crystalline material layer is a crystalline halide with a crystalline structure different from that of perovskite. Crystalline halides have larger band gap energies than organic metal halides with organic metal halide layers and lower valence band energies than organic metal halides.

【技术实现步骤摘要】
包含宽带隙的钙钛矿系太阳能电池及其制造方法
本专利技术涉及包含宽带隙的钙钛矿系太阳能电池及其制造方法，详细而言，涉及利用宽带隙而弥补缺陷、光电荷提取效率增加、防止包含水分的外部环境导致的劣化的钙钛矿系太阳能电池及其制造方法。
技术介绍
也被称为有机金属卤化物钙钛矿化合物(Organometalhalideperovskitecompound)或有机无机金属卤化物的钙钛矿结构的有机金属卤化物由有机阳离子(A)、金属阳离子(M)和卤素阴离子(X)构成，是以AMX3的化学式为代表的物质。目前，利用有机无机金属卤化物作为光吸收体的钙钛矿太阳能电池在以染料敏化及有机太阳能电池为代表的下一代太阳能电池中最接近商用化，报道了达到20％的效率(韩国公开专利第2014-0035284号)，对有机无机金属卤化物的关注进一步提高。这种钙钛矿系太阳能电池具有仅次于硅太阳能电池的效率，而且原材料价格非常低，可以进行低温工序或廉价的溶液工序，因此商业性优异。但是，迟滞大，发生急剧的劣化，为了实际的商业化，要求开发出能够提高电池的稳定性和寿命的技术。现有技术文献专利文献韩国公开专利第2014-0035284号
技术实现思路
所要解决的课题本专利技术的目的是提供提高了稳定性和寿命的钙钛矿系太阳能电池。本专利技术的另一目的是提供即使不含有与水分一同成为劣化的主要原因的添加剂也能够具有优异的光电转换效率的钙钛矿系太阳能电池。本专利技术的又一目的是提供利用简单溶液涂布法提高了稳定性和寿命的钙钛矿系太阳能电池的制造方法。课题的解决方式根据本专利技术的钙钛矿系太阳能电池包含钙钛矿结构的有机金属卤化物层、以及与有机金属卤化物层形成界面而层叠的结晶性物质层，结晶性物质层的结晶性物质是具有与钙钛矿结构不同的晶体结构的结晶性卤化物，结晶性卤化物具有比有机金属卤化物层的有机金属卤化物的带隙能量大的带隙能量，并具有比有机金属卤化物的价带(valenceband)最大能级低的价带(valenceband)最大能级。在根据本专利技术的一实施例的钙钛矿系太阳能电池中，结晶性卤化物可以含有与有机金属卤化物层的有机金属卤化物同种或异种的第二有机金属卤化物。在根据本专利技术的一实施例的钙钛矿系太阳能电池中，结晶性卤化物在利用CuKα射线的X射线衍射图中，在衍射角2θ为4至6°的区域可以存在衍射峰。在根据本专利技术的一实施例的钙钛矿系太阳能电池中，结晶性卤化物可以是与有机金属卤化物层的有机金属卤化物同种或异种的第二有机金属卤化物和满足下述化学式1的季铵盐之间的反应产物。(化学式1)在化学式1中，R为碳原子数5-10的烷基，R1、R2和R3各自独立地为碳原子数1-3的烷基，X为卤素。在根据本专利技术的一实施例的钙钛矿系太阳能电池中，在化学式1中，R1、R2和R3可以分别为甲基。在根据本专利技术的一实施例的钙钛矿系太阳能电池中，第二有机金属卤化物与有机金属卤化物层的有机金属卤化物为同种，反应产物可以对有机金属卤化物层涂布季铵盐的溶液后进行热处理而生成。在根据本专利技术的一实施例的钙钛矿系太阳能电池中，可以相对于1摩尔的第二有机金属卤化物含有0.2至0.4摩尔的满足下述化学式1的季铵盐。(化学式1)在化学式1中，R为碳原子数5-10的烷基，R1、R2和R3各自独立地为碳原子数1-3的烷基，X为卤素。在根据本专利技术的一实施例的钙钛矿系太阳能电池中，结晶性卤化物可以具有2.00至2.50(eV)的带隙能量。在根据本专利技术的一实施例的钙钛矿系太阳能电池中，结晶性物质层的厚度可以为1nm至10nm。根据本专利技术的一实施例的钙钛矿系太阳能电池可以进一步包含位于有机金属卤化物层下部的电子传输体。根据本专利技术的一实施例的钙钛矿系太阳能电池还包含位于结晶性物质层上部的电极，电极可以配置成与结晶性物质层相接，或者可以配置成隔着空穴传输体而与结晶性物质层对置。根据本专利技术的一实施例的钙钛矿系太阳能电池包含位于结晶性物质层上部的空穴传输体，空穴传输体可以包含聚烷基噻吩。根据本专利技术的结晶性卤化物是钙钛矿结构的有机金属卤化物与满足下述化学式1的季铵盐之间的反应产物，在利用CuKα射线的X射线衍射图中，在衍射角2θ为4至6°的区域存在衍射峰。(化学式1)在化学式1中，R为碳原子数5-10的烷基，R1、R2和R3各自独立地为碳原子数1-3的烷基，X为卤素。根据本专利技术的钙钛矿系太阳能电池的制造方法包括对钙钛矿结构的有机金属卤化物层涂布满足下述化学式1的季铵盐溶液后进行热处理的步骤。(化学式1)在化学式1中，R为碳原子数5-10的烷基，R1、R2和R3各自独立地为碳原子数1-3的烷基，X为卤素。在根据本专利技术的一实施例的钙钛矿系太阳能电池的制造方法中，季铵盐溶液的季铵盐浓度可以为0.1mM至10mM。在根据本专利技术的一实施例的钙钛矿系太阳能电池的制造方法中，热处理可以在50至200℃的温度下进行。根据本专利技术的结晶性卤化物的制造方法包括以下步骤：制造溶解有钙钛矿结构的有机金属卤化物和满足下述化学式1的季铵盐的前体溶液的步骤；以及使制造的前体溶液的溶剂挥发除去，获得固体，进行热处理，制造在利用CuKα射线的X射线衍射图中在衍射角2θ为4至6°的区域存在衍射峰的结晶性卤化物的步骤。专利技术效果根据本专利技术的钙钛矿系太阳能电池利用与作为光吸收层的钙钛矿结构的有机金属卤化物层相接而层叠的结晶性卤化物层，具有如下的优点：即使在85％的相对湿度下暴露1008小时的情况下，电池的效率也维持80％以上，具有显著提高的水分抵挡性。另外，根据本专利技术的钙钛矿系太阳能电池利用与作为光吸收层的钙钛矿结构的有机金属卤化物层相接而层叠的结晶性卤化物层，具有如下的优点：即使在85℃的高温下暴露1500小时的情况下，也能够防止实质性的电池效率降低的、显著优异的热稳定性。另外，根据本专利技术的钙钛矿系太阳能电池利用与作为光吸收层的钙钛矿结构的有机金属卤化物层相接而层叠的结晶性卤化物层，具有如下的优点：弥补光吸收层的表面缺陷，空穴传输层完全不含有用于提高特性的添加剂而由单纯的有机空穴传输物质构成的情况下，也能够具有20％以上的优异的光电转换效率。如上所述，根据本专利技术的钙钛矿系太阳能电池具有极其优异的水分和热稳定性，能够在没有另外的添加剂的情况下实现仅以廉价的有机空穴传输物质形成的空穴传输层，不仅光吸收层，而且结晶性卤化物层也能够通过溶液涂布和热处理这样的极其简单且廉价的工序制造，因此非常有利于钙钛矿系太阳能电池的商业化。附图说明图1是根据本专利技术的一实施例图示了作为光吸收层的有机金属卤化物层和结晶性物质层的能带图的一个例子，图2是在本专利技术的一实施例中图示了季铵盐的结构的示意图以及图示了通过有机金属卤化物与季铵盐的反应而生成的结晶性卤化物的结构的示意图，图3是图示了根据本专利技术的一实施例的太阳能电池的结构的一截面图，图4是在本专利技术的一实施例中观察了与季铵盐溶液的反应前(左侧)、后(右侧)的有机金属卤化物层的表面的扫描电子显微镜照片，图5是在本专利技术的一实施例中图示了与季铵盐溶液的反应前、后的X射线衍射分析结果的图，图6是图示了对通过模型实验而制造的膜进行X射线衍射分析的结果的图，图7是图示了作为有机金属卤化物层与季铵盐的反应产物的结晶性卤化物在达到40°的2θ范围的X射线衍射结果(图7的(a))以及测定了紫外线本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钙钛矿系太阳能电池，其包括：钙钛矿结构的有机金属卤化物层、以及与所述有机金属卤化物层形成界面而层叠的结晶性物质层，所述结晶性物质层的结晶性物质是具有与钙钛矿结构不同的晶体结构的结晶性卤化物，所述结晶性卤化物具有比所述有机金属卤化物层的有机金属卤化物的带隙能量大的带隙能量，并具有比所述有机金属卤化物的价带最大能级低的价带最大能级。

【技术特征摘要】
2017.06.16 KR 10-2017-00766961.一种钙钛矿系太阳能电池，其包括：钙钛矿结构的有机金属卤化物层、以及与所述有机金属卤化物层形成界面而层叠的结晶性物质层，所述结晶性物质层的结晶性物质是具有与钙钛矿结构不同的晶体结构的结晶性卤化物，所述结晶性卤化物具有比所述有机金属卤化物层的有机金属卤化物的带隙能量大的带隙能量，并具有比所述有机金属卤化物的价带最大能级低的价带最大能级。2.根据权利要求1所述的钙钛矿系太阳能电池，其中，所述结晶性卤化物含有与所述有机金属卤化物层的有机金属卤化物同种或异种的第二有机金属卤化物。3.根据权利要求1所述的钙钛矿系太阳能电池，其中，所述结晶性卤化物在利用CuKα射线的X射线衍射图中在衍射角2θ为4至6°的区域存在衍射峰。4.根据权利要求2所述的钙钛矿系太阳能电池，其中，所述结晶性卤化物是与所述有机金属卤化物层的有机金属卤化物同种或异种的第二有机金属卤化物和满足下述化学式1的季铵盐之间的反应产物，化学式1在所述化学式1中，R为碳原子数5-10的烷基，所述R1、R2和R3各自独立地为碳原子数1-3的烷基，X为卤素。5.根据权利要求4所述的钙钛矿系太阳能电池，其中，在所述化学式1中，R1、R2和R3分别为甲基。6.根据权利要求2所述的钙钛矿系太阳能电池，其中，所述结晶性卤化物相对于1摩尔的所述第二有机金属卤化物含有0.2至0.4摩尔的满足下述化学式1的季铵盐，化学式1在所述化学式1中，R为碳原子数5-10的烷基，所述R1、R2和R3各自独立地为碳原子数1-3的烷基，X为卤素。7.根据权利要求4所述的钙钛矿系太阳能电池，其中，所述第二有机金属卤化物与所述有机金属卤化物层的有机金属卤化物是同种，所述反应产物是对所述有机金属卤化物层涂布所述季铵盐的溶液后进行热处理而生成的。8.根据权利要求4所述的钙钛矿系太阳能电池，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐章源，全男中，梁泰烈，鲁俊洪，郑义赫，
申请(专利权)人：韩国化学研究院，
类型：发明
国别省市：韩国,KR