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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-02-01
(54)【発明の名称】ペロブスカイト材料光起電力デバイスおよび組立て方法
(51)【国際特許分類】
H10K 30/50 20230101AFI20230125BHJP
H10K 39/10 20230101ALI20230125BHJP
【ＦＩ】
H01L31/04 122
H01L31/04 112Z
H01L31/04 120
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022527962
(86)(22)【出願日】2020-11-04
(85)【翻訳文提出日】2022-07-11
(86)【国際出願番号】 US2020058874
(87)【国際公開番号】W WO2021096740
(87)【国際公開日】2021-05-20
(31)【優先権主張番号】16/682,254
(32)【優先日】2019-11-13
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】522187568
【氏名又は名称】キュービックピーブイ インコーポレイテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100107766
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠重
(74)【代理人】
【識別番号】100070150
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠彦
(74)【代理人】
【識別番号】100135079
【弁理士】
【氏名又は名称】宮崎 修
(72)【発明者】
【氏名】アーウィン，マイケル
(72)【発明者】
【氏名】ホランド，マイケル
【テーマコード（参考）】
5F151
【Ｆターム（参考）】
5F151AA11
5F151CB24
5F151DA16
5F151FA04
5F151FA06
5F151GA03
(57)【要約】
光起電力デバイスを製造するための方法は、第１の面を持つ第１のペロブスカイト材料層を有する第１の光起電力デバイス部を作製することと、第２の面を持つ第２のペロブスカイト材料層を有する第２の光起電力デバイス部を作製することとを含む。次いで、第１の面が第２の面と接触するように、第１の光起電力デバイス部と第２の光起電力デバイス部とを配置する。最後に、第１の光起電力デバイス部および第２の光起電力デバイス部は、第１のペロブスカイト材料を第２のペロブスカイト材料に融着するのに十分な圧力で圧縮される。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
光起電力デバイスを製造するための方法であって、第１の面を持つ第１のペロブスカイト材料層を有する第１の光起電力デバイス部を作製することと、
第２の面を持つ第２のペロブスカイト材料層を有する第２の光起電力デバイス部を作製することと、
前記第１の面が前記第２の面と接触するように、前記第１の光起電力デバイス部と前記第２の光起電力デバイス部とを配置することと、
前記第１のペロブスカイト材料を前記第２のペロブスカイト材料に融着させるのに十分な圧力で、前記第１の光起電力デバイス部および前記第２の光起電力デバイス部を圧縮することと
を含む方法。
【請求項2】
前記光起電力デバイスを封止することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記第１の光起電力デバイス部および前記第２の光起電力デバイス部を圧縮する前に、前記第１の光起電力デバイス部の周囲に沿ってガラスフリットを配置することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項4】
前記第１の光起電力デバイス部が、第１の基板と、
前記第１の基板上に堆積された第１の電極層と、
前記第１の電極層と前記第１のペロブスカイト材料層との間に堆積された第１の界面層と
をさらに備え、
前記第２の光起電力デバイス部が、
第２の基板と、
前記第２の基板上に堆積された第２の電極層と、
前記第２の電極層と前記第２のペロブスカイト材料層との間に堆積された第２の界面層と
をさらに備える、請求項１に記載の方法。
【請求項5】
前記第１のペロブスカイト材料層および前記第２のペロブスカイト材料層は、同じ化学式および組成を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項6】
前記第１のペロブスカイト材料層および前記第２のペロブスカイト材料層が、ヨウ化ホルムアミジニウム鉛ペロブスカイト材料を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項7】
前記第１のペロブスカイト材料層が、式ＦＡＰｂＩ３を有するペロブスカイト材料を含み、前記第２のペロブスカイト材料層が、式ＭＡＰｂＩ３を有するペロブスカイトを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項8】
前記第１のペロブスカイト材料層が、式ＣｓＰｂＩ３を有するペロブスカイト材料を含み、前記第２のペロブスカイト材料層が、式ＦＡＰｂＩ３を有するペロブスカイトを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項9】
前記第１のペロブスカイト材料層が、式ＦＡＳｎＩ３を有するペロブスカイト材料を含み、前記第２のペロブスカイト材料層が、式ＦＡＰｂＩ３を有するペロブスカイトを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項10】
前記第１のペロブスカイト材料を前記第２のペロブスカイト材料に融着させるのに十分な前記圧力が１～７ＭＰａである、請求項１に記載の方法。
【請求項11】
前記第１の光起電力デバイス部および前記第２の光起電力デバイス部が圧縮されている間に、前記第１の光起電力デバイス部および前記第２の光起電力デバイス部を７５℃～１７７℃の温度に加熱することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項12】
前記第１の光起電力デバイス部および前記第２の光起電力デバイス部が圧縮されている間に、前記第１の光起電力デバイス部および前記第２の光起電力デバイス部を７５℃～１７７℃の温度に加熱することをさらに含み、前記第１のペロブスカイト材料を前記第２のペロブスカイト材料に融着させるのに十分な前記圧力が１～７ＭＰａである、請求項１に記載の方法。
【請求項13】
前記第１の光起電力デバイス部および前記第２の光起電力デバイス部を圧縮する前に、ガラスフリットペースト、インク、溶液、または粉末を前記第１の光起電力デバイス部の周囲に堆積させることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項14】
電子デバイスを製造するための方法であって、第１の基板上に第１の電極層を堆積させることと、
前記第１の電極層上に１つまたは複数の第１の界面層を堆積させることと、
前記１つまたは複数の第１の界面層上に第１のペロブスカイト材料層を堆積させることと、
第２の基板上に第２の電極層を堆積させることと、
前記第２の電極層上に１つまたは複数の第２の界面層を堆積させことと、
前記１つまたは複数の第２の界面層上に第２のペロブスカイト材料層を堆積させることと、
前記第２のペロブスカイト材料層が前記第１のペロブスカイト材料層と接触するように前記第２の基板を向けることと、
前記第２のペロブスカイト材料層を前記第１のペロブスカイト材料層と融着させるのに十分な圧力を前記第２の基板に加えることと
を含む方法。
【請求項15】
前記第１のペロブスカイト材料層および前記第２のペロブスカイト材料層は、同じ化学式および組成を有する、請求項１４に記載の方法。
【請求項16】
前記第１のペロブスカイト材料層および前記第２のペロブスカイト材料層が、ヨウ化ホルムアミジニウム鉛ペロブスカイト材料を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項17】
前記第１のペロブスカイト材料層が、式ＦＡＰｂＩ３を有するペロブスカイト材料を含み、前記第２のペロブスカイト材料層が、式ＭＡＰｂＩ３を有するペロブスカイトを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項18】
前記第１のペロブスカイト材料を前記第２のペロブスカイト材料に融着させるのに十分な前記圧力が１～７ＭＰａである、請求項１４に記載の方法。
【請求項19】
前記第１の光起電力デバイス部および前記第２の光起電力デバイス部が圧縮されている間に、前記第１の光起電力デバイス部および前記第２の光起電力デバイス部を７５℃～１７７℃の温度に加熱することをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項20】
前記第１の光起電力デバイス部および前記第２の光起電力デバイス部が圧縮されている間に、前記第１の光起電力デバイス部および前記第２の光起電力デバイス部を７５℃～１７７℃の温度に加熱することをさらに含み、前記第１のペロブスカイト材料を前記第２のペロブスカイト材料に融着させるのに十分な前記圧力が１～７ＭＰａである、請求項１４に記載の方法。
【請求項21】
前記第２のペロブスカイト材料層を前記第１のペロブスカイト材料層と融着させるのに十分な圧力を前記第２の基板に加える前に、ガラスフリットペースト、インク、溶液、または粉末を前記第１の基板の周囲に堆積させることをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項22】
光起電力デバイスであって、第１の基板と、
第２の基板と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間に配置されたペロブスカイト材料層と、
前記第１の基板と接触し、前記第１の基板と前記ペロブスカイト材料層との間に配置された第１の電極層と、
前記第２の基板と接触し、前記第２の基板と前記ペロブスカイト材料層との間に配置された第２の電極層と、
前記第１の電極層と前記ペロブスカイト材料層との間に配置された第１の界面層と、
前記ペロブスカイト材料層と前記第２の電極層との間に配置された第２の界面層と
を備え、
前記第１の電極層と前記第１の基板との間に封止材層が存在せず、前記第２の電極層と前記第２の基板との間に封止材層が存在しない、
光起電力デバイス。
【請求項23】
前記ペロブスカイト材料層が、互いに融着した第１のペロブスカイト材料および第２のペロブスカイト材料を含む、請求項２２に記載の光起電力デバイス。
【請求項24】
前記ペロブスカイト材料層がヨウ化ホルムアミジニウム鉛を含む、請求項２３に記載の光起電力デバイス。
【請求項25】
前記第１のペロブスカイト材料がヨウ化メチルアンモニウム鉛を含む、請求項２４に記載の光起電力デバイス。
【請求項26】
前記第１の基板がガラスを含み、前記第２の基板がガラスを含む、請求項２２に記載の光起電力デバイス。
【請求項27】
前記第１の基板がガラスを含み、前記第２の基板がガラスではない材料を含む、請求項２２に記載の光起電力デバイス。
【請求項28】
前記第１の界面層が電子輸送層であり、前記第２の界面層が正孔輸送層である、請求項２２に記載の光起電力デバイス。
【請求項29】
前記第１の基板と前記第２の基板との間に配置された封止構造をさらに含み、前記封止構造は、前記第１の基板および第２の基板に融着され、前記ペロブスカイト材料層、第１の電極層、第２の電極層、第１の界面層、第２の界面層が、前記第１の基板、第２の基板、および封止構造の内部に封止されるように配置される、請求項２２に記載の光起電力デバイス。
【請求項30】
前記封止構造がガラスを含む、請求項２９に記載の光起電力デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
太陽エネルギーまたは放射線から電力を発生させるための光起電力技術（ＰＶ）の使用は、例えば、電源、低エミッションまたはゼロエミッション、送電網から独立した電力生産、耐久性のある物理的構造（可動部分なし）、安定かつ信頼性の高いシステム、モジュール構造、比較的迅速な設置、安全な製造および使用、ならびに良好な世論および使用の受け入れを含む多くの利益を提供し得る。薄膜ＰＶの溶液処理は、ＰＶを構成する様々な層を堆積させるための経済的な方法を提供する。しかしながら、各層を堆積するために必要とされる様々な溶液プロセスは、以前に堆積された層と互換性がない場合がある。したがって、互換性がない溶液化学によって堆積された隣接層を有するＰＶデバイスを製造するためには、ＰＶデバイスを組み立てる方法が必要とされる。
【0002】
本開示の特徴および利点は、当業者に容易に明らかになるであろう。数多くの変更が当業者によってなされ得るが、そのような変更は本発明の趣旨の範囲内である。
【発明の概要】
【0003】
光起電力デバイスを製造するための方法は、いくつかの実施形態によれば、第１の面を持つ第１のペロブスカイト材料層を有する第１の光起電力デバイス部を作製することと、第２の面を持つ第２のペロブスカイト材料層を有する第２の光起電力デバイス部を作製することと、第１の面が第２の面と接触するように、第１の光起電力デバイス部と第２の光起電力デバイス部とを配置することと、第１のペロブスカイト材料を第２のペロブスカイト材料に融着させるのに十分な圧力で、第１の光起電力デバイス部および第２の光起電力デバイス部を圧縮することとを含む。
【0004】
特定の実施形態では、方法は、光起電力デバイスを封止することを含む。
【0005】
特定の実施形態では、方法は、第１の光起電力デバイス部および第２の光起電力デバイス部を圧縮する前に、第１の光起電力デバイス部の周囲に沿ってガラスフリットを配置することを含む。
【0006】
特定の実施形態では、第１の光起電力デバイス部が、第１の基板と、第１の基板上に堆積された第１の電極層と、第１の電極層と第１のペロブスカイト材料層との間に堆積された第１の界面層とをさらに含む。第２の光起電力デバイス部が、第２の基板と、第２の基板上に堆積された第２の電極層と、第２の電極層と第２のペロブスカイト材料層との間に堆積された第２の界面層とをさらに含む。
【0007】
特定の実施形態では、第１のペロブスカイト材料層および第２のペロブスカイト材料層は、同じ化学式および組成を有する。
【0008】
特定の実施形態では、第１のペロブスカイト材料層および第２のペロブスカイト材料層が、ヨウ化ホルムアミジニウム鉛ペロブスカイト材料を含む。
【0009】
特定の実施形態では、第１のペロブスカイト材料層が、式ＦＡＰｂＩ３を有するペロブスカイト材料を含み、第２のペロブスカイト材料層が、式ＭＡＰｂＩ３を有するペロブスカイトを含む。
【0010】
特定の実施形態では、第１のペロブスカイト材料層が、式ＣｓＰｂＩ３を有するペロブスカイト材料を含み、第２のペロブスカイト材料層が、式ＦＡＰｂＩ３を有するペロブスカイトを含む。
【0011】
特定の実施形態では、第１のペロブスカイト材料層が、式ＦＡＳｎＩ３を有するペロブスカイト材料を含み、第２のペロブスカイト材料層が、式ＦＡＰｂＩ３を有するペロブスカイトを含む。
【0012】
特定の実施形態では、第１のペロブスカイト材料を第２のペロブスカイト材料に融着させるのに十分な圧力が１～７ＭＰａである。
【0013】
特定の実施形態では、方法は、第１の光起電力デバイス部および第２の光起電力デバイス部が圧縮されている間に、第１の光起電力デバイス部および第２の光起電力デバイス部を７５℃～１７７℃の温度に加熱することを含む。
【0014】
特定の実施形態では、方法は、第１の光起電力デバイス部および第２の光起電力デバイス部が圧縮されている間に、第１の光起電力デバイス部および第２の光起電力デバイス部を７５℃～１７７℃の温度に加熱することをさらに含み、第１のペロブスカイト材料を第２のペロブスカイト材料に融着させるのに十分な圧力が１～７ＭＰａである。
【0015】
特定の実施形態では、方法は、第１の光起電力デバイス部および第２の光起電力デバイス部を圧縮する前に、ガラスフリットペースト、インク、溶液、または粉末を第１の光起電力デバイス部の周囲に堆積させることを含む。
【0016】
いくつかの実施形態によれば、電子デバイスを製造するための方法は、第１の基板上に第１の電極層を堆積させることと、第１の電極層上に１つまたは複数の第１の界面層を堆積させることと、１つまたは複数の第１の界面層上に第１のペロブスカイト材料層を堆積させることと、第２の基板上に第２の電極層を堆積させることと、第２の電極層上に１つまたは複数の第２の界面層を堆積させことと、１つまたは複数の第２の界面層上に第２のペロブスカイト材料層を堆積させることと、第２のペロブスカイト材料層が第１のペロブスカイト材料層と接触するように第２の基板を向けることと、第２のペロブスカイト材料層を第１のペロブスカイト材料層と融着させるのに十分な圧力を第２の基板に加えることとを含む。
【0017】
特定の実施形態では、第１のペロブスカイト材料層および第２のペロブスカイト材料層は、同じ化学式および組成を有する。
【0018】
特定の実施形態では、第１のペロブスカイト材料層および第２のペロブスカイト材料層が、ヨウ化ホルムアミジニウム鉛ペロブスカイト材料を含む。
【0019】
特定の実施形態では、第１のペロブスカイト材料層が、式ＦＡＰｂＩ３を有するペロブスカイト材料を含み、第２のペロブスカイト材料層が、式ＭＡＰｂＩ３を有するペロブスカイトを含む。
【0020】
特定の実施形態では、第１のペロブスカイト材料を第２のペロブスカイト材料に融着させるのに十分な圧力が１～７ＭＰａである。
【0021】
特定の実施形態では、方法は、第１の光起電力デバイス部および第２の光起電力デバイス部が圧縮されている間に、第１の光起電力デバイス部および第２の光起電力デバイス部を７５℃～１７７℃の温度に加熱することを含む。
【0022】
特定の実施形態では、方法は、第１の光起電力デバイス部および第２の光起電力デバイス部が圧縮されている間に、第１の光起電力デバイス部および第２の光起電力デバイス部を７５℃～１７７℃の温度に加熱することを含み、第１のペロブスカイト材料を第２のペロブスカイト材料に融着させるのに十分な圧力が１～７ＭＰａである。
【0023】
特定の実施形態では、方法は、第２のペロブスカイト材料層を第１のペロブスカイト材料層と融着させるのに十分な圧力を第２の基板に加える前に、ガラスフリットペースト、インク、溶液、または粉末を第１の基板の周囲に堆積させることを含む。
【0024】
いくつかの実施形態によれば、光起電力デバイスは、第１の基板と、第２の基板と、第１の基板と第２の基板との間に配置されたペロブスカイト材料層と、第１の基板と接触し、第１の基板とペロブスカイト材料層との間に配置された第１の電極層と、第２の基板と接触し、第２の基板とペロブスカイト材料層との間に配置された第２の電極層と、第１の電極層とペロブスカイト材料層との間に配置された第１の界面層と、ペロブスカイト材料層と第２の電極層との間に配置された第２の界面層とを含む。第１の電極層と第１の基板との間に封止材層が存在せず、第２の電極層と第２の基板との間に封止材層が存在しない。
【0025】
特定の実施形態では、ペロブスカイト材料層が、互いに融着した第１のペロブスカイト材料および第２のペロブスカイト材料を含む。
【0026】
特定の実施形態では、ペロブスカイト材料層がヨウ化ホルムアミジニウム鉛（formamidinium lead iodide）を含む。
【0027】
特定の実施形態では、第１のペロブスカイト材料がヨウ化メチルアンモニウム鉛（methylammonium lead iodide）を含む。
【0028】
特定の実施形態では、第１の基板がガラスを含み、第２の基板がガラスを含む。
【0029】
特定の実施形態では、第１の基板がガラスを含み、第２の基板がガラスではない材料を含む。
【0030】
特定の実施形態では、第１の界面層が電子輸送層であり、第２の界面層が正孔輸送層である。
【0031】
特定の実施形態では、第１の基板と第２の基板との間に封止構造が配置される。封止構造は、第１の基板および第２の基板に融着され、ペロブスカイト材料層、第１の電極層、第２の電極層、第１の界面層、第２の界面層が、第１の基板、第２の基板、および封止構造の内部に封止されるように配置される。
【0032】
特定の実施形態では、封止構造がガラスを含む。
【0033】
本発明の利点には、互換性がない溶液化学を用いて製造された隣接層を有する薄膜ＰＶデバイスの組立てを可能にすることが含まれ得る。特に、ペロブスカイト層は、界面層の堆積のための溶液ベースの方法で使用される溶媒の多くに対して敏感であり得る。本発明は、他の方法ではペロブスカイト材料層に損傷を与えたであろう溶液化学を用いて堆積された界面層に隣接してペロブスカイト材料層を配置することを可能にする、ＰＶデバイスの組立て方法を提供する。追加的に、薄膜ＰＶデバイスの従来の「ボトムアップ」製造では、「上部」基板／スーパーストレートを取り付ける前に、「上部」電極の上に封止層または封止材層を堆積させる必要がある。本明細書で説明する技術は、ボトムアップ法を使用してＰＶデバイスの２つの部分を構築し、次いで、それらの部分を組み立てて、「上部」基板／スーパーストレートを取り付ける前に封止材層が必要とされないようにする方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【0034】
【図1】本開示のいくつかの実施形態による活性層を含む典型的な光起電力セルの概略図である。
【図2】本開示のいくつかの実施形態による例示的なＰＶデバイスの構成要素を示す様式化された図である。
【図3】本開示のいくつかの実施形態による例示的なデバイスの構成要素を示す様式化された図である。
【図4】本開示のいくつかの実施形態による例示的なデバイスの構成要素を示す様式化された図である。
【図5】本開示のいくつかの実施形態による例示的なデバイスの組立て方法を示す様式化された図である。
【図6】本開示のいくつかの実施形態による例示的なデバイスの組立て方法を示す様式化された図である。
【図7】本開示のいくつかの実施形態による例示的なデバイスの組立て方法を示す様式化された図である。
【図8】本開示のいくつかの実施形態による例示的なデバイスの組立て方法を示す様式化された図である。
【図9】本開示のいくつかの実施形態による例示的なデバイスの組立て方法を示す様式化された図である。
【図10】本開示のいくつかの実施形態による例示的なデバイスの組立て方法を示す様式化された図である。
【図11】本開示のいくつかの実施形態による例示的なデバイスの組立て方法を示す様式化された図である。
【図12】本開示のいくつかの実施形態による例示的なデバイスの封止方法を示す様式化された図である。
【図13】本開示のいくつかの実施形態による例示的なデバイスの組立て方法を示す様式化された図である。
【図14】本開示のいくつかの実施形態による例示的なデバイスの組立て方法を示す様式化された図である。
【図15】本開示のいくつかの実施形態によるペロブスカイト材料の無機金属ハロゲン化物サブラティス（inorganic metal halide sublattice）の厚さの様式化された図を提供する。
【図16】本開示のいくつかの実施形態による２端子光起電力セルの様式化された図である。
【図17】本開示のいくつかの実施形態による３端子光起電力セルの様式化された図である。
【図18】本開示のいくつかの実施形態による４端子光起電力セルの様式化された図である。
【発明を実施するための形態】
【0035】
光起電力セルおよび他の電子デバイス
いくつかのＰＶ実施形態について、図１に示す太陽電池の例示的な描写を参照して説明し得る。いくつかの実施形態による例示的なＰＶアーキテクチャは、実質的に、基板－アノード－ＩＦＬ－活性層－ＩＦＬ－カソードの形態であり得る。いくつかの実施形態の活性層は、光活性であり得、および／または光活性材料を含み得る。当技術分野で知られているように、他の層および材料がセルで利用されてもよい。さらに、「活性層」という用語の使用は、任意の他の層の特性を明示的または暗示的に制限することまたは他の方法で定義することを決して意味しないことに留意されたい。例えば、いくつかの実施形態では、ＩＦＬの一方または両方は、それらが半導体であり得る限りにおいて活性であってもよい。特に、図１を参照すると、様式化された一般的なＰＶセル１０００が描写されており、ＰＶ内のいくつかの層の高い界面特性を示している。ＰＶ１０００は、ペロブスカイト材料ＰＶの実施形態などのいくつかのＰＶデバイスに適用可能な一般的アーキテクチャを表す。ＰＶセル１０００は、太陽放射が層を透過することを可能にするガラス（または太陽放射に対して同様に透明な材料）であり得る透明基板層１０１０を含む。いくつかの実施形態の透明層はまた、（例えば、図２の基板層３９０１と同様に）スーパーストレートまたは基板とも称され得、それは、ガラス、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリイミド、ＰＭＭＡ、ＰＥＴ、ＰＥＮ、カプトン、または石英などの様々な剛性材料または可撓性材料のうちのいずれか１つまたは複数を含み得る。一般に、基板という用語は、製造中にデバイスが堆積される材料を指すために使用される。光活性層１０４０は、電子供与体もしくはｐ型材料、および／または電子受容体もしくはｎ型材料、および／またはｐ型材料の特性とｎ型材料の特性の両方を示す両極性半導体、および／またはｎ型の特性もｐ型の特性も示さない真性半導体から構成され得る。光活性層１０４０は、いくつかの実施形態では、本明細書で説明するようなペロブスカイト材料であり得る。活性層、または図１に描写するように、光活性層１０４０は、２つの導電性の電極層１０２０および１０６０の間に挟まれている。図１では、電極層１０２０は、スズドープ酸化インジウム（tin-doped indium oxide）（ＩＴＯ材料）または本明細書で説明する他の材料などの透明導電体であり得る。他の実施形態では、第２の基板１０７０および第２の電極１０６０が透明であり得る。先述のとおり、いくつかの実施形態の活性層は、必ずしも光活性である必要はないが、図１に示すデバイスではそうである。電極層１０６０は、アルミニウム材料もしくは他の金属、または炭素などの他の導電性材料であり得る。当技術分野で知られているように、他の材料が使用されてもよい。セル１０１０はまた、図１の例に示される界面層（ＩＦＬ）１０３０を含む。ＩＦＬは、電荷分離を助け得る。他の実施形態では、ＩＦＬ１０３０は、多層ＩＦＬを含み得、これについては以下でより詳細に述べる。電極１０６０に隣接するＩＦＬ１０５０も存在し得る。いくつかの実施形態では、電極１０６０に隣接するＩＦＬ１０５０は、同様にまたは代わりに、多層ＩＦＬを含み得る（これについても以下でより詳細に述べる）。いくつかの実施形態によるＩＦＬは、特性上、半導体であり得、真性、両極性、ｐ型、またはｎ型のいずれかであり得るか、または特性上、誘電体であり得る。いくつかの実施形態では、デバイスのカソード側のＩＦＬ（例えば、図１に示すＩＦＬ１０５０）はｐ型であり得、デバイスのアノード側のＩＦＬ（例えば、図１に示すＩＦＬ１０３０）はｎ型であり得る。しかしながら、他の実施形態では、カソード側のＩＦＬがｎ型であってもよく、アノード側のＩＦＬがｐ型であってもよい。セル１０１０は、電極１０６０および１０２０によって電気リード線に、ならびにバッテリ、モータ、キャパシタ、配電網、または任意の他の電気負荷などの放電ユニットに取り付けられ得る。
いくつかのＰＶ実施形態について、図１に示す太陽電池の例示的な描写を参照して説明し得る。いくつかの実施形態による例示的なＰＶアーキテクチャは、実質的に、基板－アノード－ＩＦＬ－活性層－ＩＦＬ－カソードの形態であり得る。いくつかの実施形態の活性層は、光活性であり得、および／または光活性材料を含み得る。当技術分野で知られているように、他の層および材料がセルで利用されてもよい。さらに、「活性層」という用語の使用は、任意の他の層の特性を明示的または暗示的に制限することまたは他の方法で定義することを決して意味しないことに留意されたい。例えば、いくつかの実施形態では、ＩＦＬの一方または両方は、それらが半導体であり得る限りにおいて活性であってもよい。特に、図１を参照すると、様式化された一般的なＰＶセル１０００が描写されており、ＰＶ内のいくつかの層の高い界面特性を示している。ＰＶ１０００は、ペロブスカイト材料ＰＶの実施形態などのいくつかのＰＶデバイスに適用可能な一般的アーキテクチャを表す。ＰＶセル１０００は、太陽放射が層を透過することを可能にするガラス（または太陽放射に対して同様に透明な材料）であり得る透明基板層１０１０を含む。いくつかの実施形態の透明層はまた、（例えば、図２の基板層３９０１と同様に）スーパーストレートまたは基板とも称され得、それは、ガラス、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリイミド、ＰＭＭＡ、ＰＥＴ、ＰＥＮ、カプトン、または石英などの様々な剛性材料または可撓性材料のうちのいずれか１つまたは複数を含み得る。一般に、基板という用語は、製造中にデバイスが堆積される材料を指すために使用される。光活性層１０４０は、電子供与体もしくはｐ型材料、および／または電子受容体もしくはｎ型材料、および／またはｐ型材料の特性とｎ型材料の特性の両方を示す両極性半導体、および／またはｎ型の特性もｐ型の特性も示さない真性半導体から構成され得る。光活性層１０４０は、いくつかの実施形態では、本明細書で説明するようなペロブスカイト材料であり得る。活性層、または図１に描写するように、光活性層１０４０は、２つの導電性の電極層１０２０および１０６０の間に挟まれている。図１では、電極層１０２０は、スズドープ酸化インジウム（tin-doped indium oxide）（ＩＴＯ材料）または本明細書で説明する他の材料などの透明導電体であり得る。他の実施形態では、第２の基板１０７０および第２の電極１０６０が透明であり得る。先述のとおり、いくつかの実施形態の活性層は、必ずしも光活性である必要はないが、図１に示すデバイスではそうである。電極層１０６０は、アルミニウム材料もしくは他の金属、または炭素などの他の導電性材料であり得る。当技術分野で知られているように、他の材料が使用されてもよい。セル１０１０はまた、図１の例に示される界面層（ＩＦＬ）１０３０を含む。ＩＦＬは、電荷分離を助け得る。他の実施形態では、ＩＦＬ１０３０は、多層ＩＦＬを含み得、これについては以下でより詳細に述べる。電極１０６０に隣接するＩＦＬ１０５０も存在し得る。いくつかの実施形態では、電極１０６０に隣接するＩＦＬ１０５０は、同様にまたは代わりに、多層ＩＦＬを含み得る（これについても以下でより詳細に述べる）。いくつかの実施形態によるＩＦＬは、特性上、半導体であり得、真性、両極性、ｐ型、またはｎ型のいずれかであり得るか、または特性上、誘電体であり得る。いくつかの実施形態では、デバイスのカソード側のＩＦＬ（例えば、図１に示すＩＦＬ１０５０）はｐ型であり得、デバイスのアノード側のＩＦＬ（例えば、図１に示すＩＦＬ１０３０）はｎ型であり得る。しかしながら、他の実施形態では、カソード側のＩＦＬがｎ型であってもよく、アノード側のＩＦＬがｐ型であってもよい。セル１０１０は、電極１０６０および１０２０によって電気リード線に、ならびにバッテリ、モータ、キャパシタ、配電網、または任意の他の電気負荷などの放電ユニットに取り付けられ得る。
【0036】
本開示の様々な実施形態は、とりわけ、活性材料（正孔輸送層および／または電子輸送層を含む）、界面層、および全体的なデバイス設計を含む、太陽電池および他のデバイスの様々な態様における改善された材料および／または設計を提供する。
【0037】
ペロブスカイト材料
ペロブスカイト材料は、ＰＶまたは他のデバイスの１つまたは複数の態様に組み込まれ得る。いくつかの実施形態によるペロブスカイト材料は、一般式ＣｗＭｙＸｚのものであり得、式中、Ｃは、１つまたは複数のカチオン（例えば、アミン、アンモニウム、ホスホニウム、１族金属、２族金属、および／または他のカチオンまたはカチオン様化合物）を含み、Ｍは、１つまたは複数の金属（例としては、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、およびＺｒが挙げられる）を含み、Ｘは、１つまたは複数のアニオンを含み、ｗ、ｙ、およびｚは、１～２０の実数を表す。いくつかの実施形態では、Ｃは、１つまたは複数の有機カチオンを含み得る。いくつかの実施形態では、各有機カチオンＣは、各金属Ｍより大きくてもよく、各アニオンＸは、カチオンＣおよび金属Ｍの両方と結合することができ得る。特定の実施形態では、ペロブスカイト材料は、式ＣＭＸ３のものであり得る。いくつかの実施形態では、ペロブスカイト材料は、式Ｃ’２Ｃｎ－１ＭｎＸ３ｎ－１を有し得、式中、ｎは整数である。例えば、ｎ＝１の場合、ペロブスカイト材料は式Ｃ’２ＭＸ４を有し得、ｎ＝２の場合、ペロブスカイト材料は式Ｃ’２ＣＭ２Ｘ７を有し得、ｎ＝３の場合、ペロブスカイト材料は式Ｃ’２Ｃ２Ｍ３Ｘ１０を有し得、ｎ＝４の場合、ペロブスカイト材料は式Ｃ’２Ｃ３Ｍ４Ｘ１３を有し得、以下同様である。図１５に示すように、ｎ値は、ペロブスカイト材料の無機金属ハロゲン化物サブラティス１３００の厚さを示す。
ペロブスカイト材料は、ＰＶまたは他のデバイスの１つまたは複数の態様に組み込まれ得る。いくつかの実施形態によるペロブスカイト材料は、一般式ＣｗＭｙＸｚのものであり得、式中、Ｃは、１つまたは複数のカチオン（例えば、アミン、アンモニウム、ホスホニウム、１族金属、２族金属、および／または他のカチオンまたはカチオン様化合物）を含み、Ｍは、１つまたは複数の金属（例としては、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、およびＺｒが挙げられる）を含み、Ｘは、１つまたは複数のアニオンを含み、ｗ、ｙ、およびｚは、１～２０の実数を表す。いくつかの実施形態では、Ｃは、１つまたは複数の有機カチオンを含み得る。いくつかの実施形態では、各有機カチオンＣは、各金属Ｍより大きくてもよく、各アニオンＸは、カチオンＣおよび金属Ｍの両方と結合することができ得る。特定の実施形態では、ペロブスカイト材料は、式ＣＭＸ３のものであり得る。いくつかの実施形態では、ペロブスカイト材料は、式Ｃ’２Ｃｎ－１ＭｎＸ３ｎ－１を有し得、式中、ｎは整数である。例えば、ｎ＝１の場合、ペロブスカイト材料は式Ｃ’２ＭＸ４を有し得、ｎ＝２の場合、ペロブスカイト材料は式Ｃ’２ＣＭ２Ｘ７を有し得、ｎ＝３の場合、ペロブスカイト材料は式Ｃ’２Ｃ２Ｍ３Ｘ１０を有し得、ｎ＝４の場合、ペロブスカイト材料は式Ｃ’２Ｃ３Ｍ４Ｘ１３を有し得、以下同様である。図１５に示すように、ｎ値は、ペロブスカイト材料の無機金属ハロゲン化物サブラティス１３００の厚さを示す。
【0038】
特定の実施形態では、Ｃは、アンモニウム、一般式［ＮＲ４］＋の有機カチオンを含み得、式中、Ｒ基は、同じ基であっても異なる基であってもよい。適切なＲ基としては、以下が挙げられるが、これらに限定されない：水素、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチル基またはそれらの異性体；任意のアルカン、アルケンまたはアルキンＣｘＨｙ（式中、ｘ＝１～２０、ｙ＝１～４２、環状、分枝状、もしくは直鎖状）；ハロゲン化アルキルＣｘＨｙＸｚ（式中、ｘ＝１～２０、ｙ＝０～４２、ｚ＝１～４２、Ｘ＝Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、またはＩ）；任意の芳香族基（例えば、フェニル、アルキルフェニル（alkylphenl）、アルコキシフェニル（alkoxyphenyl）、ピリジン、ナフタレン）；少なくとも１つの窒素が環内に含まれる環状錯体（例えば、ピリジン、ピロール、ピロリジン、ピペリジン、テトラヒドロキノリン）；任意の硫黄含有基（例えば、スルホキシド、チオール、アルキルスルフィド）；任意の窒素含有基（ニトロキシド、アミン）；任意のリン含有基（リン酸塩）；任意のホウ素含有基（例えば、ボロン酸）；任意の有機酸（例えば、酢酸、プロパン酸）；およびそのエステルまたはアミド誘導体；α、β、γ、およびそれ以上の誘導体を含む任意のアミノ酸（例えば、グリシン、システイン、プロリン、グルタミン酸、アルギニン、セリン、ヒスチジン、５－アミノ吉草酸（5-ammoniumvaleric acid））；任意のケイ素含有基（例えば、シロキサン）；ならびに、任意のアルコキシまたは基、－ＯＣｘＨｙ（式中、ｘ＝０～２０、ｙ＝１～４２）。
【0039】
特定の実施形態では、Ｃは、ホルムアミジニウム（ＦＡ：formamidinium）、一般式［Ｒ２ＮＣＲＮＲ２］＋の有機カチオンを含み得、式中、Ｒ基は、同じ基であっても異なる基であってもよい。適切なＲ基としては、以下が挙げられるが、これらに限定されない：水素、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチル基またはそれらの異性体；任意のアルカン、アルケンまたはアルキンＣｘＨｙ（式中、ｘ＝１～２０、ｙ＝１～４２、環状、分枝状、もしくは直鎖状）；ハロゲン化アルキルＣｘＨｙＸｚ（式中、ｘ＝１～２０、ｙ＝０～４２、ｚ＝１～４２、Ｘ＝Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、またはＩ）；任意の芳香族基（例えば、フェニル、アルキルフェニル、アルコキシフェニル、ピリジン、ナフタレン）；少なくとも１つの窒素が環内に含まれる環状錯体（例えば、イミダゾール、ベンズイミダゾール、ピリミジン、（azolidinylidenemethyl）ピロリジン、トリアゾール）；任意の硫黄含有基（例えば、スルホキシド、チオール、アルキルスルフィド）；任意の窒素含有基（ニトロキシド、アミン）；任意のリン含有基（リン酸塩）；任意のホウ素含有基（例えば、ボロン酸）；任意の有機酸（酢酸、プロパン酸）およびそのエステルまたはアミド誘導体；α、β、γ、およびそれ以上の誘導体を含む任意のアミノ酸（例えば、グリシン、システイン、プロリン、グルタミン酸、アルギニン、セリン、ヒスチジン、５－アミノ吉草酸）；任意のケイ素含有基（例えば、シロキサン）；ならびに、任意のアルコキシまたは基、－ＯＣｘＨｙ（式中、ｘ＝０～２０、ｙ＝１～４２）。
【化1】
【0040】
式１は、上記のような一般式［Ｒ２ＮＣＲＮＲ２］＋を有するホルムアミジニウムカチオンの構造を示す。式２は、ペロブスカイト材料中でカチオン「Ｃ」として機能し得るいくつかのホルムアミジニウムカチオンの例示的な構造を示す。
【化2】
【0041】
特定の実施形態では、Ｃは、グアニジニウム、一般式［（Ｒ２Ｎ）２Ｃ＝ＮＲ２］＋の有機カチオンを含み得、式中、Ｒ基は、同じ基であっても異なる基であってもよい。適切なＲ基としては、以下が挙げられるが、これらに限定されない：水素、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチル基またはそれらの異性体；任意のアルカン、アルケンまたはアルキンＣｘＨｙ（式中、ｘ＝１～２０、ｙ＝１～４２、環状、分枝状、もしくは直鎖状）；ハロゲン化アルキルＣｘＨｙＸｚ（式中、ｘ＝１～２０、ｙ＝０～４２、ｚ＝１～４２、Ｘ＝Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、またはＩ）；任意の芳香族基（例えば、フェニル、アルキルフェニル、アルコキシフェニル、ピリジン、ナフタレン）；少なくとも１つの窒素が環内に含まれる環状錯体（例えば、オクタヒドロピリミド［１，２－ａ］ピリミジン（octahydropyrimido[1,2-a]pyrimidine）、ピリミド［１，２－ａ］ピリミジン（pyrimido[1,2-a]pyrimidine）、ヘキサヒドロイミダゾ［１，２－ａ］イミダゾール（hexahydroimidazo[1,2-a]imidazole）、ヘキサヒドロピリミジン－２－イミン（hexahydroimidazo[1,2-a]imidazole, hexahydropyrimidin-2-imine））；任意の硫黄含有基（例えば、スルホキシド、チオール、アルキルスルフィド）；任意の窒素含有基（ニトロキシド、アミン）；任意のリン含有基（リン酸塩）；任意のホウ素含有基（例えば、ボロン酸）；任意の有機酸（酢酸、プロパン酸）およびそのエステルまたはアミド誘導体；α、β、γ、およびそれ以上の誘導体を含む任意のアミノ酸（例えば、グリシン、システイン、プロリン、グルタミン酸、アルギニン、セリン、ヒスチジン、５－アミノ吉草酸）；任意のケイ素含有基（例えば、シロキサン）；ならびに、任意のアルコキシまたは基、－ＯＣｘＨｙ（式中、ｘ＝０～２０、ｙ＝１～４２）。
【化3】
【0042】
式３は、上記のような一般式［（Ｒ２Ｎ）２Ｃ＝ＮＲ２］＋を有するグアニジニウムカチオンの構造を示す。式４は、ペロブスカイト材料中でカチオン「Ｃ」として機能し得るいくつかのグアニジニウムカチオンの構造の例を示す。
【化4】
【0043】
特定の実施形態では、Ｃは、エテンテトラミンカチオン（ethene tetramine cation）、一般式［（Ｒ２Ｎ）２Ｃ＝Ｃ（ＮＲ２）２］＋の有機カチオンを含み得、式中、Ｒ基は、同じ基であっても異なる基であってもよい。適切なＲ基としては、以下が挙げられるが、これらに限定されない：水素、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチル基またはそれらの異性体；任意のアルカン、アルケンまたはアルキンＣｘＨｙ（式中、ｘ＝１～２０、ｙ＝１～４２、環状、分枝状、もしくは直鎖状）；ハロゲン化アルキルＣｘＨｙＸｚ（式中、ｘ＝１～２０、ｙ＝０～４２、ｚ＝１～４２、Ｘ＝Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、またはＩ）；任意の芳香族基（例えば、フェニル、アルキルフェニル、アルコキシフェニル、ピリジン、ナフタレン）；少なくとも１つの窒素が環内に含まれる環状錯体（例えば、２－ヘキサヒドロピリミジン－２－イリデンヘキサヒドロピリミジン（2-hexahydropyrimidin-2-ylidenehexahydropyrimidine）、オクタヒドロピラジノ［２，３－ｂ］ピラジン（octahydropyrazino[2,3-b]pyrazine）、ピラジノ［２，３－ｂ］ピラジン（pyrazino[2,3-b]pyrazine）、キノキサリノ［２，３－ｂ］キノキサリン（quinoxalino[2,3-b]quinoxaline））；任意の硫黄含有基（例えば、スルホキシド、チオール、アルキルスルフィド）；任意の窒素含有基（ニトロキシド、アミン）；任意のリン含有基（リン酸塩）；任意のホウ素含有基（例えば、ボロン酸）；任意の有機酸（酢酸、プロパン酸）およびそのエステルまたはアミド誘導体；α、β、γ、およびそれ以上の誘導体を含む任意のアミノ酸（例えば、グリシン、システイン、プロリン、グルタミン酸、アルギニン、セリン、ヒスチジン、５－アミノ吉草酸）；任意のケイ素含有基（例えば、シロキサン）；ならびに、任意のアルコキシまたは基、－ＯＣｘＨｙ（式中、ｘ＝０～２０、ｙ＝１～４２）。
【化5】
【0044】
式５は、上記のような一般式［（Ｒ２Ｎ）２Ｃ＝Ｃ（ＮＲ２）２］＋を有するエテンテトラミンカチオンの構造を示す。式６は、ペロブスカイト材料中でカチオン「Ｃ」として機能し得るいくつかのエテンテトラミンイオンの構造の例を示す。
【化6】
【0045】
特定の実施形態では、Ｃは、イミダゾリウムカチオン、一般式［ＣＲＮＲＣＲＮＲＣＲ］＋の芳香族環状有機カチオンを含み得、式中、Ｒ基は、同じ基であっても異なる基であってもよい。適切なＲ基としては、以下が挙げられ得るが、これらに限定されない：水素、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチル基またはそれらの異性体；任意のアルカン、アルケンまたはアルキンＣｘＨｙ（式中、ｘ＝１～２０、ｙ＝１～４２、環状、分枝状、もしくは直鎖状）；ハロゲン化アルキルＣｘＨｙＸｚ（式中、ｘ＝１～２０、ｙ＝０～４２、ｚ＝１～４２、Ｘ＝Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、またはＩ）；任意の芳香族基（例えば、フェニル、アルキルフェニル、アルコキシフェニル、ピリジン、ナフタレン）；少なくとも１つの窒素が環内に含まれる環状錯体（例えば、２－ヘキサヒドロピリミジン－２－イリデンヘキサヒドロピリミジン、オクタヒドロピラジノ［２，３－ｂ］ピラジン、ピラジノ［２，３－ｂ］ピラジン、キノキサリノ［２，３－ｂ］キノキサリン）；任意の硫黄含有基（例えば、スルホキシド、チオール、アルキルスルフィド）；任意の窒素含有基（ニトロキシド、アミン）；任意のリン含有基（リン酸塩）；任意のホウ素含有基（例えば、ボロン酸）；任意の有機酸（酢酸、プロパン酸）およびそのエステルまたはアミド誘導体；α、β、γ、およびそれ以上の誘導体を含む任意のアミノ酸（例えば、グリシン、システイン、プロリン、グルタミン酸、アルギニン、セリン、ヒスチジン、５－アミノ吉草酸）；任意のケイ素含有基（例えば、シロキサン）；ならびに、任意のアルコキシまたは基、－ＯＣｘＨｙ（式中、ｘ＝０～２０、ｙ＝１～４２）。
【化7】
【0046】
いくつかの実施形態では、Ｘは１つまたは複数のハロゲン化物を含み得る。特定の実施形態では、Ｘは、代わりにまたは加えて、１６族アニオンを含み得る。特定の実施形態では、１６族アニオンは、酸化物、硫化物、セレン化物、またはテルル化物であり得る。特定の実施形態では、Ｘは、代わりにまたは加えて、１つまたは複数の擬ハロゲン化物（例えば、シアン化物、シアネート、イソシアネート、フルミネート（fulminate）、チオシアネート、イソチオシアネート、アジド、トリフレート、テトラフルオロホウ酸塩（tetrafluoroborate）、ヘキサフルオロリン酸塩（hexafluorophosphate）、テトラキス［３，５－ビス（トリフルオロメチル）フェニル］ボレート（「ＢＡＲＦ」）、テトラカルボニルコバルテート（tetracarbonylcobaltate）、カルバモイルジシアノメタニド（carbamoyldicyanomethanide）、ジシアノニトロソメタニド（dicyanonitrosomethanide）、ジシアナミド（dicyanamide）、およびトリシアノメタニド（tricyanomethanide））を含み得る。
【0047】
一実施形態では、ペロブスカイト材料は、実験式ＣＭＸ３を含み得、式中、Ｃは、前述のカチオン、１族金属、２族金属、および／または他のカチオンもしくはカチオン様化合物のうちの１つまたは複数を含み、Ｍは、１つまたは複数の金属（例としては、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、およびＺｒが挙げられる）を含み、Ｘは、前述のアニオンのうちの１つまたは複数を含む。
【0048】
別の実施形態では、ペロブスカイト材料は、実験式Ｃ’Ｍ２Ｘ６を含み得、式中、Ｃ’は、前述のカチオン、ジアンモニウムブタン（diammonium butane）、１族金属、２族金属、および／または他のカチオンもしくはカチオン様化合物のうちの１つまたは複数を含む、２＋電荷を有するカチオンを含み、Ｍは、１つまたは複数の金属（例としては、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、およびＺｒが挙げられる）を含み、Ｘは、前述のアニオンのうちの１つまたは複数を含む。
【0049】
別の実施形態では、ペロブスカイト材料は、実験式Ｃ’ＭＸ４を含み得、式中、Ｃ’は、前述のカチオン、ジアンモニウムブタン、１族金属、２族金属、および／または他のカチオンもしくはカチオン様化合物のうちの１つまたは複数を含む、２＋電荷を有するカチオンを含み、Ｍは、１つまたは複数の金属（例としては、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、およびＺｒが挙げられる）を含み、Ｘは、前述のアニオンのうちの１つまたは複数を含む。このような実施形態では、ペロブスカイト材料は２Ｄ構造を有し得る。
【0050】
一実施形態では、ペロブスカイト材料は、実験式Ｃ３Ｍ２Ｘ９を含み得、式中、Ｃは、前述のカチオン、１族金属、２族金属、および／または他のカチオンもしくはカチオン様化合物のうちの１つまたは複数を含み、Ｍは、１つまたは複数の金属（例としては、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、およびＺｒが挙げられる）を含み、Ｘは、前述のアニオンのうちの１つまたは複数を含む。
【0051】
一実施形態では、ペロブスカイト材料は、実験式ＣＭ２Ｘ７を含み得、式中、Ｃは、前述のカチオン、１族金属、２族金属、および／または他のカチオンもしくはカチオン様化合物のうちの１つまたは複数を含み、Ｍは、１つまたは複数の金属（例としては、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、およびＺｒ ｎが挙げられる）を含み、Ｘは、前述のアニオンのうちの１つまたは複数を含む。
【0052】
一実施形態では、ペロブスカイト材料は、実験式Ｃ２ＭＸ４を含み得、式中、Ｃは、前述のカチオン、１族金属、２族金属、および／または他のカチオンもしくはカチオン様化合物のうちの１つまたは複数を含み、Ｍは、１つまたは複数の金属（例としては、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、およびＺｒが挙げられる）を含み、Ｘは、前述のアニオンのうちの１つまたは複数を含む。
【0053】
ペロブスカイト材料はまた、Ｃ、Ｍ、またはＸが２つ以上の種を含む混合イオン配合物、例えば、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、およびＦＡ０．８５ＭＡ０．１５Ｐｂ（Ｉ０．８５Ｂｒ０．１５）３を含み得る。
【0054】
界面層
本開示は、いくつかの実施形態では、薄膜ＩＦＬ（thin-coat IFL）を含むＰＶ内の１つまたは複数の界面層の有利な材料および設計を提供する。薄膜ＩＦＬは、本明細書で述べる様々な実施形態によるＰＶの１つまたは複数のＩＦＬにおいて使用され得る。
本開示は、いくつかの実施形態では、薄膜ＩＦＬ（thin-coat IFL）を含むＰＶ内の１つまたは複数の界面層の有利な材料および設計を提供する。薄膜ＩＦＬは、本明細書で述べる様々な実施形態によるＰＶの１つまたは複数のＩＦＬにおいて使用され得る。
【0055】
様々な実施形態によれば、デバイスは、任意選択で、任意の２つの他の層および／または材料の間に界面層を含み得るが、デバイスは、いずれの界面層も含む必要はない。例えば、ペロブスカイト材料デバイスは、０、１つ、２つ、３つ、４つ、５つ、またはそれ以上の界面層を含み得る（例えば、５つの界面層３９０３、３９０５、３９０７、３９０９、および３９１１を含む図２の例示的なデバイス）。界面層は、２つの層または材料間での電荷の輸送および／または収集を促進させるための任意の適切な材料を含み得、界面層に隣接する材料のうちの１つから電荷が輸送された後に電荷再結合する可能性を低減または防止するのにも役立ち得る。追加的に、界面層は、その基板を物理的および電気的に均質化して、基板の粗さ、誘電率、接着力、欠陥（例えば、電荷トラップ、表面状態）を生み出すことまたは消滅させることに変化を生じさせ得る。適切な界面材料には、以下のいずれか１つまたは複数が含まれ得る：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；上記のいずれかの金属の炭化物（例えば、ＳｉＣ、Ｆｅ３Ｃ、ＷＣ、ＶＣ、ＭｏＣ、ＮｂＣ）；前述のいずれかの金属のケイ化物（例えば、Ｍｇ２Ｓｉ、ＳｒＳｉ２、Ｓｎ２Ｓｉ）；前述のいずれかの金属の酸化物（例えば、アルミナ、シリカ、チタニア、ＳｎＯ２、ＺｎＯ、ＮｉＯ、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２）、インジウムスズ酸化物（indium tin oxide）、アルミニウムドープ酸化亜鉛（ＡＺＯ：aluminum doped zinc oxide）、酸化カドミウム（ＣｄＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）などの透明導電酸化物（「ＴＣＯ」：transparent conducting oxide）を含む；前述のいずれかの金属の硫化物（例えば、ＣｄＳ、ＭｏＳ２、ＳｎＳ２）；前述のいずれかの金属の窒化物（例えば、ＧａＮ、Ｍｇ３Ｎ２、ＴｉＮ、ＢＮ、Ｓｉ３Ｎ４）；前述のいずれかの金属のセレン化物（例えば、ＣｄＳｅ、ＦｅＳ２、ＺｎＳｅ）；前述のいずれかの金属のテルル化物（例えば、ＣｄＴｅ、ＴｉＴｅ２、ＺｎＴｅ）；前述のいずれかの金属のリン化物（例えば、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＧａＩｎＰ）；前述のいずれかの金属のヒ化物（例えば、ＣｏＡｓ３、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＮｉＡｓ）；前述のいずれかの金属のアンチモン化物（例えば、ＡｌＳｂ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ）；前述のいずれかの金属のハロゲン化物（例えば、ＣｕＣｌ、ＣｕＩ、ＢｉＩ３）；前述のいずれかの金属の擬ハロゲン化物（例えば、ＣｕＳＣＮ、ＡｕＣＮ、Ｆｅ（ＳＣＮ）２）；前述のいずれかの金属の炭酸塩（例えば、ＣａＣＯ３、Ｃｅ２（ＣＯ３）３）；官能化または非官能化アルキルシリル基（functionalized or non-functionalized alkyl silyl groups）；グラファイト；グラフェン；フラーレン；カーボンナノチューブ；本明細書の他の箇所で述べる任意のメソポーラス材料および／または界面材料；ならびにそれらの組み合わせ（いくつかの実施形態では、複合材料の二層、三層または多層が含まれる）。いくつかの実施形態では、界面層は、ペロブスカイト材料を含み得る。さらに、界面層は、本明細書で言及される任意の界面材料のドープされた実施形態（例えば、ＹドープＺｎＯ、Ｎドープ単層カーボンナノチューブ）を含み得る。界面層はまた、上記材料のうちの３つを有する化合物（例えば、ＣｕＴｉＯ３、Ｚｎ２ＳｎＯ４）または上記材料のうちの４つを有する化合物（例えば、ＣｏＮｉＺｎＯ）を含み得る。上に列挙した材料は、平面状、メソポーラス状、またはそれ以外のナノ構造化形態（例えば、ロッド、球、花、ピラミッド）、またはエアロゲル構造で存在し得る。
【0056】
最初に、先述のとおり、１つまたは複数のＩＦＬ（例えば、図１に示すＩＦＬ２６２６および２６２７の一方または両方）は、自己組織化単分子層（ＳＡＭ：self-assembled monolayer）としてまたは薄膜として、本開示の光活性有機化合物を含み得る。本開示の光活性有機化合物がＳＡＭとして適用される場合、アノードおよびカソードの一方または両方の表面に共有結合でまたは他の方法で結合され得る結合基を含み得る。いくつかの実施形態の結合基は、ＣＯＯＨ、ＳｉＸ３（式中、Ｘは、Ｓｉ（ＯＲ）３およびＳｉＣｌ３などの三元シリコン化合物（ternary silicon compound）を形成するのに適した任意の部分であり得る）、ＳＯ３、ＰＯ４Ｈ、ＯＨ、ＣＨ２Ｘ（式中、Ｘは、１７族ハロゲン化物を含み得る）、およびＯのうちのいずれか１つまたは複数を含み得る。結合基は、電子求引性部分、電子供与体部分、および／またはコア部分に共有結合でまたは他の方法で結合され得る。結合基は、（例えば、複数の光活性有機化合物がアノードおよび／またはカソードに結合している場合）厚さが単一分子（または、いくつかの実施形態では、多分子）の方向性のある組織化された層を形成するように、電極表面に取り付けられ得る。述べたように、ＳＡＭは、共有結合相互作用によって付着し得るが、いくつかの実施形態では、イオンの、水素結合の、および／または分散力（すなわち、ファンデルワールス）の相互作用によって付着し得る。さらに、特定の実施形態では、光に曝露されると、ＳＡＭは、双性イオンの（zwitterionic）励起状態に入り得、それによって、電荷担体を活性層から電極（アノードまたはカソードのいずれか）に誘導し得る高度に分極したＩＦＬを形成する。この強化された電荷担体注入は、いくつかの実施形態では、活性層の断面を電子的にポーリングし、したがってそれぞれの電極に（例えば、正孔はアノードに、電子はカソードに）向かう電荷担体のドリフト速度を増加させることによって達成され得る。いくつかの実施形態のアノード用途のための分子は、コア部分に結合された一次電子供与体部分を含む調整可能な化合物を含み得、コア部分は電子求引性部分に結合しており、電子求引性部分は結合基に結合している。いくつかの実施形態によるカソード用途では、ＩＦＬ分子は、コア部分に結合された電子不足部分を含む調整可能な化合物を含み得、コア部分は電子供与体部分に結合しており、電子供与体部分は結合基に結合している。このような実施形態にしたがって光活性有機化合物がＩＦＬとして使用される場合、光活性特性を保持し得るが、いくつかの実施形態では、光活性である必要はない。
【0057】
金属酸化物は、いくつかの実施形態の薄膜ＩＦＬで使用され得、ＮｉＯ、ＳｎＯ２、ＷＯ３、Ｖ２Ｏ５、またはＭｏＯ３などの半導体金属酸化物を含み得る。第２の（例えば、ｎ型）活性材料が、Ａｌ２Ｏ３を含む薄膜ＩＦＬでコーティングされたＴｉＯ２を含む実施形態は、例えば、Ａｌ（ＮＯ３）３・ｘＨ２Ｏなどの前駆体材料、またはＴｉＯ２上にＡｌ２Ｏ３を堆積させるのに適した任意の他の材料を用いて形成され得、その後、熱アニールおよび色素塗布が行われる。代わりにＭｏＯ３コーティングが使用される例示的な実施形態では、コーティングは、Ｎａ２Ｍｏ４・２Ｈ２Ｏなどの前駆体材料で形成され得、一方で、いくつかの実施形態によるＶ２Ｏ５コーティングは、ＮａＶＯ３などの前駆体材料で形成され得、いくつかの実施形態によるＷＯ３コーティングは、ＮａＷＯ４・Ｈ２Ｏなどの前駆体材料で形成され得る。前駆体材料（例えば、Ａｌ（ＮＯ３）３・ｘＨ２Ｏ）の濃度は、ＴｉＯ２または他の活性材料上に堆積された（ここではＡｌ２Ｏ３の）最終膜厚に影響を及ぼし得る。したがって、前駆体材料の濃度を変更することは、最終膜厚を制御することができる方法であり得る。例えば、前駆体材料の濃度を高くすると、膜厚が大きくなり得る。より大きな膜厚は、金属酸化物コーティングを含むＰＶデバイスにおいて、必ずしもより大きなＰＣＥをもたらすとは限らない。したがって、いくつかの実施形態の方法は、約０．５～１０．０ｍＭの範囲の濃度を有する前駆体材料を使用してＴｉＯ２（または他のメソポーラス）層をコーティングすることを含み得、他の実施形態は、約２．０～６．０ｍＭの範囲の濃度を有する前駆体材料で層をコーティングすることを含み得、または他の実施形態では、約２．５～５．５ｍＭである。
【0058】
さらに、本明細書ではＡｌ２Ｏ３および／またはアルミナと称されるが、アルミナを形成する際にアルミニウムおよび酸素の様々な比が使用され得ることに留意されたい。したがって、本明細書で述べるいくつかの実施形態は、Ａｌ２Ｏ３に関して説明されるが、そのような説明は、酸素中のアルミニウムの必要とされる比を定義することを意図するものではない。むしろ、実施形態は、それぞれがＡｌｘＯｙによる酸化アルミニウム比を有するいずれか１つまたは複数の酸化アルミニウム化合物（aluminum-oxide compound）を含み得、式中、ｘは、約１～１００の間の任意の値（整数または非整数）であり得る。いくつかの実施形態では、ｘは、約１～３の間であり得る（ここでも、整数である必要はない）。同様に、ｙは、０．１～１００の間の任意の値（整数または非整数）であり得る。いくつかの実施形態では、ｙは２～４の間であり得る（ここでも、整数である必要はない）。加えて、例えば、アルミナのα、γ、および／または非晶質形態など、」ＡｌｘＯｙの様々な結晶形態が様々な実施形態において存在し得る。
【0059】
同様に、本明細書ではＮｉＯ、ＭｏＯ３、ＷＯ３、およびＶ２Ｏ５と称されるが、そのような化合物は、代わりにまたは加えて、それぞれＮｉｘＯｙ、ＭｏｘＯｙ、ＷｘＯｙ、およびＶｘＯｙと表され得る。ＭｏｘＯｙおよびＷｘＯｙのそれぞれに関して、ｘは、約０．５～１００の間の任意の値（整数または非整数）であり得、いくつかの実施形態では、ｘは、約０．５～１．５の間であり得る。同様に、ｙは、約１～１００の間の任意の値（整数または非整数）であり得る。いくつかの実施形態では、ｙは、約１～４の間の任意の値であり得る。ＶｘＯｙに関して、ｘは、約０．５～１００の間の任意の値（整数または非整数）であり得、いくつかの実施形態では、ｘは、約０．５～１．５の間であり得る。同様に、ｙは、約１～１００の間の任意の値（整数または非整数）であり得、特定の実施形態では、ｙは、約１～１０の間の整数または非整数の値であり得る。いくつかの実施形態では、ｘおよびｙは、非化学量論比となるような値を有し得る。
【0060】
いくつかの実施形態では、ＩＦＬはチタン酸塩を含み得る。いくつかの実施形態によるチタン酸塩は、一般式Ｍ’ＴｉＯ３のものであり得、式中、Ｍ’は、任意の２＋カチオンを含む。いくつかの実施形態では、Ｍ’は、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｈｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｓｎ、またはＰｂのカチオン形態を含み得る。いくつかの実施形態では、ＩＦＬは、単一種のチタン酸塩を含み得、他の実施形態では、ＩＦＬは、２種以上の異なるチタン酸塩を含み得る。一実施形態では、チタン酸塩は、式ＳｒＴｉＯ３を有する。別の実施形態では、チタン酸塩は、式ＢａＴｉＯ３を有し得る。さらに別の実施形態では、チタン酸塩は、式ＣａＴｉＯ３を有し得る。
【0061】
説明として、いかなる限定も意味することなく、チタン酸塩は、ペロブスカイト結晶構造を有し、ペロブスカイト材料（例えば、ヨウ化メチルアンモニウム鉛（ＭＡＰｂＩ３）、およびヨウ化ホルムアミジニウム鉛（ＦＡＰｂＩ３））成長変換プロセスを強力にシードする（seed）。チタン酸塩は、一般に、強誘電挙動、十分な電荷担体移動度、光透過性、一致したエネルギーレベル、および高誘電率などの他のＩＦＬ要件も満たす。
【0062】
他の実施形態では、ＩＦＬは、ジルコン酸塩を含み得る。いくつかの実施形態によるジルコン酸塩は、一般式Ｍ’ＺｒＯ３のものであり得、式中、Ｍ’は、任意の２＋カチオンを含む。いくつかの実施形態では、Ｍ’は、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｈｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｓｎ、またはＰｂのカチオン形態を含み得る。いくつかの実施形態では、ＩＦＬは、単一種のジルコン酸塩を含み得、他の実施形態では、ＩＦＬは、２種以上の異なるジルコン酸塩を含み得る。一実施形態では、ジルコン酸塩は、式ＳｒＺｒＯ３を有する。別の実施形態では、ジルコン酸塩は、式ＢａＺｒＯ３を有し得る。さらに別の実施形態では、ジルコン酸塩は、式ＣａＺｒＯ３を有し得る。
【0063】
説明として、いかなる限定も意味することなく、ジルコン酸塩は、ペロブスカイト結晶構造を有し、ペロブスカイト材料（例えば、ＭＡＰｂＩ３、ＦＡＰｂＩ３）成長変換プロセスを強力にシードする。ジルコン酸塩は、一般に、強誘電挙動、十分な電荷担体移動度、光透過性、一致したエネルギーレベル、および高誘電率などの他のＩＦＬ要件も満たす。
【0064】
他の実施形態では、ＩＦＬは、スズ酸塩を含み得る。いくつかの実施形態によるスズ酸塩は、一般式Ｍ’ＳｎＯ３またはＭ’２ＳｎＯ４のものであり得、式中、Ｍ’は、任意の２＋カチオンを含む。いくつかの実施形態では、Ｍ’は、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｈｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｓｎ、またはＰｂのカチオン形態を含み得る。いくつかの実施形態では、ＩＦＬは、単一種のスズ酸塩を含み得、他の実施形態では、ＩＦＬは、２種以上の異なるスズ酸塩を含み得る。一実施形態では、スズ酸塩は、式ＳｒＳｎＯ３を有する。別の実施形態では、スズ酸塩は、式ＢａＳｎＯ３を有し得る。さらに別の実施形態では、スズ酸塩は、式ＣａＳｎＯ３を有し得る。
【0065】
説明として、いかなる限定も意味することなく、スズ酸塩は、ペロブスカイト結晶構造を有し、ペロブスカイト材料（例えば、ＭＡＰｂＩ３、ＦＡＰｂＩ３）成長変換プロセスを強力にシードする。スズ酸塩は、一般に、強誘電挙動、十分な電荷担体移動度、光透過性、一致したエネルギーレベル、および高誘電率などの他のＩＦＬ要件も満たす。
【0066】
他の実施形態では、ＩＦＬは、鉛酸塩を含み得る。いくつかの実施形態による鉛酸塩は、一般式Ｍ’ＰｂＯ３のものであり得、式中、Ｍ’は、任意の２＋カチオンを含む。いくつかの実施形態では、Ｍ’は、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｈｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｓｎ、またはＰｂのカチオン形態を含み得る。いくつかの実施形態では、ＩＦＬは、単一種の鉛酸塩を含み得、他の実施形態では、ＩＦＬは、２種以上の異なる鉛酸塩を含み得る。一実施形態では、鉛酸塩は、式ＳｒＰｂＯ３を有する。別の実施形態では、鉛酸塩は、式ＢａＰｂＯ３を有し得る。さらに別の実施形態では、鉛酸塩は、式ＣａＰｂＯ３を有し得る。さらに別の実施形態では、鉛酸塩は、式ＰｂＩＩＰｂＩＶＯ３を有し得る。
【0067】
説明として、いかなる限定も意味することなく、鉛酸塩は、ペロブスカイト結晶構造を有し、ペロブスカイト材料（例えば、ＭＡＰｂＩ３、ＦＡＰｂＩ３）成長変換プロセスを強力にシードする。鉛酸塩は、一般に、強誘電挙動、十分な電荷担体移動度、光透過性、一致したエネルギーレベル、および高誘電率などの他のＩＦＬ要件も満たす。
【0068】
さらに、他の実施形態では、ＩＦＬは、一般式Ｍ’［ＺｒｘＴｉ１－ｘ］Ｏ３のジルコン酸塩とチタン酸塩との組み合わせを含み得、式中、Ｘは０より大きいが１未満であり、Ｍ’は任意の２＋カチオンを含む。いくつかの実施形態では、Ｍ’は、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｈｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｓｎ、またはＰｂのカチオン形態を含み得る。いくつかの実施形態では、ＩＦＬは、単一種のジルコン酸塩を含み得、他の実施形態では、ＩＦＬは、２種以上の異なるジルコン酸塩を含み得る。一実施形態では、ジルコン酸塩／チタン酸塩の組み合わせは、式Ｐｂ［ＺｒｘＴｉ１－ｘ］Ｏ３を有する。別の実施形態では、ジルコン酸塩／チタン酸塩の組み合わせは、式Ｐｂ［Ｚｒ０．５２Ｔｉ０．４８］Ｏ３を有する。
【0069】
説明として、いかなる限定も意味することなく、ジルコン酸塩／チタン酸塩の組み合わせは、ペロブスカイト結晶構造を有し、ペロブスカイト材料（例えば、ＭＡＰｂＩ３、ＦＡＰｂＩ３）成長変換プロセスを強力にシードする。ジルコン酸塩／チタン酸塩の組み合わせは、一般に、強誘電挙動、十分な電荷担体移動度、光透過性、一致したエネルギーレベル、および高誘電率などの他のＩＦＬ要件も満たす。
【0070】
他の実施形態では、ＩＦＬは、ニオブ酸塩を含み得る。いくつかの実施形態によるニオブ酸塩は、一般式Ｍ’ＮｂＯ３のものであり得、式中、Ｍ’は任意の１＋カチオンを含む。いくつかの実施形態では、Ｍ’は、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｔｌ、アンモニウム、またはＨのカチオン形態を含み得る。いくつかの実施形態では、ＩＦＬは、単一種のニオブ酸塩を含み得、他の実施形態では、ＩＦＬは、２種以上の異なるニオブ酸塩を含み得る。一実施形態では、ニオブ酸塩は、式ＬｉＮｂＯ３を有する。別の実施形態では、ニオブ酸塩は、式ＮａＮｂＯ３を有し得る。さらに別の実施形態では、ニオブ酸塩は、式ＡｇＮｂＯ３を有し得る。
【0071】
説明として、いかなる限定も意味することなく、ニオブ酸塩は、一般に、圧電挙動、非線形光学分極率、光弾性、強誘電挙動、ポッケルス効果、十分な電荷担体移動度、光透過性、一致したエネルギーレベル、および高誘電率などのＩＦＬ要件を満たす。
【0072】
一実施形態では、ペロブスカイト材料デバイスは、ＳｒＴｉＯ３コーティングされたＩＴＯ基板上にＰｂＩ２をキャスティングすることで形作られる（formulate）。ＰｂＩ２は、浸漬プロセスによってＭＡＰｂＩ３に変換され得る。この得られたＰｂＩ２からＭＡＰｂＩ３への変換は、ＳｒＴｉＯ３を含まない基板の準備（preparation）と比較して、（光学分光学によって観察されるように）より完全であり得る。
【0073】
本明細書で述べる任意の界面材料は、ドープされた組成物をさらに含み得る。界面材料の特性（例えば、電気的、光学的、機械的）を修正するために、化学量論的または非化学量論的材料は、１ｐｐｂ程度から５０ｍｏｌ％までの範囲の量の１つまたは複数の元素（例えば、Ｎａ、Ｙ、Ｍｇ、Ｎ、Ｐ）でドープされ得る。界面材料のいくつかの例としては、以下が挙げられる：ＮｉＯ、ＴｉＯ２、ＳｒＴｉＯ３、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＷＯ３、Ｖ２Ｏ５、ＭＯ３、ＺｎＯ、グラフェン、およびカーボンブラック。これらの界面材料のための可能なドーパントの例としては、以下が挙げられる：Ｌｉ、Ｎａ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｙ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｇａ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｂ、Ｎ、Ｐ、Ｃ、Ｓ、Ａｓ、ハロゲン化物、擬ハロゲン化物（例えば、シアン化物、シアネート、イソシアネート、フルミネート、チオシアネート、イソチオシアネート、アジド、テトラカルボニルコバルテート、カルバモイルジシアノメタニド、ジシアノニトロソメタニド、ジシアナミド、およびトリシアノメタニド）、ならびに任意の酸化状態のＡｌ。本明細書におけるドープされた界面材料への言及は、界面材料化合物中の成分元素の比を限定することを意図するものではない。
【0074】
いくつかの実施形態では、異なる材料から作られている複数のＩＦＬを互いに隣接して配置して、複合ＩＦＬを形成することができる。この構成は、２つの異なるＩＦＬ、３つの異なるＩＦＬ、またはさらに多数の異なるＩＦＬを含み得る。得られた多層ＩＦＬまたは複合ＩＦＬは、単一材料ＩＦＬの代わりに使用され得る。例えば、複合ＩＦＬは、ＩＦＬ３９０３、ＩＦＬ３９０５、ＩＦＬ３９０７、ＩＦＬ３９０９、またはＩＦＬ３９１１などの、図２の例に示される任意のＩＦＬが使用され得る。複合ＩＦＬは単一材料ＩＦＬとは異なるが、多層ＩＦＬを有するペロブスカイト材料ＰＶセルの組立ては、単一材料ＩＦＬのみを有するペロブスカイト材料ＰＶセルの組立てと実質的に異ならない。
【0075】
一般に、複合ＩＦＬは、ＩＦＬに適したものとして本明細書で述べた材料のいずれかを使用して作られ得る。一実施形態では、ＩＦＬは、Ａｌ２Ｏ３の層およびＺｎＯまたはＭ：ＺｎＯ（ドープされたＺｎＯ、例えば、Ｂｅ：ＺｎＯ、Ｍｇ：ＺｎＯ、Ｃａ：ＺｎＯ、Ｓｒ：ＺｎＯ、Ｂａ：ＺｎＯ、Ｓｃ：ＺｎＯ、Ｙ：ＺｎＯ、Ｎｂ：ＺｎＯ）の層を含む。一実施形態では、ＩＦＬは、ＺｒＯ２の層およびＺｎＯまたはＭ：ＺｎＯの層を含む。特定の実施形態では、ＩＦＬは複数の層を含む。いくつかの実施形態では、多層ＩＦＬは、一般に、導体層、誘電体層、および半導体層を有する。特定の実施形態では、層は、例えば、導体層、誘電体層、半導体層、誘電体層、および半導体層といったように繰り返し得る。多層ＩＦＬの例としては、ＩＴＯ層、Ａｌ２Ｏ３層、ＺｎＯ層、および第２のＡｌ２Ｏ３層を有するＩＦＬ；ＩＴＯ層、Ａｌ２Ｏ３層、ＺｎＯ層、第２のＡｌ２Ｏ３層、および第２のＺｎＯ層を有するＩＦＬ；ＩＴＯ層、Ａｌ２Ｏ３層、ＺｎＯ層、第２のＡｌ２Ｏ３層、第２のＺｎＯ層、および第３のＡｌ２Ｏ３層を有するＩＦＬ；ならびに所望の性能特性を達成するのに必要な数の層を有するＩＦＬが挙げられる。前述したように、特定の化学量論比への言及は、様々な実施形態によるＩＦＬ層中の成分元素の比を限定することを意図するものではない。
【0076】
各ＩＦＬ材料からの属性が単一のＩＦＬにおいて活用され得るペロブスカイト材料ＰＶセルでは、２つ以上の隣接するＩＦＬを複合ＩＦＬとして配置することで、単一のＩＦＬよりも優れた性能が発揮され得る。例えば、ＩＴＯ層、Ａｌ２Ｏ３層、およびＺｎＯ層を有するアーキテクチャでは、ＩＴＯは導電性電極、Ａｌ２Ｏ３は誘電材料、ＺｎＯはｎ型半導体であり、ＺｎＯは、良好に機能する電子輸送特性（例えば、移動度）を有する電子受容体として働く。加えて、Ａｌ２Ｏ３は、ＩＴＯに良好に付着し、表面欠陥（例えば、電荷トラップ）をキャッピングすることによって表面を均質化し、暗電流の抑制を通じてデバイスのダイオード特性を改善する物理的に剛性な材料である。
【0077】
追加的に、いくつかのペロブスカイト材料ＰＶセルは、２つ以上のペロブスカイト光活性層を有する、いわゆる「タンデム」ＰＶセルを含み得る。例えば、図２の光活性材料３９０８および３９０６はいずれもペロブスカイト材料であり得る。そのようなタンデムＰＶセルでは、図２のＩＦＬ３９０７などの、２つの光活性層の間の界面層は、多層または複合ＩＦＬを含み得る。いくつかの実施形態では、タンデムＰＶデバイスの２つの光活性層の間に挟まれた層は、電極層を含み得る。
【0078】
タンデムＰＶデバイスは、上から下または下から上のいずれかの順に列挙された以下の層を含み得る：第１の基板、第１の電極、第１の界面層、第１のペロブスカイト材料、第２の界面層、第２の電極、第３の界面層、第２のペロブスカイト材料、第４の界面層、および第３の電極。いくつかの実施形態では、第１および第３の界面層は正孔輸送界面層であり得、第２および第４の界面層は電子輸送界面層であり得る。他の実施形態では、第１および第３の界面層が電子輸送界面層であり得、第２および第４の界面層が正孔輸送界面層であり得る。さらに他の実施形態では、第１および第４の界面層が正孔輸送界面層であり得、第２および第３の界面層が電子輸送界面層であり得る。他の実施形態では、第１および第４の界面層が電子輸送界面層であり得、第２および第３の界面層が正孔輸送界面層であり得る。タンデムＰＶデバイスでは、第１および第２のペロブスカイト材料は、異なるバンドギャップを有し得る。いくつかの実施形態では、第１のペロブスカイト材料は、ホルムアミジニウム臭化鉛（ＦＡＰｂＢｒ３：formamidinium lead bromide）であり得、第２のペロブスカイト材料は、ヨウ化ホルムアミジニウム鉛（ＦＡＰｂＩ３）であり得る。他の実施形態では、第１のペロブスカイト材料はメチルアンモニウム臭化鉛（ＭＡＰｂＢｒ３：methylammonium lead bromide）であり得、第２のペロブスカイト材料はヨウ化ホルムアミジニウム鉛（ＦａＰｂＩ３）であり得る。他の実施形態では、第１のペロブスカイト材料は、メチルアンモニウム臭化鉛（ＭＡＰｂＢｒ３）であり得、第２のペロブスカイト材料は、ヨウ化メチルアンモニウム鉛（ＭＡＰｂＩ３）であり得る。タンデムＰＶは、「２端子」タンデムセル、「３端子」タンデムセル、および「４端子」タンデムセルを含み得る。２端子タンデムセルでは、デバイス３９００などのＰＶセルは、電極３９１２および３９０２などのＰＶセルの縁部付近の電極によって電気リード線に接続され得る。３端子タンデムデバイスでは、ＰＶセルは、電極３９１２および３９０２などのＰＶセルの縁部付近の２つの電極によって、および層３９０７に配置された電極などの２つの光活性層の間のセルの内部に配置された第３の電極によって、電気リード線に接続され得る。４端子セルでは、ＰＶセルは、電極３９１２および３９０２などのＰＶセルの縁部付近の２つの電極によって、および透明非導電層によって分離され、２つの光活性層の間のＰＶセルの内部に配置された２つの電極によって、電気リード線に接続され得る。例えば、４端子デバイスでは、層３９０７は、他の層の中でもとりわけ、ガラスなどの透明非導電層によって分離された２つの電極を含み得る。２端子タンデムセル、３端子タンデムセル、および４端子タンデムセルの様式化された図を、それぞれ図１６、１７、および１８に示す。
【0079】
図１６は、２端子タンデムＰＶセル６０００を示す。ＰＶセル６０００は、２つの導電性の電極層、すなわち第１の電極層６０２１および第２の電極層６０２２を含む。電極層６０２１および６０２２は、スズドープ酸化インジウム（ＩＴＯ）などの透明導電体または本明細書で説明される任意の他の材料であり得る。他の実施形態では、電極層６０２１および６０２２は、アルミニウムなどの金属、または炭素などの他の導電性材料であり得る。ＰＶセル６０００はまた、界面層（ＩＦＬ）６０３１、６０３２、および６０３３を含む。ＩＦＬ６０３１、６０３２、および６０３３は、電荷再結合を助け得る。いくつかの実施形態では、各ＩＦＬ層は、多層ＩＦＬであり得る。ＩＦＬは、真性、両極性、ｐ型、またはｎ型半導体材料であり得るか、または誘電材料であり得る。ＰＶセル６０００は、電極６０２１および６０２２によって電気リード線に取り付けられ得、これらは、ＰＶセル６０００を、バッテリ、モータ、キャパシタ、配電網、または任意の他の電気負荷などの放電ユニットに接続し得る。
【0080】
図１７は、３端子ＰＶセル７０００を示す。ＰＶセル７０００は、電極７０２１、ＩＦＬ７０３２および７０３３内に埋め込まれた電極７０２２、および電極７０２３によって電気リード線に取り付けられ得る。いくつかの実施形態では、電極層７０２１および７０２３はカソードであり得、電極層７０２２はアノードであり得る。他の実施形態では、電極層７０２１および７０２３はアノードであり得、電極層７０２２はカソードであり得る。図１６に示すＰＶセル６０００と同様に、ＩＦＬ７０３１、７０３２、７０３３、および７０３４は、単層または多層ＩＦＬであり得、真性、両極性、ｐ型、またはｎ型半導体材料であり得るか、または誘電材料であり得る。電極層７０２２がカソードである実施形態では、ＩＦＬ７０３２および７０３３は電子輸送層（ｎ型層）であり得る。電極層７０２２がアノードである実施形態では、ＩＦＬ７０３２および７０３３は正孔輸送層（ｐ型）であり得る。いくつかの実施形態では、ＩＦＬ７０３１、７０３２、７０３３、または７０３４のうちの１つまたは複数は、ＰＶセル７０００から省略されてもよい。
【0081】
図１８は、４端子ＰＶセル８０００を示す。ＰＶセル８０００は、電極層８０２１、８０２２、８０２３、および８０２４によって電気リード線に取り付けられ得る。いくつかの実施形態では、電極層８０２１はアノードであり得、電極層８０２２はカソードであり得、電極層８０２４はアノードであり得、電極層８０２３はカソードであり得る。他の実施形態では、電極層８０２１はアノードであり得、電極層８０２２はカソードであり得、電極層８０２４はカソードであり得、電極層８０２３はアノードであり得る。他の実施形態では、電極層８０２１はカソードであり得、電極層８０２２はアノードであり得、電極層８０２４はカソードであり得、電極層８０２３はアノードであり得る。他の実施形態では、電極層８０２１はカソードであり得、電極層８０２２はアノードであり得、電極層８０２４はアノードであり得、電極層８０２３はカソードであり得る。４端子設計タンデム太陽電池デバイスは、いくつかの実施形態では、モノリシックに積層された層で構成される２つのデバイスを含み得る。２つのデバイスは、接着剤、エポキシ、ガラス、ラミネート、またはそれらの任意の組み合わせの層を使用して接合され得る。例えば、図１８を参照すると、第１のデバイスは、基板８０１１、電極層８０２１、ＩＦＬ８０３１、光活性層８０４１、ＩＦＬ８０３２、および電極層８０２２を含み得、第２のデバイスは、基板８０１２、電極層８０２４、ＩＦＬ８０３４、光活性層８０４２、ＩＦＬ８０３３、および電極層８０２３を含み得る。これらのデバイスは、接着剤、エポキシ、ガラス、ラミネート、またはそれらの組み合わせであり得る透明非導電層８０５１によって接合され得る。
【0082】
図１６および図１７に示すＰＶセル６０００およびＰＶセル７０００と同様に、ＩＦＬ８０３１、８０３２、８０３３、および８０３４は、単層または多層ＩＦＬであり得、真性、両極性、ｐ型、またはｎ型半導体材料であり得るか、または誘電材料であり得る。電極層８０２２および／または電極層８０２３がカソードである実施形態では、ＩＦＬ８０３２および／またはＩＦＬ８０３３は、電子輸送層（ｎ型層）であり得る。電極層８０２２および／または電極層８０２３がアノードである実施形態では、ＩＦＬ８０３２および／またはＩＦＬ８０３３は正孔輸送層（ｐ型）であり得る。いくつかの実施形態では、ＩＦＬ８０３１、８０３２、８０３３、または８０３４のうちの１つまたは複数は、ＰＶセル８０００から省略されてもよい。非導電層８０５１は、電極層８０２２と電極層８０２３との間で電気を通さない任意の透明材料であり得る。例えば、非導電層８０５１は、ガラス、石英、サファイア、炭化ケイ素、またはポリカーボネートもしくはポリ（メタクリル酸メチル）（ＰＭＭＡ）などの透明ポリマーであり得る。いくつかの実施形態では、透明非導電層８０５１は、本明細書で説明するように、圧力および／または温度を加えることによって融着された２つの透明非導電層から組み立てられ得る。そのような実施形態では、透明非導電層８０５１は、融着の前に、層間に配置された薄いポリマーまたは接着剤層を含み得る。
【0083】
複合ペロブスカイト材料デバイス設計
いくつかの実施形態では、本開示は、１つまたは複数のペロブスカイト材料を含むＰＶおよび他の同様のデバイス（例えば、バッテリ、ハイブリッドＰＶバッテリ、ＦＥＴ、ＬＥＤ、非線形光学（ＮＬＯ）、導波路など）の複合設計を提供し得る。例えば、１つまたは複数のペロブスカイト材料は、いくつかの実施形態の第１および第２の活性材料（例えば、図３の活性材料３９０６ａおよび３９０８ａ）のいずれかまたは両方として機能し得る。より一般的に言えば、本開示のいくつかの実施形態は、１つまたは複数のペロブスカイト材料を含む活性層を有するＰＶまたは他のデバイスを提供する。そのような実施形態では、ペロブスカイト材料（すなわち、任意の１つまたは複数のペロブスカイト材料を含む材料）は、様々なアーキテクチャの活性層で用いられ得る。さらに、ペロブスカイト材料は、活性層の任意の１つまたは複数の構成材（例えば、電荷輸送材料、メソポーラス材料、光活性材料、および／または界面材料、それぞれについては以下でより詳細に述べる）の機能（複数可）を果たすことができる。いくつかの実施形態では、同じペロブスカイト材料が複数のそのような機能を果たし得るが、他の実施形態では、複数のペロブスカイト材料がデバイスに含まれ得、各ペロブスカイト材料が１つまたは複数のそのような機能を果たす。特定の実施形態では、ペロブスカイト材料がどのような役割を果たし得るかに関わらず、ペロブスカイト材料は、様々な状態で準備され、および／またはデバイス中に存在し得る。例えば、いくつかの実施形態では、実質的に固体であり得る。溶液または懸濁液は、コーティングされ得るか、別の方法でまたはデバイス内（例えば、メソポーラス層、界面層、電荷輸送層、光活性層、もしくは他の層などのデバイスの別の構成要素上、および／または電極上）に堆積され得る。いくつかの実施形態におけるペロブスカイト材料は、（例えば、薄膜固体としての蒸着によって）デバイスの別の構成要素の表面上にその場で形成され得る。ペロブスカイト材料を含む層を形成する任意の他の適切な手段が採用されてもよい。
いくつかの実施形態では、本開示は、１つまたは複数のペロブスカイト材料を含むＰＶおよび他の同様のデバイス（例えば、バッテリ、ハイブリッドＰＶバッテリ、ＦＥＴ、ＬＥＤ、非線形光学（ＮＬＯ）、導波路など）の複合設計を提供し得る。例えば、１つまたは複数のペロブスカイト材料は、いくつかの実施形態の第１および第２の活性材料（例えば、図３の活性材料３９０６ａおよび３９０８ａ）のいずれかまたは両方として機能し得る。より一般的に言えば、本開示のいくつかの実施形態は、１つまたは複数のペロブスカイト材料を含む活性層を有するＰＶまたは他のデバイスを提供する。そのような実施形態では、ペロブスカイト材料（すなわち、任意の１つまたは複数のペロブスカイト材料を含む材料）は、様々なアーキテクチャの活性層で用いられ得る。さらに、ペロブスカイト材料は、活性層の任意の１つまたは複数の構成材（例えば、電荷輸送材料、メソポーラス材料、光活性材料、および／または界面材料、それぞれについては以下でより詳細に述べる）の機能（複数可）を果たすことができる。いくつかの実施形態では、同じペロブスカイト材料が複数のそのような機能を果たし得るが、他の実施形態では、複数のペロブスカイト材料がデバイスに含まれ得、各ペロブスカイト材料が１つまたは複数のそのような機能を果たす。特定の実施形態では、ペロブスカイト材料がどのような役割を果たし得るかに関わらず、ペロブスカイト材料は、様々な状態で準備され、および／またはデバイス中に存在し得る。例えば、いくつかの実施形態では、実質的に固体であり得る。溶液または懸濁液は、コーティングされ得るか、別の方法でまたはデバイス内（例えば、メソポーラス層、界面層、電荷輸送層、光活性層、もしくは他の層などのデバイスの別の構成要素上、および／または電極上）に堆積され得る。いくつかの実施形態におけるペロブスカイト材料は、（例えば、薄膜固体としての蒸着によって）デバイスの別の構成要素の表面上にその場で形成され得る。ペロブスカイト材料を含む層を形成する任意の他の適切な手段が採用されてもよい。
【0084】
一般に、ペロブスカイト材料デバイスは、第１の電極と、第２の電極と、ペロブスカイト材料を含む活性層とを含み得、活性層は、第１の電極と第２の電極との間に少なくとも部分的に配置される。いくつかの実施形態では、第１の電極は、アノードおよびカソードのうちの一方であり得、第２の電極は、アノードおよびカソードのうちの他方であり得る。特定の実施形態による活性層は、電荷輸送材料；液体電解質；メソポーラス材料；光活性材料（例えば、色素、ケイ素、テルル化カドミウム、硫化カドミウム、セレン化カドミウム、セレン化銅インジウムガリウム、ヒ化ガリウム、ゲルマニウムリン化インジウム（germanium indium phosphide）、半導体ポリマー、他の光活性材料））；および界面材料のうちのいずれか１つまたは複数を含む、いずれか１つまたは複数の活性層構成材を含み得る。これらの活性層構成材のいずれか１つまたは複数は、１つまたは複数のペロブスカイト材料を含み得る。いくつかの実施形態では、活性層構成材のいくつかまたはすべては、全体的または部分的に、副層に配置され得る。例えば、活性層は、界面材料を含む界面層、メソポーラス材料を含むメソポーラス層、および電荷輸送材料を含む電荷輸送層のうちのいずれか１つまたは複数を含み得る。さらに、界面層は、いくつかの実施形態による活性層の任意の２つ以上の他の層の間、および／または活性層構成材と電極との間に含まれ得る。本明細書における層への言及は、最終的な配置（例えば、デバイス内で別々に定義可能な各材料の実質的に別個の部分）を含み得、および／または層への言及は、各層における材料（複数可）のその後の混合の可能性にかかわらず、デバイスの構築中の配置を意味し得る。層は、いくつかの実施形態では、別個であり得、実質的に連続した材料を含み得る（例えば、層は、図２に様式的に示されるようなものであり得る）。
【0085】
いくつかの実施形態では、ペロブスカイト材料デバイスは電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）であり得る。ＦＥＴペロブスカイト材料デバイスは、ソース電極と、ドレイン電極と、ゲート電極と、誘電体層と、半導体層とを含み得る。いくつかの実施形態では、ＦＥＴペロブスカイト材料デバイスの半導体層は、ペロブスカイト材料であり得る。
【0086】
いくつかの実施形態によるペロブスカイト材料デバイスは、任意選択で、１つまたは複数の基板を含み得る。いくつかの実施形態では、第１および第２の電極の一方または両方は、コーティングされ得るか、電極が実質的に基板と活性層との間に配置されるように基板上に別の方法で配置され得る。デバイスの組成物の材料（例えば、基板、電極、活性層および／または活性層構成材）は、様々な実施形態では、全体的または部分的に、剛性または可撓性のいずれであり得る。いくつかの実施形態では、電極が基板として働き、それによって、別個の基板を不要にし得る。
【0087】
さらに、特定の実施形態によるペロブスカイト材料デバイスは、任意選択で、反射防止層または反射防止膜（ＡＲＣ：anti-reflective coating）を含み得る。加えて、ペロブスカイト材料デバイスは、本開示のいくつかの実施形態に関して上述した添加剤のうちのいずれか１つまたは複数などの、いずれか１つまたは複数の添加剤を含み得る。
【0088】
ペロブスカイト材料デバイスに含まれ得る様々な材料のうちのいくつかについての説明は、部分的に図２を参照して行われる。図２は、いくつかの実施形態によるペロブスカイト材料デバイス３９００の様式化された図である。デバイス３９００の様々な構成要素は、連続した材料を含む別個の層として示されているが、図２は様式化された図であり、したがって、それによる実施形態は、本明細書で前述した「層」の使用法と一致する、そのような別個の層、および／または実質的に混合された非連続の層を含み得ることを理解されたい。デバイス３９００は、第１の基板３９０１と第２の基板３９１３をと含む。第１の基板３９０１の内面には第１の電極３９０２が配置され、第２の基板３９１３の内面には第２の電極３９１２が配置される。活性層３９５０は、２つの電極３９０２および３９１２の間に挟まれている。活性層３９５０は、メソポーラス層３９０４と、第１の光活性材料３９０６および第２の光活性材料３９０８と、電荷輸送層３９１０と、いくつかの界面層とを含む。図２はさらに、活性層３９５０の副層が界面層によって分離され、さらに界面層が各電極３９０２および３９１２上に配置される実施形態による例示的なデバイス３９００を示す。特に、第２の界面層３９０５、第３の界面層３９０７、および第４の界面層３９０９は、それぞれ、メソポーラス層３９０４、第１の光活性材料３９０６、第２の光活性材料３９０８、および電荷輸送層３９１０のそれぞれの間に配置される。第１の界面層３９０３および第５の界面層３９１１は、それぞれ、（ｉ）第１の電極３９０２とメソポーラス層３９０４との間、および（ｉｉ）電荷輸送層３９１０と第２の電極３９１２との間に配置される。したがって、図２に描写される例示的なデバイスのアーキテクチャは、基板－電極－活性層－電極－基板と特徴付けられ得る。活性層３９５０のアーキテクチャは、界面層－メソポーラス層－界面層－光活性材料－界面層－光活性材料－界面層－電荷輸送層－界面層と特徴付けられ得る。前述のように、いくつかの実施形態では、界面層は存在する必要はない。または、１つまたは複数の界面層は、活性層の構成材および／またはデバイスの構成要素の、すべてではなく、特定の構成要素の間にのみ含まれ得る。
【0089】
基板、例えば第１の基板３９０１および第２の基板３９１３のいずれかまたは両方は、可撓性または剛性であり得る。２つの基板が含まれる場合、少なくとも１つは、電磁（ＥＭ）放射線（例えば、紫外線、可視光、または赤外線など）に対して透明または半透明であるべきである。１つの基板が含まれる場合、それは同様に透明または半透明であり得るが、デバイスの一部が電磁（ＥＭ）放射線を活性層３９５０に接触させる限り、そうである必要はない。適切な基板材料には、以下のいずれか１つまたは複数が含まれる：ガラス；サファイア；酸化マグネシウム（ＭｇＯ）；雲母；ポリマー（例えば、ＰＥＮ、ＰＥＴ、ＰＥＧ、ポリオレフィン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリカーボネート、ＰＭＭＡ、ポリアミド、ビニルカプトンなど）；セラミック；炭素；複合材料（例えば、グラスファイバー、ケブラー；炭素繊維）；布地（例えば、綿、ナイロン、絹、ウール）；木材；乾式壁；タイル（例えば、セラミック、複合材料、または粘土）；金属；鋼；銀；金；アルミニウム；マグネシウム；コンクリート；およびこれらの組み合わせ。
【0090】
先述のとおり、電極（例えば、図２の電極３９０２および３９１２のうちの１つ）は、アノードまたはカソードのいずれかであり得る。いくつかの実施形態では、一方の電極はカソードとして機能し得、他方はアノードとし機能し得る。いずれかまたは両方の電極３９０２および３９１２は、リード線、ケーブル、ワイヤ、またはデバイス３９００へのおよび／またはデバイス３９００からの電荷輸送を可能にする他の手段に結合され得る。電極は、任意の導電性材料を構成し得、少なくとも１つの電極は、ＥＭ放射線に対して透明または半透明であるべきであり、および／またはＥＭ放射線を活性層３９５０の少なくとも一部に接触させることができるように配置されるべきである。適切な電極材料には、以下のいずれか１つまたは複数が含まれ得る：インジウムスズ酸化物またはスズドープ酸化インジウム（ＩＴＯ）；フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）；酸化カドミウム（ＣｄＯ）；亜鉛インジウムスズ酸化物（ＺＩＴＯ：zinc indium tin oxide）；アルミニウム亜鉛酸化物（ＡＺＯ：aluminum zinc oxide）；アルミニウム（Ａｌ）；金（Ａｕ）；銀（Ａｇ）；カルシウム（Ｃａ）；クロム（Ｃｒ）；マグネシウム（Ｍｇ）；チタン（Ｔｉ）；鋼；炭素（およびその同素体）；ドープ炭素（例えば、窒素ドープ）；コアシェル構造のナノ粒子（例えば、ケイ素－炭素コアシェル構造）；およびそれらの組み合わせ。
【0091】
メソポーラス材料（例えば、図２のメソポーラス層３９０４に含まれる材料）は、任意の細孔含有材料（pore-containing material）を含み得る。いくつかの実施形態では、細孔は、約１～約１００ｎｍの範囲の直径を有し得、他の実施形態では、細孔の直径は、約２～約５０ｎｍの範囲であり得る。適切なメソポーラス材料には、以下のいずれか１つまたは複数が含まれ得る：本明細書の他の箇所で述べる任意の界面材料および／またはメソポーラス材料；アルミニウム（Ａｌ）；ビスマス（Ｂｉ）；セリウム（Ｃｅ）；ハフニウム（Ｈｆ）；インジウム（Ｉｎ）；モリブデン（Ｍｏ）；ニオブ（Ｎｂ）；ニッケル（Ｎｉ）；ケイ素（Ｓｉ）；チタン（Ｔｉ）；バナジウム（Ｖ）；亜鉛（Ｚｎ）；ジルコニウム（Ｚｒ）；前述のいずれか１つまたは複数の金属の酸化物（例えば、アルミナ、セリア、チタニア、酸化亜鉛、ジルコニアなど）；前述のいずれか１つまたは複数の金属の硫化物；前述のいずれか１つまたは複数の金属の窒化物；ならびにこれらの組み合わせ。いくつかの実施形態では、ＩＦＬとして本明細書に開示される任意の材料は、メソポーラス材料であり得る。他の実施形態では、図２によって示されるデバイスは、メソポーラス材料層を含まず、メソポーラス状ではない薄膜または「コンパクト」ＩＦＬのみを含み得る。
【0092】
光活性材料（例えば、図２の第１の活性材料３９０６または第２の光活性材料３９０８）は、ケイ素（例えば、多結晶シリコン、単結晶シリコン、または非晶質シリコン）、テルル化カドミウム、硫化カドミウム、セレン化カドミウム、セレン化銅インジウムガリウム、セレン化銅インジウム、銅亜鉛硫化スズ（copper zinc tin sulfide）、ヒ化ガリウム、ゲルマニウム、ゲルマニウムリン化インジウム、リン化インジウム、１つまたは複数の半導体ポリマー（例えば、ポリチオフェン（例えば、ポリ（３－ヘキシルチオフェン）およびその誘導体、またはＰ３ＨＴ）；ポリヘプタデカニルカルバゾールジチエニルベンゾチアジアゾール（polyheptadecanylcarbazole dithienylbenzothiadiazole）およびその誘導体（例えば、ＰＣＤＴＢＴ）などのカルバゾール系コポリマー；ポリシクロペンタジチオフェン－ベンゾチアジアゾール（polycyclopentadithiophene-benzothiadiazole）およびその誘導体（例えば、ＰＣＰＤＴＢＴ）、ポリベンゾジチエニル－チエノチオフェンジイル（polybenzodithiophenyl-thienothiophenediyl）およびその誘導体（例えば、ＰＴＢ６、ＰＴＢ７、ＰＴＢ７－ｔｈ、ＰＣＥ－１０）などの他のコポリマー；ポリ（トリアリールアミン）化合物およびその誘導体（例えば、ＰＴＡＡ）；ポリフェニレンビニレン（polyphenylene vinylene）およびその誘導体（例えば、ＭＤＭＯ－ＰＰＶ、ＭＥＨ－ＰＰＶ）、ならびにこれらの組み合わせのうちのいずれか１つまたは複数などの任意の光活性化合物を含み得る。
【0093】
特定の実施形態では、光活性材料は、代わりにまたは加えて、色素（例えば、Ｎ７１９、Ｎ３、他のルテニウム系色素）を含み得る。いくつかの実施形態では、（組成が何であれ）色素を別の層（例えば、メソポーラス層および／または界面層）上にコーティングすることができる。いくつかの実施形態では、光活性材料は、１つまたは複数のペロブスカイト材料を含み得る。ペロブスカイト材料含有光活性物質は、固体形態であり得るか、またはいくつかの実施形態では、ペロブスカイト材料を含む懸濁液または溶液を含む色素の形態をとり得る。このような溶液または懸濁液は、他の色素と同様の様式で他のデバイス構成要素上にコーティングされ得る。いくつかの実施形態では、固体のペロブスカイト含有材料が、任意の適切な手段（例えば、蒸着、溶液堆積、固体材料の直接配置など）によって堆積され得る。様々な実施形態によるデバイスは、１つ、２つ、３つ、またはそれ以上の光活性化合物（例えば、１つ、２つ、３つ、またはそれ以上のペロブスカイト材料、色素、またはそれらの組み合わせ）を含み得る。複数の色素または他の光活性材料を含む特定の実施形態では、２つ以上の色素または他の光活性材料の各々が、１つまたは複数の界面層によって分離され得る。いくつかの実施形態では、複数の色素および／または光活性化合物が少なくとも部分的に混合され得る。
【0094】
電荷輸送材料（例えば、図２の電荷輸送層３９１０の電荷輸送材料）は、固体電荷輸送材料（すなわち、俗に言う固体電解質）を含み得るか、または液体電解質および／またはイオン性液体を含み得る。液体電解質、イオン性液体、および固体電荷輸送材料はいずれも、電荷輸送材料と称され得る。本明細書で使用される場合、「電荷輸送材料」は、電荷担体を収集することができ、かつ／または電荷担体を輸送することができる、固体、液体、またはその他の任意の材料を指す。例えば、いくつかの実施形態によるＰＶデバイスでは、電荷輸送材料は、電荷担体を電極に輸送することが可能であり得る。電荷担体は、正孔（その輸送により、電荷輸送材料が、「正孔輸送材料」と適切に呼ばれ得る）および電子を含み得る。ＰＶまたは他のデバイスにおけるカソードまたはアノードのいずれかに対する電荷輸送材料の配置に応じて、正孔はアノードに向かって輸送され得、電子はカソードに向かって輸送され得る。いくつかの実施形態による電荷輸送材料の好適な例には、以下のいずれか１つまたは複数が含まれ得る：ペロブスカイト材料；Ｉ－／Ｉ３
－；Ｃｏ錯体；ポリチオフェン（例えば、ポリ（３－ヘキシルチオフェン）およびその誘導体、またはＰ３ＨＴ）；ポリヘプタデカニルカルバゾールジチエニルベンゾチアジアゾールおよびその誘導体（例えば、ＰＣＤＴＢＴ）などのカルバゾール系コポリマー；ポリシクロペンタジチオフェン－ベンゾチアジアゾールおよびその誘導体（例えば、ＰＣＰＤＴＢＴ）、ポリベンゾジチエニル－チエノチオフェンジイルおよびその誘導体（例えば、ＰＴＢ６、ＰＴＢ７、ＰＴＢ７－ｔｈ、ＰＣＥ－１０）などの他のコポリマー；ポリ（トリアリールアミン）化合物およびその誘導体（例えば、ＰＴＡＡ）；Ｓｐｉｒｏ－ＯＭｅＴＡＤ；ポリフェニレンビニレンおよびその誘導体（例えば、ＭＤＭＯ－ＰＰＶ、ＭＥＨ－ＰＰＶ）；フラーレンおよび／またはフラーレン誘導体（例えば、Ｃ６０、ＰＣＢＭ）；カーボンナノチューブ；グラファイト；グラフェン；カーボンブラック；非晶質炭素；ガラス状炭素；炭素繊維；ならびにこれらの組み合わせ。特定の実施形態では、電荷輸送材料は、電荷担体（電子または正孔）を収集することができ、かつ／または電荷担体を輸送することができる、固体または液体の任意の材料を含み得る。したがって、いくつかの実施形態の電荷輸送材料は、ｎ型またはｐ型活性、両極性、および／または真性半導体材料であり得る。電荷輸送材料は、デバイスの電極の１つに近接して配置され得る。いくつかの実施形態では、電極に隣接して配置され得るが、他の実施形態では、界面層が電荷輸送材料と電極との間に配置され得る（例えば、図２において第５の界面層３９１１で示すように）。特定の実施形態では、電荷輸送材料のタイプは、それが近接する電極に基づいて選択され得る。例えば、電荷輸送材料が正孔を収集および／または輸送する場合、それは、正孔をアノードに輸送するようにアノードに近接してもよい。しかしながら、電荷輸送材料は、代わりに、カソードに近接して配置され得、電子をカソードに輸送するように選択または構築されてもよい。
【0095】
先述のとおり、様々な実施形態によるデバイスは、任意選択で、任意の２つの他の層および／または材料の間に界面層を含み得るが、いくつかの実施形態によるデバイスは、いずれの界面層も含む必要はない。したがって、例えば、ペロブスカイト材料デバイスは、０、１、２、３、４、５、またはそれ以上の界面層を含み得る（５つの界面層３９０３、３９０５、３９０７、３９０９、および３９１１を含む図２の例示的なデバイスなど）。界面層は、本明細書で前述した実施形態による薄膜界面層（例えば、アルミナおよび／または他の金属酸化物粒子、および／またはチタニア／金属酸化物二層、および／または本明細書の他の箇所で述べる別薄膜界面層による他の化合物を含む）を含み得る。いくつかの実施形態による界面層は、２つの層または材料間での電荷の輸送および／または収集を促進させるための任意の適切な材料を含み得、界面層に隣接する材料のうちの１つから電荷が輸送された後に電荷再結合する可能性を低減または防止するのにも役立ち得る。適切な界面材料には、以下のいずれか１つまたは複数が含まれ得る：本明細書の他の箇所で述べる任意のメソポーラス材料および／または界面材料；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；上記のいずれかの金属の炭化物（例えば、ＳｉＣ、Ｆｅ３Ｃ；ＷＣ）；前述のいずれかの金属のケイ化物（例えば、Ｍｇ２Ｓｉ、ＳｒＳｉ２、Ｓｎ２Ｓｉ）；前述のいずれかの金属の酸化物（例えば、アルミナ、シリカ、チタニア、ＳｎＯ２、ＺｎＯ）；前述のいずれかの金属の硫化物（例えば、ＣｄＳ、ＭｏＳ２、ＳｎＳ２）；前述のいずれかの金属の窒化物（例えば、Ｍｇ３Ｎ２、ＴｉＮ、ＢＮ、Ｓｉ３Ｎ４）；前述のいずれかの金属のセレン化物（例えば、ＣｄＳｅ、ＦｅＳ２、ＺｎＳｅ）；前述のいずれかの金属のテルル化物（例えば、ＣｄＴｅ、ＴｉＴｅ２、ＺｎＴｅ）；前述のいずれかの金属のリン化物（例えば、ＩｎＰ、ＧａＰ）；前述のいずれかの金属のヒ化物（例えば、ＣｏＡｓ３、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＮｉＡｓ）；前述のいずれかの金属のアンチモン化物（例えば、ＡｌＳｂ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ）；前述のいずれかの金属のハロゲン化物（例えば、ＣｕＣｌ、ＣｕＩ、ＢｉＩ３）；前述のいずれかの金属の擬ハロゲン化物（例えば、ＣｕＳＣＮ、ＡｕＣＮ２）；前述のいずれかの金属の炭酸塩（例えば、ＣａＣＯ３、Ｃｅ２（ＣＯ３）３）；官能化または非官能化アルキルシリル基；グラファイト；グラフェン；フラーレン；カーボンナノチューブ；本明細書の他の箇所で述べる任意のメソポーラス材料および／または界面材料；ならびにそれらの組み合わせ（いくつかの実施形態では、複合材料の二層、三層または多層が含まれる）。いくつかの実施形態では、界面層はペロブスカイト材料を含み得る。さらに、界面層は、本明細書で言及される任意の界面材料のドープされた実施形態（例えば、ＹドープＺｎＯ、Ｎドープ単層カーボンナノチューブ）を含み得る。界面層はまた、上記材料のうちの３つを有する化合物（例えば、ＣｕＴｉＯ３、Ｚｎ２ＳｎＯ４）または上記材料のうちの４つを有する化合物（例えば、ＣｏＮｉＺｎＯ）を含み得る。
【0096】
一例として、図３は、図２によって示されたペロブスカイト材料デバイス３９００と同様の構造を有するペロブスカイト材料デバイス３９００ａの一実施形態を示す。図３は、いくつかの実施形態によるペロブスカイト材料デバイス３９００ａの様式化された図である。デバイス３９００ａの様々な構成要素は、連続した材料を含む別個の層として示されているが、図３は様式化された図であり、したがって、それによる実施形態は、本明細書で前述した「層」の使用法と一致する、そのような別個の層、および／または実質的に混合された非連続の層を含み得ることを理解されたい。図３は、活性層３９０６ａと３９０８ａとを含む。活性層３９０６ａおよび３９０８ａの一方または両方は、いくつかの実施形態では、図２に関して上で説明した任意のペロブスカイト光活性材料を含み得る。他の実施形態では、活性層３９０６ａおよび３９０８ａの一方または両方は、薄膜半導体（例えば、ＣｄＴｅ、ＣＺＴＳ、ＣＩＧＳ）、光活性ポリマー、色素増感光活性材料、フラーレン、小分子光活性材料、ならびに結晶性および多結晶半導体材料（例えば、ケイ素、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、Ｇｅ）などの本明細書で説明される任意の光活性材料を含み得る。さらに他の実施形態では、活性層３９０６ａおよび３９０８ａの一方または両方は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、薄膜電池層、またはそれらの組み合わせを含み得る。実施形態では、活性層３９０６ａおよび３９０８ａのうちの一方が、光活性材料を含み得、他方が、発光ダイオード（ＬＥＤ）、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、薄膜電池層、またはそれらの組み合わせを含み得る。例えば、活性層３９０８ａがペロブスカイト材料光活性層を含み得、活性層３９０６ｂが電界効果トランジスタ層を含み得る。層３９０１ａ、３９０２ａ、３９０３ａ、３９０４ａ、３９０５ａ、３９０７ａ、３９０９ａ、３９１０ａ、３９１１ａ、３９１２ａ、および３９１３ａなどの図３に示される他の層は、図２に関して本明細書で説明されるような対応する層と類似し得る。
【0097】
追加的に、いくつかの実施形態では、ペロブスカイト材料は、３つ以上の活性層を有し得る。一例として、図４は、図２によって示されるペロブスカイト材料デバイス３９００と同様の構造を有するペロブスカイト材料デバイス３９００ｂの実施形態を示す。図３は、いくつかの実施形態によるペロブスカイト材料デバイス３９００ｂの様式化された図である。デバイス３９００ｂの様々な構成要素は、連続した材料を含む別個の層として示されているが、図４は様式化された図であり、したがって、それによる実施形態は、本明細書で前述した「層」の使用法と一致する、そのような別個の層、および／または実質的に混合された非連続の層を含み得ることを理解されたい。図４は、活性層３９０４ｂ、３９０６ｂ、および３９０８ｂを含む。活性層３９０４ｂ、３９０６ｂ、および３９０８ｂのうちの１つまたは複数は、いくつかの実施形態では、図２に関して上で説明した任意のペロブスカイト光活性材料を含み得る。他の実施形態では、活性層３９０４ｂ、３９０６ｂ、および３９０８ｂのうちの１つまたは複数は、薄膜半導体（例えば、ＣｄＴｅ、ＣＺＴＳ、ＣＩＧＳ）、光活性ポリマー、色素増感光活性材料、フラーレン、小分子光活性材料、ならびに結晶性および多結晶半導体材料（例えば、ケイ素、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、Ｇｅ）などの本明細書で説明される任意の光活性材料を含み得る。さらに他の実施形態では、活性層３９０４ｂ、３９０６ｂ、および３９０８ｂのうちの１つまたは複数は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、薄膜電池層、またはそれらの組み合わせを含み得る。実施形態では、活性層３９０４ｂ、３９０６ｂ、および３９０８ｂのうちの１つまたは複数の活性層が、光活性材料を含み得、他の活性層が、発光ダイオード（ＬＥＤ）、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、薄膜電池層、またはそれらの組み合わせを含み得る。例えば、活性層３９０８ａおよび３９０６ｂが両方ともペロブスカイト材料光活性層を含み得、活性層３９０４ｂが電界効果トランジスタ層を含み得る。層３９０１ｂ、３９０２ｂ、３９０３ｂ、３９０４ｂ、３９０５ｂ、３９０７ｂ、３９０９ｂ、３９１０ｂ、３９１１ｂ、３９１２ｂ、および３９１３ｂなどの図３に示される他の層は、図２に関して本明細書で説明されるような対応する層と類似し得る。
【0098】
ペロブスカイト材料デバイスの製造方法
図５は、特定の実施形態による、例示的な光起電力デバイス３３０を組み立てるための方法の様式化された図である。最初に、面３１６を持つ第１のペロブスカイト材料層３１１を有する第１の光起電力デバイス部３１０が作製される。次に、面３２６を持つ第２のペロブスカイト材料層３２１を有する第２の光起電力デバイス部３２１が作製される。次に、第１のペロブスカイト材料層３１１の面３１６が第２のペロブスカイト材料層３２１の面３２６と接触するように、第１の光起電力デバイス部３１０と第２の光起電力デバイス部３２０とを配置する。次に、第１の光起電力デバイス部３１０および第２の光起電力デバイス部３２０は、第１のペロブスカイト材料層３１１を第２のペロブスカイト材料層３２１に融着させるのに十分な圧力および温度に圧縮および加熱される。得られた光起電力デバイス３３０は、単一のペロブスカイト材料層３３１を有する。
図５は、特定の実施形態による、例示的な光起電力デバイス３３０を組み立てるための方法の様式化された図である。最初に、面３１６を持つ第１のペロブスカイト材料層３１１を有する第１の光起電力デバイス部３１０が作製される。次に、面３２６を持つ第２のペロブスカイト材料層３２１を有する第２の光起電力デバイス部３２１が作製される。次に、第１のペロブスカイト材料層３１１の面３１６が第２のペロブスカイト材料層３２１の面３２６と接触するように、第１の光起電力デバイス部３１０と第２の光起電力デバイス部３２０とを配置する。次に、第１の光起電力デバイス部３１０および第２の光起電力デバイス部３２０は、第１のペロブスカイト材料層３１１を第２のペロブスカイト材料層３２１に融着させるのに十分な圧力および温度に圧縮および加熱される。得られた光起電力デバイス３３０は、単一のペロブスカイト材料層３３１を有する。
【0099】
いくつかの実施形態では、光起電力デバイス部３１０は、ペロブスカイト材料層３１１に加えて、基板３１２と、電極層３１３と、１つまたは複数の界面層３１４とを含み得る。いくつかの実施形態では、光起電力デバイス部３２０は、ペロブスカイト材料層３２１に加えて、基板３２２と、電極層３２３と、１つまたは複数の界面層３２４とを含み得る。１つまたは複数の界面層３１４および３２４の各々は、界面層として本明細書で説明される任意の材料を含み得る。電極層３１２および３２２の各々は、例えば、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）およびフッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）を含む、本明細書で説明される任意の電極材料を含み得る。
【0100】
光起電力デバイス部３１０は、いくつかの実施形態では、基板３１２上に電極層３１３を堆積させ、次いで電極層３１３上に１つまたは複数の界面層３１４を堆積させ、最後に１つまたは複数の界面層３１４上にペロブスカイト材料層３１１を堆積させることによって構築され得る。光起電力デバイス部３２０は、いくつかの実施形態では、基板３２２上に電極層３２３を堆積させ、次いで電極層３２３上に１つまたは複数の界面層３２４を堆積させ、最後に１つまたは複数の界面層３２４上にペロブスカイト材料層３２１を堆積させることによって構築され得る。電極層３１３および３２３、界面層３１４および３２４、ならびにペロブスカイト材料層３１１および３２１を堆積させるために、本明細書で説明される薄膜層を堆積させるための任意のプロセスが使用され得る。
【0101】
ペロブスカイト材料層３１１および３２１は、本明細書で説明されるペロブスカイト材料であり得る。いくつかの実施形態では、ペロブスカイト材料層３１１および３２１は、同じペロブスカイト材料であり得る。例えば、ペロブスカイト材料層３１１および３２１は両方とも、ヨウ化ホルムアミジニウム鉛（ＦＡＰｂＩ３）ペロブスカイト材料を含み得る。他の実施形態では、ペロブスカイト材料層３１１および３２１はそれぞれ、他方とは異なるペロブスカイト材料を含み得る。例えば、ペロブスカイト材料層３１１は、式ＦＡＰｂＩ３を有するペロブスカイト材料を含み得、ペロブスカイト材料層３２１は、式ＭＡＰｂＩ３を有するペロブスカイト材料を含み得る。別の実施形態では、ペロブスカイト材料層３１１は、式ＣｓＰｂＩ３を有するペロブスカイト材料を含み得、ペロブスカイト材料層３２１は、式ＦＡＰｂＩ３を有するペロブスカイト材料を含み得る。さらに別の実施形態では、ペロブスカイト材料層３１１は、式ＦＡＳｎＩ３を有するペロブスカイト材料を含み得、ペロブスカイト材料層３２１は、式ＦＡＰｂＩ３を有するペロブスカイト材料を含み得る。ペロブスカイト材料層３１１および３２１に異なるペロブスカイト材料を使用することで、ペロブスカイト材料層３３１は、光吸収特性の勾配を有し、いくつかの深さで特定の波長を吸収し、より深い深さで異なる波長を吸収することができる。そのような勾配の結果、単一のペロブスカイト材料を使用して達成することができるものよりも広い吸収スペクトルを有するペロブスカイト材料層３３１の実装を通して、光起電力デバイス３３０の効率が高まり得る。
【0102】
光起電力デバイス部３１０および３２０に加えられる圧力は、０．１～３０ＭＰａの間の範囲であり得、１秒～１００分間加えられ得る。特定の実施形態では、光起電力デバイス部３１０および３２０に加えられる圧力は、１～７ＭＰａの間の範囲であり得、５～４５分間加えられ得る。圧力は、光起電力デバイス部３１０および３２０に圧縮力を加えることができる任意の手段によって、光起電力デバイス部３１０および３２０に加えられ得る。例えば、油圧プレス、空気圧プレス、ねじ駆動式機械プレスもしくはクランプ、歯車駆動式機械プレスもしくはクランプ、または重りを使用して、光起電力デバイス部３１０および３２０に圧力を加えることができる。
【0103】
光起電力デバイス部３１０および３２０に圧力が加えられている間、光起電力デバイス部３１０および３２０は、高温に加熱され、高温に保持され得る。いくつかの実施形態では、光起電力デバイス部３１０および３２０の温度は、圧力を加える前に上昇させてもよい。他の実施形態では、光起電力デバイス部３１０および３２０の温度は、圧力を加えている間に上昇させてもよい。光起電力デバイス部３１０および３２０の温度は、光起電力デバイス部３１０および３２０に圧力を加える前またはその間に、２０℃～５００℃の間の温度に上昇させられ得る。特定の実施形態では、光起電力デバイス部３１０および３２０の温度は、光起電力デバイス部３１０および３２０に圧力を加える前または加えている間に、７５℃～１７７℃の間の温度に上昇させられ得る。
【0104】
図５によって示されるように光起電力デバイスを組み立てることは、先行層の上にそれぞれの後続の層が堆積される、薄膜デバイスのための従来の「ボトムアップ」組立て方法に対していくつかの利点を提供する。図５に示される方法の１つの利点は、ペロブスカイト層３３１に有害である堆積方法を必要とし得るペロブスカイト材料層３３１の上下に界面層を有する光起電力デバイスの構築を可能にすることである。以前は、ペロブスカイト材料層がそのような界面層上に堆積された後、ペロブスカイト材料層を劣化させることなく、別のそのような界面層をペロブスカイト材料層の上に堆積させることはできなかった。これにより、界面層の選択を妥協する結果となり、最適ではない光起電力デバイス性能の原因となっていた。図５によって示される方法、および図６～図１０に関して本明細書で説明されるその方法の変形は、ペロブスカイト材料層の上に界面層を堆積させる必要なしに光起電力デバイスの組立てを可能にし、それによって界面層の最適化された選択を可能にする。例えば、多くの界面層は、好ましくは、スパッタリングまたは電子ビーム蒸着などの技法を使用して堆積され、１５０℃を超える温度でアニールされるが、これは、ペロブスカイト材料層を損傷する可能性がある。ペロブスカイト材料層の前に堆積される界面層を有する光起電力デバイスの構築を可能にすることによって、図５によって示される方法は、好ましい方法による界面層の堆積を可能にした。追加的に、本明細書で説明される技法は、光起電力デバイスを組み立てる前に各電極層が基板上に直接堆積されるので、電極層と「上部」基板との間に封止材層を使用することのない光起電力デバイスの構築を可能にする。
【0105】
図６は、図５に関して説明した光起電力デバイスを組み立てるための方法の特定の実施形態を示す。図６に示す実施形態では、光起電力デバイス部４１０は、ガラス層４１２と、フッ素ドープ酸化スズ層４１３と、電子輸送層４１４と、ペロブスカイト材料層４１１とを含む。図６に示す実施形態では、光起電力デバイス部４２０は、ガラス層４２２と、インジウムスズ酸化物層４２３と、正孔輸送層４２４と、ペロブスカイト材料層４２１とを含む。
【0106】
図７は、図５に関して説明した光起電力デバイスを組み立てるための方法の特定の実施形態を示す。図７に示す実施形態では、光起電力デバイス部５１０は、基板層５１２と、金属電極層５１３と、電子輸送層５１４と、ペロブスカイト材料層５１１とを含む。いくつかの実施形態、例えば、発電所などの高出力用途では、基板層５１２は不透明であり得る。他の実施形態、例えば、ソーラーウィンドウなどの低出力用途では、基板層５１２は透明または半透明であり得る。図７に示す実施形態では、光起電力デバイス部５２０は、ガラス層５２２と、インジウムスズ酸化物層５２３と、正孔輸送層５２４と、ペロブスカイト材料層５２１とを含む。
【0107】
図８は、図５に関して説明した光起電力デバイスを組み立てるための方法の特定の実施形態を示す。図８に示す実施形態では、光起電力デバイス部６１０は、ガラス層６１２と、フッ素ドープ酸化スズ層６１３と、電子輸送層６１４と、ペロブスカイト材料層６１１とを含む。図８に示す実施形態では、光起電力デバイス部６２０は、基板層６２２と、金属電極層６２３と、正孔輸送層６２４と、ペロブスカイト材料層６２１とを含む。いくつかの実施形態、例えば、発電所などの高出力用途では、基板層６２２は不透明であり得る。他の実施形態、例えば、ソーラーウィンドウなどの低出力用途では、基板層６２２は透明または半透明であり得る。
【0108】
図９は、図５に関して説明した光起電力デバイスを組み立てるための方法の特定の実施形態を示す。図９に示す実施形態では、光起電力デバイス部７１０は、ガラス層７１２と、フッ素ドープ酸化スズ層７１３と、電子輸送層７１４とを含む。図９に示す実施形態では、光起電力デバイス部７２０は、ガラス層７２２と、インジウムスズ酸化物層７２３と、正孔輸送層７２４と、ペロブスカイト材料層７２１とを含む。図９に示す実施形態では、単一のペロブスカイト材料層７２１が光起電力デバイス部７２０にのみ存在し、光起電力デバイス部７１０にはペロブスカイト材料層は存在しない。光起電力デバイス部が圧縮されアニールされると、ペロブスカイト材料層７２１が電子輸送層７１４に融着し、光起電力デバイス７３０が得られる。
【0109】
図１０は、図５に関して説明した光起電力デバイスを組み立てるための方法の特定の実施形態を示す。図１０に示す実施形態では、光起電力デバイス部８１０は、ガラス層８１２と、フッ素ドープ酸化スズ層８１３と、電子輸送層８１４と、ペロブスカイト材料層８１１とを含む。図１０に示す実施形態では、光起電力デバイス部８２０は、ガラス層８２２と、インジウムスズ酸化物層８２３と、正孔輸送層８２４とを含む。図１０に示す実施形態では、単一のペロブスカイト材料層８１１が光起電力デバイス部８１０にのみ存在し、光起電力デバイス部７２０にはペロブスカイト材料層は存在しない。光起電力デバイス部が圧縮されアニールされると、ペロブスカイト材料層８１１が正孔輸送層８２４に融着し、光起電力デバイス８３０が得られる。
【0110】
図１１は、図５に関して説明した光起電力デバイスを組み立てるための方法の特定の実施形態を示す。図１１に示す実施形態は、２つのペロブスカイト材料層と、ペロブスカイト材料層間に１つまたは複数の界面層とを有するタンデム光起電力デバイスを組み立てるための方法を示す。ペロブスカイト材料層の間のこれらの１つまたは複数の界面層は、再結合層と称され得る。図１１に示す実施形態では、光起電力デバイス部９１０は、基板層９１２と、電極層９１３と、１つまたは複数の界面層９１４と、ペロブスカイト材料層９１１と、１つまたは複数の界面層９２４と、ペロブスカイト材料層９２１とを含む。図１１に示す実施形態では、光起電力デバイス部９３０は、基板層９３２と、電極層９３３と、１つまたは複数の界面層９３４と、ペロブスカイト材料層９３１とを含む。光起電力デバイス部が圧縮されアニールされると、ペロブスカイト材料層９３１はペロブスカイト層９２１と融着して、融着ペロブスカイト材料層９４１を形成し、光起電力デバイス９４０が得られる。いくつかの実施形態では、様々な層は省略され得る。例えば、ペロブスカイト材料９２１が省略され得、ペロブスカイト材料９３１はＩＦＬ９２４に直接融着され得る。特定の実施形態では、光起電力デバイス部９１０は、図５に示されるものと同様の様式で組み立てられ得、次いで、光起電力デバイス部９３０と融着する前に、追加のＩＦＬ９２４およびペロブスカイト材料層９２１がＰＶセル上に堆積され得る。そのような実施形態では、図５の基板３２２などの基板は、後続の層の堆積前にＰＶセル部から除去され得る。
【0111】
本明細書で述べる２端子、３端子、および４端子セルを含むタンデムデバイスは、図５～図１１に関して説明する方法によって組み立てられ得る。例えば、図１１は、本開示による２端子ＰＶセルを組み立てるための例示的な方法の様式化された図を示す。図１３は、本開示による、図１７に示すＰＶセル７０００などの３端子ＰＶセルを組み立てるための例示的な方法の様式化された図を提示する。また、図１４は、本開示による、図１８に示すＰＶセル８０００などの４端子ＰＶセルを組み立てるための例示的な方法の様式化された図を示す。
【0112】
図１３に示す実施形態では、光起電力デバイス部１１１０は、基板層１１１２と、電極層１１１３と、１つまたは複数の界面層１１１４と、ペロブスカイト材料層１１１１と、１つまたは複数の界面層１１２４と、電極層１１２３と、１つまたは複数の界面層１１２５と、ペロブスカイト材料層１１２１とを含む。図１３に示す実施形態では、光起電力デバイス部１１３０は、基板層１１３２と、電極層１１３３と、１つまたは複数の界面層１１３４と、ペロブスカイト材料層１１３１とを含む。光起電力デバイス部が圧縮されアニールされると、ペロブスカイト材料層１１３１はペロブスカイト層１１２１と融着して、融着ペロブスカイト材料層１１４１を形成し、光起電力デバイス１１４０が得られる。本開示から、光起電力デバイス部１１２０に含まれるものとして示される任意の層が、圧縮前に光起電力デバイス部１１１０に含まれ得ることを理解されたい。例えば、いくつかの実施形態では、光起電力デバイス部１１１０は、電極層１１２６と１つまたは複数の界面層１１２５とを含み得る。そのような実施形態では、界面層１１２５が圧縮中にペロブスカイト層１１２１に融着する。いくつかの実施形態では、様々な層が省略され得る。例えば、ペロブスカイト材料１１２１が省略され得、ペロブスカイト材料１１３１はＩＦＬ１１２５に直接融着され得る。特定の実施形態では、光起電力デバイス部１１１０または１１３０は、図５に図示されるものと同様の様式で組み立てられ得る。
【0113】
図１４に示す実施形態では、光起電力デバイス部１２１０は、基板層１２１２と、電極層１２１３と、１つまたは複数の界面層１２１４と、ペロブスカイト材料層１２１１と、１つまたは複数の界面層１２２４と、電極層１２２３と、透明非導電層１２１７と、電極層１２２６と、１つまたは複数の界面層１２２５と、ペロブスカイト材料層１１２１とを含む。図１４に示す実施形態では、光起電力デバイス部１２３０は、基板層１２３２と、電極層１２３３と、１つまたは複数の界面層１２３４と、ペロブスカイト材料層１２３１とを含む。光起電力デバイス部が圧縮されアニールされると、ペロブスカイト材料層１２３１はペロブスカイト層１２２１と融着して、融着ペロブスカイト材料層１２４１を形成し、光起電力デバイス１２４０が得られる。本開示から、光起電力デバイス部１２１０に含まれるものとして示される任意の層が、圧縮前に光起電力デバイス部１２２０に含まれ得ること、およびその逆も可能であることを理解されたい。例えば、いくつかの実施形態では、光起電力デバイス部１２３０は、ペロブスカイト材料層１２２１を省略してもよく、１つまたは複数の界面層１２２５と、電極層１２２６と、第２の透明非導電層とを含み得る。そのような実施形態では、透明非導電層１２１７は、圧縮中に第２の透明非導電性材料に融着する。いくつかの実施形態では、光起電力デバイス部１２１０または１２３０は、図５に図示されるものと同様の様式で組み立てられ得る。
【0114】
いくつかの実施形態では、図５～図１１、図１３、および図１４に示すように組み立てられた光起電力デバイスは、図１２に示すように封止され得る。最初に、ガラスフリットペースト、インク、溶液または粉末１０５０が、ガラス基板１０１２と１０２２との間かつ層１０１３、１０１４、１０３１、１０２４および１０２３の周囲に配置される。いくつかの実施形態では、ガラスフリットは、２つの光起電力デバイス部を圧縮する前に、図５～図１１に示すように、一方または両方の光起電力デバイス部の基板上に配置され得る。次に、ガラスフリット１０５０は、上記のような、レーザビーム１０６０によるレーザアニール、撹拌溶接などの局所加熱プロセスによってまたは圧縮によって加熱される。最後に、加熱されたガラスフリットが固化して、ガラス基板１０１２および１０２２に結合された固体ガラス１０５１となり、それによって、ガラス基板１０１２および１０２２と固化したガラス１０５１との間のデバイスの内部に層１０１３、１０１４、１０３１、１０２４、および１０２３を封止する。
【0115】
したがって、本発明は、言及された目的および利点ならびに本発明に固有の目的および利点を達成するのに十分に適合している。本発明は、本明細書中の教示の利益を有する当業者に明らかな、異なるが同等の様式で修正および実施され得るので、上に開示した特定の実施形態は例示にすぎない。さらに、以下の特許請求の範囲に記載される以外には、本明細書に示される構成または設計の詳細を限定することは意図されない。したがって、上に開示した特定の例示的な実施形態が変更または修正され得、すべてのそのような変形形態が本発明の範囲および趣旨内にあると考えられることは明らかである。特に、本明細書に開示される（「約ａ～約ｂ（from about a to about b）」または同等に「およそａ～ｂ（from approximately a to b）」または同等に「およそａからｂ（from approximately a-b）」という形態の）値のすべての範囲は、値のそれぞれの範囲の冪集合（すべてのサブセットの集合）を指すものとして理解されるべきであり、値のより広い範囲内に包含されるすべての範囲を記載する。また、特許請求の範囲における用語は、特許権者によって明示的かつ明確に別途定義されない限り、それらの平易な通常の意味を有する。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【国際調査報告】