FR3138452A1 - Method for forming a layer of doped semiconductor material on a substrate - Google Patents
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Abstract
Procédé de formation d’une couche de matériau semi-conducteur dopé sur un substrat L’invention concerne un procédé de formation, sur un substrat, d’une couche de matériau semi-conducteur dopé de formule A2+1-nB+E2+m*nE3+(1-m)*nX-3-nY-n, comprenant le dépôt d’un précurseur de pérovskite de formule A2+B+X-3 et d’un composé de formule E2+Y-2. L’invention concerne également un substrat couvert d’une couche de matériau semi-conducteur dopé obtenu selon le procédé conforme à l’invention. L’invention concerne aussi un dispositif semi-conducteur comprenant un substrat couvert d’une couche de matériau semi-conducteur dopé selon l’invention. Enfin, l’invention concerne l’utilisation du substrat couvert d’une couche de matériau semi-conducteur dopé selon l’invention dans des dispositifs électroniques. Figure pour l’abrégé : Fig. 1.Method for forming a layer of doped semiconductor material on a substrate The invention relates to a method for forming, on a substrate, a layer of doped semiconductor material of formula A2+1-nB+E2+m *nE3+(1-m)*nX-3-nY-n, comprising the deposition of a perovskite precursor of formula A2+B+X-3 and of a compound of formula E2+Y-2. The invention also relates to a substrate covered with a layer of doped semiconductor material obtained according to the method according to the invention. The invention also relates to a semiconductor device comprising a substrate covered with a layer of semiconductor material doped according to the invention. Finally, the invention relates to the use of the substrate covered with a layer of doped semiconductor material according to the invention in electronic devices. Figure for abstract: Fig. 1.
Description
La présente invention concerne le dopage de matériaux semi-conducteurs de type pérovskite.Ce type de matériaux semi-conducteurs dopés peut être utilisé dans des dispositifs électroniques, tels que des diodes, des transistors, des photodétecteurs ou des cellules solaires par exemple.The present invention relates to the doping of perovskite type semiconductor materials . This type of doped semiconductor materials can be used in electronic devices, such as diodes, transistors, photodetectors or solar cells for example.
Les matériaux solides peuvent être classés en trois groupes : les isolants (conductivité : σ<10-8S/cm), les semi-conducteurs (conductivité : 10-8S/cm <σ<103S/cm) et les conducteurs (conductivité : 103S/cm<σ). Les propriétés électroniques des matériaux sont fonction des populations électroniques des différentes bandes permises. La conduction électrique résulte du déplacement des électrons à l’intérieur de chaque bande. Dans le cas d’un semi-conducteur non intentionnellement dopé, la bande de conduction est légèrement peuplée d’électrons et la bande de valence est légèrement dépeuplée d’électrons, ce qui permet une légère conduction.Solid materials can be classified into three groups: insulators (conductivity: σ<10 -8 S/cm), semiconductors (conductivity: 10 -8 S/cm <σ<10 3 S/cm) and conductors (conductivity: 10 3 S/cm<σ). The electronic properties of materials depend on the electronic populations of the different permitted bands. Electrical conduction results from the movement of electrons within each band. In the case of an unintentionally doped semiconductor, the conduction band is lightly populated with electrons and the valence band is slightly depopulated with electrons, which allows slight conduction.
On distingue deux catégories de semi-conducteurs : les semi-conducteurs intrinsèques (c’est-à-dire des semi-conducteurs non dopés, qui contiennent peu d’impuretés en comparaison avec la quantité de trous et d’électrons générés thermiquement) et les semi-conducteurs extrinsèques (c’est-à-dire des semi-conducteurs dopés par des impuretés spécifiques lui conférant des propriétés électriques adaptées aux applications visées). Le dopage électrique de semi-conducteurs implique l’ajout d’électrons ou de trous dans la bande de conduction ou de valence respectivement. Le dopage est alors qualifié soit de type P si les impuretés introduites sont de type accepteur d’électron, soit de type N si les impuretés introduites sont de type donneur d’électron.There are two categories of semiconductors: intrinsic semiconductors (i.e. undoped semiconductors, which contain few impurities compared to the quantity of thermally generated holes and electrons) and extrinsic semiconductors (i.e. semiconductors doped with specific impurities giving them electrical properties adapted to the targeted applications). Electrical doping of semiconductors involves the addition of electrons or holes in the conduction or valence band respectively. The doping is then qualified either as P type if the impurities introduced are of the electron acceptor type, or as N type if the impurities introduced are of the electron donor type.
Les pérovskites sont des matériaux ayant une structure cristalline et de formule générale ABX3dans laquelle A est un cation divalent, B est un cation monovalent organique ou inorganique et X est un anion monovalent, typiquement un halogénure. Selon le choix des constituants, les pérovskites ont de bonnes propriétés semi-conductrices.Perovskites are materials having a crystalline structure and general formula ABX 3 in which A is a divalent cation, B is a monovalent organic or inorganic cation and X is a monovalent anion, typically a halide. Depending on the choice of constituents, perovskites have good semiconductor properties.
Jusqu’à présent, les pérovskites sont utilisées sans dopage intentionnel et sont considérées comme des semi-conducteurs intrinsèques. Leur dopage a été peu étudié, car si celui-ci est difficile à réaliser en raison de la nature ionique du matériau (compensation des défauts de charge). Différentes stratégies ont été explorées, comme la modification d’un constituant ou la modification du ratio de constituants lors de la synthèse de la pérovskite, ou l’introduction d’impuretés dans la structure cristalline (J. Euvrard, Y. Yan, D.B. Mitzi, Nature Reviews Materials, 2021, 6 (6), 531-549 ; J. Euvrard, O. Gunawan, X. Zhong, S. P. Harvey, A. Kahn and DB Mitzi, Mater. Adv., 2021, 2, 2956).So far, perovskites are used without intentional doping and are considered intrinsic semiconductors. Their doping has been little studied, because it is difficult to achieve due to the ionic nature of the material (compensation of charge defects). Different strategies have been explored, such as modifying a constituent or modifying the ratio of constituents during the synthesis of the perovskite, or introducing impurities into the crystal structure (J. Euvrard, Y. Yan, D.B. Mitzi , Nature Reviews Materials, 2021, 6 (6), 531-549; J. Euvrard, O. Gunawan, X. Zhong, S. P. Harvey, A. Kahn and DB Mitzi, Mater. Adv., 2021, 2, 2956).
Le Demandeur s’est plus particulièrement intéressé à cette dernière stratégie. Les travaux publiés à ce jour dans ce domaine concernent des dopants organiques (ajout d’une molécule organique) ou inorganiques (substitution par un cation de valence différente). Cette stratégie est difficile à mettre en œuvre car la substitution d’un élément de valence 2 par un élément de valence 1 ou 3 implique l’ajustement du nombre de contre ions afin de satisfaire la neutralité électrique.The Applicant was particularly interested in this last strategy. The work published to date in this area concerns organic (addition of an organic molecule) or inorganic (substitution by a cation of different valence) dopants. This strategy is difficult to implement because the substitution of an element of valence 2 by an element of valence 1 or 3 involves adjusting the number of counter ions in order to satisfy electrical neutrality.
Il existe donc un besoin d’un procédé de dopage efficace des pérovskites de type ABX3. Il existe en effet un besoin de pérovskites dopées ayant une conductivité contrôlée, qui seront utilisées en tant que matériau semi-conducteur.There is therefore a need for an efficient doping process for ABX 3 type perovskites. There is indeed a need for doped perovskites with controlled conductivity, which will be used as a semiconductor material.
Dans ce contexte, le Demandeur a cherché une solution pour introduire un électron ou un trou dans la pérovskite, sans ajouter de contre ion. Le Demandeur s’est plus précisément intéressé au dopage de pérovskite de formule A2+B+X- 3avec A2+représentant un cation divalent choisi parmi Sn2+, Pb2+et Sn2+ xPb2+ yavec x+y=1, B+représentant un cation monovalent organique et/ou inorganique, et X-représentant un halogénure choisi parmi Cl-, Br-et I-.In this context, the Applicant sought a solution to introduce an electron or a hole into the perovskite, without adding a counter ion. The Applicant was more specifically interested in the doping of perovskite of formula A 2+ B + +y=1, B + representing a monovalent organic and/or inorganic cation, and X - representing a halide chosen from Cl - , Br - and I - .
Le Demandeur est parvenu à doper efficacement ces pérovskites grâce à des éléments métastables particuliers.The Applicant has succeeded in effectively doping these perovskites using particular metastable elements.
Un élément métastable est un élément cinétiquement stable, mais qui ne se trouve pas sous sa forme thermodynamiquement minimale (donc plus stable) et pour lequel la transformation sous sa forme d’énergie théorique minimale est très lente dans les conditions considérées. En d’autres termes, un élément métastable est en apparence stable (minimum local d’énergie), mais peut se trouver sous une forme encore plus stable (équilibre thermodynamique) suite à une perturbation suffisante permettant de fournir l’énergie d’activation.A metastable element is an element that is kinetically stable, but which is not in its thermodynamically minimal form (therefore more stable) and for which the transformation into its minimum theoretical energy form is very slow under the conditions considered. In other words, a metastable element is apparently stable (local energy minimum), but can be in an even more stable form (thermodynamic equilibrium) following a sufficient disturbance to provide the activation energy.
L’emploi de tels éléments a déjà été décrit avec des pérovskites. Par exemple, le document Patil et al. (ACS Sustainable Chem. Eng. 2020, 8, 16364-16371) décrit l’introduction de SmI3dans une pérovskite de formule CsPbI2Br pour la passivation de joints de grains. Les résultats montrent une meilleure qualité cristalline et une réduction des défauts recombinants. Néanmoins, la conductivité n’est pas améliorée par l’introduction de Sm3+dans la structure cristalline de la pérovskite. Les propriétés métastables du samarium ne sont pas utilisées ici pour réaliser un dopage. Un autre exemple est décrit dans la demande de brevet CN 111261745 qui décrit de manière analogue l’emploi de SmI3avec une pérovskite de type CsPbBr2I.The use of such elements has already been described with perovskites. For example, the Patil et al. (ACS Sustainable Chem. Eng. 2020, 8, 16364-16371) describes the introduction of SmI 3 into a perovskite of formula CsPbI 2 Br for the passivation of grain boundaries. The results show better crystal quality and a reduction in recombinant defects. However, the conductivity is not improved by the introduction of Sm 3+ into the perovskite crystal structure. The metastable properties of samarium are not used here to carry out doping. Another example is described in patent application CN 111261745 which similarly describes the use of SmI 3 with a CsPbBr 2 I type perovskite.
Dans le contexte de l’invention, le Demandeur a cherché à introduire un élément métastable, dont la valence change lors de son introduction dans la pérovskite, ce qui permet alors de doper la pérovskite, contrairement à ce qui est connu dans l’art antérieur. Plus précisément, l’élément métastable est introduit sous une forme métastable en tant que réactif lors de la synthèse de la pérovskite dopée, et se retrouve sous une forme encore plus stable et de valence différente une fois intégré dans la structure cristalline de la pérovskite dopée. Ainsi, lors de son utilisation dans l’application visée, la valence de cet élément peut changer et donc libérer un électron ou un trou.In the context of the invention, the Applicant sought to introduce a metastable element, the valence of which changes when it is introduced into the perovskite, which then allows the perovskite to be doped, contrary to what is known in the prior art. . More precisely, the metastable element is introduced in a metastable form as a reagent during the synthesis of the doped perovskite, and is found in an even more stable form and of different valence once integrated into the crystal structure of the doped perovskite . Thus, when used in the intended application, the valence of this element can change and therefore release an electron or a hole.
Au cours de ses recherches, le Demandeur s’est rendu compte qu’un autre paramètre à prendre en compte pour la synthèse de telles pérovskites dopées est la taille des éléments métastables introduits. En effet, sans vouloir être lié par une quelconque théorie, il semble important d’introduire un élément métastable dont le rayon ionique est proche de celui de l’élément qu’il remplace, afin de conserver la structure cristalline de la pérovskite.During his research, the Applicant realized that another parameter to take into account for the synthesis of such doped perovskites is the size of the metastable elements introduced. Indeed, without wanting to be bound by any theory, it seems important to introduce a metastable element whose ionic radius is close to that of the element it replaces, in order to preserve the crystal structure of the perovskite.
Aussi la présente invention concerne un procédé de dopage d’un matériau semi-conducteur de type pérovskite halogénée de formule A2+B+X- 3avec A2+représentant Sn2+ou Pb2+ou un mélange de Sn2+et Pb2+, à l’aide d’un composé de formule E2+Y- 2où E2+représente Eu2+, Sm2+, Pd2+ou Cd2+et Y-représente Cl-, Br-, ou I-. Le Demandeur a en effet découvert que les composés E2+Y- 2sont tels que E3+se trouve dans la structure cristalline de la pérovskite. Cela est possible grâce aux propriétés métastables de l’élément E, et grâce à son rayon ionique qui est proche de celui de A2+.Also the present invention relates to a process for doping a semiconductor material of the halogenated perovskite type of formula A 2+ B + X - 3 with A 2+ representing Sn 2+ or Pb 2+ or a mixture of Sn 2+ and Pb 2+ , using a compound of formula E 2+ Y - 2 where E 2+ represents Eu 2+ , Sm 2+ , Pd 2+ or Cd 2+ and Y - represents Cl - , Br - , Yes - . The Applicant has in fact discovered that the compounds E 2+ Y - 2 are such that E 3+ is found in the crystal structure of the perovskite. This is possible thanks to the metastable properties of the element E, and thanks to its ionic radius which is close to that of A 2+ .
Plus précisément, l’invention concerne un procédé de formation, sur un substrat, d’une couche de semi-conducteur dopé de formule I :
(I),
ledit procédé comprenant le dépôt sur le substrat S d’un précurseur de pérovskite de formule II :
(II)
et d’un composé de formule III :
(III),
avec :
- A2+représentant Sn2+ou Pb2+ou Sn2+ xPb2+ yavec x+y=1,
- E2+et E3+représentant un cation respectivement divalent et trivalent d’un élément E, avec E représentant Eu, Sm, Pd ou Cd,
- B+représentant un ou plusieurs cations monovalents,
- X-et Y-représentant chacun indépendamment l’un de l’autre Cl-, Br-, ou I-,
- m représentant un nombre inférieur à 1 et
- n représentant un nombre tel que 0 < n ≤ 0,5.More specifically, the invention relates to a method of forming, on a substrate, a layer of doped semiconductor of formula I:
(I),
said method comprising the deposition on the substrate S of a perovskite precursor of formula II:
(II)
and a compound of formula III:
(III),
with :
- A 2+ representing Sn 2+ or Pb 2+ or Sn 2+ x Pb 2+ y with x+y=1,
- E 2+ and E 3+ representing a respectively divalent and trivalent cation of an element E, with E representing Eu, Sm, Pd or Cd,
- B + representing one or more monovalent cations,
- X - and Y - each representing independently of one another Cl - , Br - , or I - ,
- m representing a number less than 1 and
- n representing a number such that 0 < n ≤ 0.5.
Le procédé selon l’invention présente l’avantage de doper efficacement les semi-conducteurs de type pérovskite.The method according to the invention has the advantage of efficiently doping perovskite type semiconductors.
Le procédé selon l’invention présente l’avantage d’être simple de mise en œuvre et reproductible.The method according to the invention has the advantage of being simple to implement and reproducible.
Le procédé selon l’invention présente l’avantage de permettre l’obtention de pérovskites dopées ayant de propriétés améliorées, notamment en termes de conductivité et de travail de sortie (position du niveau de Fermi dans la bande interdite de la pérovskite). The process according to the invention has the advantage of making it possible to obtain doped perovskites having improved properties, particularly in terms of conductivity and work function (position of the Fermi level in the forbidden band of the perovskite) .
Le procédé selon l’invention peut présenter en outre l’une ou l’autre des caractéristiques suivantes, ou une combinaison de ces caractéristiques :
- le procédé comprend les étapes suivantes :
a1) disposer d’une solution de précurseur de pérovskite de formule II dans un solvant polaire ou un mélanges de solvants polaires,
a2) disposer d’une solution d’un composé de formule III dans un solvant polaire ou un mélange de solvants polaires,
b) disposer d’un substrat S,
c1) déposer la solution de précurseur de pérovskite II sur le substrat S,
c2) chauffer à une température allant de 50°C à 150°C, afin d’obtenir un substrat couvert d’une couche de pérovskite,
c3) déposer la solution du composé de formule III sur le substrat couvert d’une couche de pérovskite,
c4) chauffer à une température allant de 50°C à 150°C ;
- le chauffage à l’étape c2) est précédé d’un séchage à température ambiante ;
- la teneur en composé de formule III dans la solution de composé de formule III est inférieure à 50 mg/mL ;
- le procédé comprend les étapes suivantes :
A) disposer d’une solution de précurseur de pérovskite de formule II et de composé de formule III dans un solvant polaire ou un mélange de solvants polaires,
B) disposer d’un substrat S,
C1) déposer la solution de précurseur de pérovskite II et de composé de formule III sur le substrat S,
C2) chauffer à une température allant de 50°C à 150°C ;
- A2+représente Pb2+;
- E2+et E3+représentent respectivement soit Sm2+et Sm3+, soit Eu2+et Eu3+;
- n représente un nombre tel que 0,001≤n≤0,45 ;
- m est un nombre inférieur ou égal à 0,5 ;
- B+représente au moins un cation monovalent organique, de préférence choisi parmi le méthylammonium (CH3NH3 +), le formamidinium (NH2CHNH2 +), et Ar[(CH2)z]NH3 +avec Ar représentant un phényle éventuellement substitué par 1 à 5 atomes de fluor et z représentant un nombre entier allant de 0 à 6 et en particulier 2 ;
- B+représente au moins un cation monovalent inorganique, et de préférence Cs+; et
- le dépôt du précurseur de pérovskite de formule II et du composé de formule III est réalisé par enduction par centrifugation.The method according to the invention may also have one or other of the following characteristics, or a combination of these characteristics:
- the process comprises the following steps:
a1) have a solution of perovskite precursor of formula II in a polar solvent or a mixture of polar solvents,
a2) have a solution of a compound of formula III in a polar solvent or a mixture of polar solvents,
b) have a substrate S,
c1) deposit the solution of perovskite precursor II on the substrate S,
c2) heating to a temperature ranging from 50°C to 150°C, in order to obtain a substrate covered with a layer of perovskite,
c3) depositing the solution of the compound of formula III on the substrate covered with a layer of perovskite,
c4) heat to a temperature ranging from 50°C to 150°C;
- heating in step c2) is preceded by drying at room temperature;
- the content of compound of formula III in the solution of compound of formula III is less than 50 mg/mL;
- the process comprises the following steps:
A) have a solution of perovskite precursor of formula II and compound of formula III in a polar solvent or a mixture of polar solvents,
B) have a substrate S,
C1) deposit the solution of perovskite precursor II and compound of formula III on the substrate S,
C2) heat to a temperature ranging from 50°C to 150°C;
- A 2+ represents Pb 2+ ;
- E 2+ and E 3+ respectively represent either Sm 2+ and Sm 3+ , or Eu 2+ and Eu 3+ ;
- n represents a number such as 0.001≤n≤0.45;
- m is a number less than or equal to 0.5;
- B + represents at least one organic monovalent cation, preferably chosen from methylammonium (CH 3 NH 3 + ), formamidinium (NH 2 CHNH 2 + ), and Ar[(CH 2 ) z ]NH 3 + with Ar representing phenyl optionally substituted by 1 to 5 fluorine atoms and z representing an integer ranging from 0 to 6 and in particular 2;
- B + represents at least one inorganic monovalent cation, and preferably Cs + ; And
- the deposition of the perovskite precursor of formula II and of the compound of formula III is carried out by spin coating.
L’invention concerne également un substrat couvert d’une couche de matériau semi-conducteur dopé obtenu selon le procédé conforme à l’invention. Ce substrat couvert d’une couche de matériau semi-conducteur dopé présente l’avantage d’avoir une conductivité et un travail de sortie contrôlés.The invention also relates to a substrate covered with a layer of doped semiconductor material obtained according to the method according to the invention. This substrate covered with a layer of doped semiconductor material has the advantage of having controlled conductivity and work function.
Ce substrat couvert d’une couche de matériau semi-conducteur dopé peut en outre présenter l’une ou l’autre des caractéristiques suivantes, ou une combinaison de celles-ci :
- la couche de matériau semi-conducteur dopé a une épaisseur allant de 50 nm à 500 nm ;
- le substrat a une conductivité de type N ; et
- les cations trivalents E3+sont présents en surface et dans le volume de la couche de matériau semi-conducteur dopé.This substrate covered with a layer of doped semiconductor material may also have one or other of the following characteristics, or a combination of these:
- the layer of doped semiconductor material has a thickness ranging from 50 nm to 500 nm;
- the substrate has type N conductivity; And
- the trivalent cations E 3+ are present on the surface and in the volume of the layer of doped semiconductor material.
L’invention concerne aussi un dispositif semi-conducteur comprenant un substrat couvert d’une couche de matériau semi-conducteur dopé selon l’invention, ou comprenant un substrat couvert d’une couche de matériau semi-conducteur dopé obtenu selon le procédé conforme à l’invention. Ce dispositif peut comprendre une cathode, une anode, une couche active disposée entre la cathode et l’anode, et un substrat couvert d’une couche de matériau semi-conducteur dopé.The invention also relates to a semiconductor device comprising a substrate covered with a layer of doped semiconductor material according to the invention, or comprising a substrate covered with a layer of doped semiconductor material obtained according to the method according to the invention. This device may include a cathode, an anode, an active layer placed between the cathode and the anode, and a substrate covered with a layer of doped semiconductor material.
Enfin, l’invention concerne l’utilisation d’un substrat couvert d’une couche de matériau semi-conducteur dopé selon l’invention, ou obtenu selon le procédé conforme à l’invention, dans des dispositifs électroniques tels que des diodes, des transistors, des photodétecteurs ou des cellules solaires par exemple.Finally, the invention relates to the use of a substrate covered with a layer of semiconductor material doped according to the invention, or obtained according to the method according to the invention, in electronic devices such as diodes, transistors, photodetectors or solar cells for example.
La présente invention concerne un procédé de formation sur un substrat S d’une couche de matériau semi-conducteur dopé de formule I suivante :The present invention relates to a method of forming on a substrate S a layer of doped semiconductor material of the following formula I:
[Chem. 1]
(I)[Chem. 1]
(I)
dans laquelle :
- A2+représentant Sn2+ou Pb2+ou Sn2+ xPb2+ yavec x+y=1,
- E2+et E3+représentant respectivement un cation divalent et un cation trivalent d’un élément E, avec E représentant Eu, Sm, Pd ou Cd,
- B+représentant un cation ou un mélange de cations monovalent(s), organique(s) et/ou inorganique(s),
- X-et Y-représentant chacun indépendamment l’un de l’autre Cl-, Br-, ou I-,
- m représentant un nombre inférieur à 1, et
- n représentant un nombre tel que 0 < n ≤ 0,5.in which :
- A 2+ representing Sn 2+ or Pb 2+ or Sn 2+ x Pb 2+ y with x+y=1,
- E 2+ and E 3+ representing respectively a divalent cation and a trivalent cation of an element E, with E representing Eu, Sm, Pd or Cd,
- B + representing a cation or a mixture of monovalent(s), organic(s) and/or inorganic(s),
- X - and Y - each representing independently of one another Cl - , Br - , or I - ,
- m representing a number less than 1, and
- n representing a number such that 0 < n ≤ 0.5.
Le procédé selon l’invention comprend le dépôt sur le substrat S d’un précurseur de pérovskite de formule II et d’un composé de formule III telles que décrites ci-dessous :The method according to the invention comprises the deposition on the substrate S of a perovskite precursor of formula II and of a compound of formula III as described below:
[Chem. 2]
(II), et[Chem. 2]
(II), and
[Chem. 3]
(III),[Chem. 3]
(III),
avec :
- A2+représentant Sn2+ou Pb2+ou Sn2+ xPb2+ yavec x+y=1,
- E2+représentant Eu2+, Sm2+, Pd2+ou Cd2+,
- B+représentant un cation ou un mélange de cations monovalent(s), organique(s) et/ou inorganique(s), et
- X-et Y-représentant chacun indépendamment l’un de l’autre Cl-, Br-, ou I-.with :
- A 2+ representing Sn 2+ or Pb 2+ or Sn 2+ x Pb 2+ y with x+y=1,
- E 2+ representing Eu 2+ , Sm 2+ , Pd 2+ or Cd 2+ ,
- B + representing a cation or a mixture of monovalent(s), organic(s) and/or inorganic(s), and
- X - and Y - each representing independently of one another Cl - , Br - , or I - .
Ainsi, le procédé selon l’invention implique l’utilisation d’un cation divalent E2+en tant que réactif. Cet élément E est métastable. Aussi, à l’issue du procédé, le matériau semi-conducteur dopé obtenu comprend un cation trivalent E3+. En d’autres termes, le composé de formule III est un précurseur d’agent dopant et le cation E3+présent dans le matériau semi-conducteur est l’agent dopant.Thus, the process according to the invention involves the use of a divalent cation E 2+ as a reagent. This element E is metastable. Also, at the end of the process, the doped semiconductor material obtained comprises a trivalent cation E 3+ . In other words, the compound of formula III is a doping agent precursor and the E 3+ cation present in the semiconductor material is the doping agent.
Le matériau semi-conducteur dopé obtenu peut comprendre un mélange de cation divalent E2+et de cation trivalent E3+, mais de préférence le matériau semi-conducteur dopé contient l’élément E uniquement sous sa forme trivalente E3+.The doped semiconductor material obtained may comprise a mixture of divalent cation E 2+ and trivalent cation E 3+ , but preferably the doped semiconductor material contains the element E only in its trivalent form E 3+ .
La nature du substrat S n’est en soi pas limitante, et est déterminé par l’homme du métier en fonction de l’application visée.The nature of the substrate S is not in itself limiting, and is determined by those skilled in the art depending on the intended application.
Selon un mode de réalisation préféré, A2+représente Pb2+.According to a preferred embodiment, A 2+ represents Pb 2+ .
Dans le cadre de l’invention, B+représente au moins un cation monovalent. Selon un premier mode de réalisation, B+représente un cation monovalent, pouvant être soit de nature organique, soit de nature inorganique. Selon un second mode de réalisation, B+représente un mélange de cations monovalents pouvant chacun être de nature organique ou inorganique. Ainsi, selon ce second mode de réalisation, B+peut représenter soit un mélange de cations tous organiques, soit un mélange de cations tous inorganiques, soit un mélange de cations organiques et inorganiques.In the context of the invention, B + represents at least one monovalent cation. According to a first embodiment, B + represents a monovalent cation, which can be either of organic nature or of inorganic nature. According to a second embodiment, B + represents a mixture of monovalent cations which can each be of organic or inorganic nature. Thus, according to this second embodiment, B + can represent either a mixture of all organic cations, or a mixture of all inorganic cations, or a mixture of organic and inorganic cations.
Parmi les cations monovalents organiques pouvant être utilisés en tant que B+, on peut citer le méthylammonium (CH3NH3 +), le formamidinium (NH2CHNH2 +) et Ar[(CH2)z]NH3 +avec Ar représentant un phényle éventuellement substitué par 1 à 5 atomes de fluor, et notamment un atome de fluor en position para, et z représentant un nombre entier allant de 0 à 6, et en particulier z=2. Selon un mode de réalisation particulier, B+représente CH3NH3 +ou NH2CHNH2 +.Among the organic monovalent cations that can be used as B + , we can cite methylammonium (CH 3 NH 3 + ), formamidinium (NH 2 CHNH 2 + ) and Ar[(CH 2 ) z ]NH 3 + with Ar representing a phenyl optionally substituted by 1 to 5 fluorine atoms, and in particular a fluorine atom in the para position, and z representing an integer ranging from 0 to 6, and in particular z=2. According to a particular embodiment, B + represents CH 3 NH 3 + or NH 2 CHNH 2 + .
Parmi les cations monovalents inorganiques pouvant être utilisés en tant que B+, on peut citer Cs+.Among the inorganic monovalent cations that can be used as B + , we can cite Cs + .
Dans le cadre de l’invention, la pérovskite II est une pérovskite hybrides organique-inorganique halogénée. Selon un mode de réalisation particulier, la pérovskite de formule II est choisie parmi Pb(CH3NH3)X3, Pb(NH2CHNH2)X3, PbCsX3, avec X tel que défini ci-dessus.In the context of the invention, perovskite II is a halogenated organic-inorganic hybrid perovskite. According to a particular embodiment, the perovskite of formula II is chosen from Pb(CH 3 NH 3 )X 3 , Pb(NH 2 CHNH 2 )X 3 , PbCsX 3 , with X as defined above.
Tel que cela est décrit ci-dessus, E représente Eu, Sm, Pd ou Cd, et se présente sous forme divalente dans le composé de formule III, et sous forme trivalente et éventuellement divalente dans la couche de semi-conducteur dopé qui est déposé sur le substrat S, conformément au procédé selon l’invention. De préférence, E représente Sm ou Eu. De manière particulièrement préférée, E représente Sm.As described above, E represents Eu, Sm, Pd or Cd, and is present in divalent form in the compound of formula III, and in trivalent and optionally divalent form in the doped semiconductor layer which is deposited. on the substrate S, in accordance with the method according to the invention. Preferably, E represents Sm or Eu. Particularly preferably, E represents Sm.
X-et Y-peuvent être identiques ou différents, et représentent indépendamment l’un de l’autre un halogénure choisi parmi Cl-, Br-, ou I-. Selon un mode de réalisation particulier, X-et Y-sont identiques.X - and Y - may be identical or different, and independently of each other represent a halide chosen from Cl - , Br - , or I - . According to a particular embodiment, X - and Y - are identical.
Dans le cadre de l’invention, n représente un nombre inférieur ou égal à 0,5, ce qui signifie que le pourcentage molaire de E3+dans le matériau semi-conducteur dopé est au maximum de 50%. De préférence, 0,001≤n≤0,45, et mieux encore 0,01≤n≤0,04.In the context of the invention, n represents a number less than or equal to 0.5, which means that the molar percentage of E 3+ in the doped semiconductor material is at most 50%. Preferably 0.001≤n≤0.45, and even better 0.01≤n≤0.04.
Dans le cadre de l’invention, m représente un nombre strictement inférieur à 1, ce qui signifie que le matériau semi-conducteur dopé obtenu par le procédé selon l’invention comporte obligatoirement l’élément E au moins en partie sous sa forme trivalente. Pour le cas particulier où m=0, le matériau semi-conducteur dopé obtenu ne comporte l’élément E que sous sa forme trivalente E3+, ce qui signifie que cet élément métastable est passé intégralement de sa forme divalente à sa forme trivalente au cours du procédé selon l’invention. De préférence dans le cadre de l’invention, m est inférieur ou égal à 0,5, de préférence inférieur ou égal à 0,3, et mieux encore inférieur ou égal à 0,1.In the context of the invention, m represents a number strictly less than 1, which means that the doped semiconductor material obtained by the process according to the invention necessarily comprises the element E at least partly in its trivalent form. For the particular case where m=0, the doped semiconductor material obtained contains the element E only in its trivalent form E 3+ , which means that this metastable element has passed entirely from its divalent form to its trivalent form at during the process according to the invention. Preferably in the context of the invention, m is less than or equal to 0.5, preferably less than or equal to 0.3, and better still less than or equal to 0.1.
De préférence, le dépôt sur le substrat S du précurseur de pérovskite II et du composé III est réalisé sous atmosphère inerte, et par exemple sous atmosphère de N2. Avantageusement, l’ensemble du procédé est réalisé sous atmosphère inerte, et par exemple sous atmosphère de N2. Avantageusement, le procédé selon l’invention est réalisé à pression atmosphérique.Preferably, the deposition on the substrate S of the perovskite precursor II and of the compound III is carried out under an inert atmosphere, and for example under an N 2 atmosphere. Advantageously, the entire process is carried out under an inert atmosphere, and for example under an N 2 atmosphere. Advantageously, the process according to the invention is carried out at atmospheric pressure.
Selon une première variante de réalisation, le procédé de formation sur un substrat S d’une couche de matériau semi-conducteur dopé de formule I comprend les étapes suivantes :
a1) disposer d’une solution de précurseur de pérovskite de formule II dans un solvant polaire ou un mélange de solvants polaires,
a2) disposer d’une solution d’un composé de formule III dans un solvant polaire ou un mélange de solvants polaires,
b) disposer d’un substrat S,
c1) déposer la solution de précurseur de pérovskite II sur le substrat S,
c2) chauffer à une température allant de 50°C à 150°C, afin d’obtenir un substrat couvert d’une couche de pérovskite,
c3) déposer la solution du composé de formule III sur le substrat couvert d’une couche de pérovskite,
c4) chauffer à une température allant de 50°C à 150°C.According to a first alternative embodiment, the method of forming on a substrate S a layer of doped semiconductor material of formula I comprises the following steps:
a1) have a solution of perovskite precursor of formula II in a polar solvent or a mixture of polar solvents,
a2) have a solution of a compound of formula III in a polar solvent or a mixture of polar solvents,
b) have a substrate S,
c1) deposit the solution of perovskite precursor II on the substrate S,
c2) heating to a temperature ranging from 50°C to 150°C, in order to obtain a substrate covered with a layer of perovskite,
c3) depositing the solution of the compound of formula III on the substrate covered with a layer of perovskite,
c4) heat to a temperature ranging from 50°C to 150°C.
Le ou les solvants polaires utilisés dans les étapes a1) et a2) peuvent être identiques ou différents et peuvent être par exemple choisis parmi le diméthylformamide (DMF), la gamma butyro lactone, l’isopropanol, le diméthylsulfoxyde (DMSO), et la N-méthylpyrrolidone (NMP). Cette liste n’est pas limitative, tout solvant polaire pouvant convenir dans la mesure où ils dissolvent le précurseur de pérovskite II et/ou le composé III et où ils sont inertes vis-à-vis de ceux-ci.The polar solvent(s) used in steps a1) and a2) may be identical or different and may for example be chosen from dimethylformamide (DMF), gamma butyro lactone, isopropanol, dimethyl sulfoxide (DMSO), and N -methylpyrrolidone (NMP). This list is not exhaustive, any polar solvent may be suitable as long as they dissolve the perovskite precursor II and/or compound III and they are inert with respect to these.
La préparation de la solution de précurseur de pérovskite de formule II peut comprendre la mise en contact de A2+X- 2et B+X-, selon des procédures connues de l’homme du métier. La concentration de cette solution de précurseur de pérovskite de formule II n’est pas limitante, et va typiquement de 0,2 M à 1,2 M. Selon la nature de la pérovskite, cela peut correspondre à une teneur allant de 200 mg/mL à 600 mg/mL.The preparation of the perovskite precursor solution of formula II may comprise bringing A 2+ X - 2 and B + X - into contact, according to procedures known to those skilled in the art. The concentration of this solution of perovskite precursor of formula II is not limiting, and typically ranges from 0.2 M to 1.2 M. Depending on the nature of the perovskite, this can correspond to a content ranging from 200 mg/ mL to 600 mg/mL.
La concentration de la solution de composé de formule III utilisée n’est pas limitante. Des concentrations inférieures à 50 mg/mL sont de préférence employées, et par exemple allant de 0,001 mg/mL à 50 mg/mL, de 0,01 mg/mL à 20 mg/mL et ou encore de 0,1 mg/mL à 15 mg/mL. Selon la nature du composé de formule E, cela peut correspondre à des concentrations inférieures à 0,1 mol/L.The concentration of the solution of compound of formula III used is not limiting. Concentrations less than 50 mg/mL are preferably used, for example ranging from 0.001 mg/mL to 50 mg/mL, from 0.01 mg/mL to 20 mg/mL and or even from 0.1 mg/mL at 15 mg/mL. Depending on the nature of the compound of formula E, this may correspond to concentrations less than 0.1 mol/L.
Le dépôt de la solution de précurseur de pérovskite II à l’étape c1) peut être réalisé par exemple par enduction par centrifugation, avec une vitesse allant typiquement de 800 rpm à 6000 rpm pendant 0,5 min à 3 min. Toute autre méthode permettant le dépôt d’une couche mince de pérovskite II pourrait être utilisée de manière alternative, comme par exemple l’impression jet d’encre, l’enduction à rouleau (« roll to roll » en anglais), la filière à fente (« slot die » en anglais), la vaporisation ou encore l’évaporation sous vide.The deposition of the perovskite precursor solution II in step c1) can be carried out for example by spin coating, with a speed typically ranging from 800 rpm to 6000 rpm for 0.5 min to 3 min. Any other method allowing the deposition of a thin layer of perovskite II could be used alternatively, such as for example inkjet printing, roll to roll coating, slot die, vaporization or even vacuum evaporation.
Une fois la solution de précurseur de pérovskite II déposée sur le substrat S, le substrat ainsi enduit est chauffé à une température allant de 50 °C à 150°C lors de l’étape c2), de préférence allant de 80 °C à 110 °C, et par exemple pendant 0,5 min à 3 min. Cette étape permet d’obtenir le substrat couvert d’une couche de pérovskite de formule II. Préalablement à ce chauffage, il est possible de sécher le substrat enduit de solution de pérovskite II à température ambiante, typiquement pendant quelques minutes. Ce séchage permet d’évaporer une partie des solvants (selon leur nature), et facilite alors l’étape ultérieure de cristallisation lors du recuit.Once the solution of perovskite precursor II deposited on the substrate S, the substrate thus coated is heated to a temperature ranging from 50°C to 150°C during step c2), preferably ranging from 80°C to 110°C. °C, and for example for 0.5 min to 3 min. This step makes it possible to obtain the substrate covered with a layer of perovskite of formula II. Prior to this heating, it is possible to dry the substrate coated with perovskite II solution at room temperature, typically for a few minutes. This drying allows part of the solvents to evaporate (depending on their nature), and then facilitates the subsequent crystallization step during annealing.
Lors de l’étape c3), le dépôt du composé de formule III peut être réalisé par exemple par enduction par centrifugation, avec une vitesse allant typiquement de 1000 rpm à 4000 rpm pendant 0,5 min à 5 min. Toute autre méthode permettant le dépôt du composé III dans les quantités souhaitées pourrait être utilisée de manière alternative, et notamment celles mentionnées pour l’étape c1) de dépôt de la solution de précurseur de pérovskite II.During step c3), the deposition of the compound of formula III can be carried out for example by spin coating, with a speed typically ranging from 1000 rpm to 4000 rpm for 0.5 min to 5 min. Any other method allowing the deposition of compound III in the desired quantities could be used alternatively, and in particular those mentioned for step c1) of deposition of the solution of perovskite precursor II.
Enfin à l’étape c4), un traitement thermique à une température allant de 50°C à 150°C, de préférence de 80 °C à 110 °C permet, d’obtenir le substrat couvert d’une couche de matériau semi-conducteur dopé de formule I. Ce chauffage peut être réalisé pendant 1 min à 5 min. Ce chauffage peut être précédé d’une étape de séchage à température ambiante pendant quelques minutes.Finally in step c4), a heat treatment at a temperature ranging from 50°C to 150°C, preferably from 80°C to 110°C, makes it possible to obtain the substrate covered with a layer of semi-material. doped conductor of formula I. This heating can be carried out for 1 min to 5 min. This heating can be preceded by a drying step at room temperature for a few minutes.
Selon une seconde variante de réalisation, le procédé de formation sur un substrat S d’une couche de matériau semi-conducteur dopé de formule I comprend les étapes suivantes :
A) disposer d’une solution de précurseur de pérovskite de formule II et de composé de formule III dans un solvant polaire ou un mélange de solvants polaires,
B) disposer d’un substrat S,
C1) déposer la solution de précurseur de pérovskite II et de composé de formule III sur le substrat S,
C2) chauffer à une température allant de 50°C à 150°C.According to a second alternative embodiment, the method of forming on a substrate S a layer of doped semiconductor material of formula I comprises the following steps:
A) have a solution of perovskite precursor of formula II and compound of formula III in a polar solvent or a mixture of polar solvents,
B) have a substrate S,
C1) deposit the solution of perovskite precursor II and compound of formula III on the substrate S,
C2) heat to a temperature ranging from 50°C to 150°C.
Selon ce mode de réalisation, le précurseur de pérovskite II et le composé III sont ajoutés simultanément.According to this embodiment, the perovskite precursor II and the compound III are added simultaneously.
De préférence, tous les réactifs et solvants utilisés selon cette seconde variante de réalisation sont anhydres, c’est-à-dire qu’ils contiennent moins de 10 ppm d’eau.Preferably, all the reagents and solvents used according to this second embodiment are anhydrous, that is to say they contain less than 10 ppm of water.
Le ou les solvants polaires utilisés dans à l’étape A peut (peuvent) être par exemple choisi(s) parmi le diméthylformamide (DMF), la gamma butyro lactone, l’isopropanol, le diméthylsulfoxyde (DMSO), et la N-méthylpyrrolidone (NMP). Cette liste n’est pas limitative, tout solvant polaire pouvant convenir dans la mesure où ils dissolvent le précurseur de pérovskite II et le composé III et où ils sont inertes vis-à-vis de ceux-ci.The polar solvent(s) used in step A may for example be chosen from dimethylformamide (DMF), gamma butyro lactone, isopropanol, dimethyl sulfoxide (DMSO), and N-methylpyrrolidone. (NPM). This list is not exhaustive, any polar solvent may be suitable as long as they dissolve the perovskite precursor II and compound III and are inert with respect to them.
Le précurseur de pérovskite II peut être préparé de la même manière que décrit précédemment pour le mode de réalisation où la solution de précurseur de pérovskite II et la solution de composé III sont déposés de manière subséquente sur le substrat.The perovskite precursor II can be prepared in the same manner as previously described for the embodiment where the solution of perovskite precursor II and the solution of compound III are subsequently deposited on the substrate.
Lors de l’étape C1), le dépôt du précurseur de pérovskite II et du composé de formule III peut être réalisé par exemple par enduction par centrifugation, avec une vitesse allant typiquement de 800 rpm à 6000 rpm pendant 0,5 min à 5 min. Toute autre méthode permettant le dépôt simultané de la pérovskite II et du composé III pourrait être utilisée de manière alternative, comme par exemple l’impression jet d’encre, l’enduction à rouleau (« roll to roll » en anglais), la filière à fente (« slot die » en anglais), la vaporisation ou encore l’évaporation sous vide.During step C1), the deposition of the perovskite precursor II and the compound of formula III can be carried out for example by spin coating, with a speed typically ranging from 800 rpm to 6000 rpm for 0.5 min to 5 min . Any other method allowing the simultaneous deposition of perovskite II and compound III could be used alternatively, such as for example inkjet printing, roll to roll coating, die slot die, vaporization or even vacuum evaporation.
Enfin, lors de l’étape C2, un traitement thermique à une température allant de 50 °C à 150 °C, de préférence de 80 °C à 110 °C, typiquement pendant 1 min à 5 min, permet d’obtenir le substrat couvert d’une couche de matériau semi-conducteur dopé de formule I. Préalablement à ce chauffage, il est possible de sécher le substrat enduit de solution de pérovskite II et de composé III à température ambiante, typiquement pendant quelques minutes. Ce séchage permet d’évaporer une partie des solvants (selon leur nature), et permet la recristallisation de la pérovskite.Finally, during step C2, a heat treatment at a temperature ranging from 50°C to 150°C, preferably from 80°C to 110°C, typically for 1 min to 5 min, makes it possible to obtain the substrate covered with a layer of doped semiconductor material of formula I. Prior to this heating, it is possible to dry the substrate coated with solution of perovskite II and compound III at room temperature, typically for a few minutes. This drying allows part of the solvents to evaporate (depending on their nature), and allows the recrystallization of the perovskite.
L’invention concerne également un substrat S couvert d’une couche de matériau semi-conducteur de pérovskite dopée obtenu selon le procédé décrit ci-dessus. Ce substrat est couvert d’une couche de matériau semi-conducteur dopé de formule I, ayant de préférence une épaisseur allant de 50 nm à 500 nm.The invention also relates to a substrate S covered with a layer of doped perovskite semiconductor material obtained according to the method described above. This substrate is covered with a layer of doped semiconductor material of formula I, preferably having a thickness ranging from 50 nm to 500 nm.
Plus précisément, le substrat S couvert d’une couche de matériau semi-conducteur dopé est avantageusement tel que l’agent dopant (c’est-à-dire le cation trivalent E3+) est présent non seulement en surface mais également dans le volume de la couche de matériau semi-conducteur dopé. En d’autres termes, le procédé selon l’invention permet non seulement le dépôt d’agent dopant en surface, mais également dans l’épaisseur de la couche de pérovskite II. La répartition d’agent dopant dans la couche de matériau semi-conducteur dopé n’est pas nécessairement uniforme, et la concentration en agent dopant peut être plus élevée en surface qu’au contact du substrat, en particulier lorsque le composé de formule III est déposé sur un substrat comportant déjà une couche de pérovskite II. En revanche, lorsque la pérovskite II et le composé III sont déposés simultanément, la répartition d’agent dopant dans la couche de matériau semi-conducteur dopé peut être uniforme.More precisely, the substrate S covered with a layer of doped semiconductor material is advantageously such that the doping agent (that is to say the trivalent cation E 3+ ) is present not only on the surface but also in the volume of the layer of doped semiconductor material. In other words, the method according to the invention allows not only the deposition of doping agent on the surface, but also in the thickness of the perovskite II layer. The distribution of doping agent in the layer of doped semiconductor material is not necessarily uniform, and the concentration of doping agent may be higher on the surface than in contact with the substrate, in particular when the compound of formula III is deposited on a substrate already comprising a layer of perovskite II. On the other hand, when perovskite II and compound III are deposited simultaneously, the distribution of doping agent in the layer of doped semiconductor material can be uniform.
Le matériau semi-conducteur dopé recouvrant le substrat S a un dopage de type N. En effet, une fois à l’état solide et sous excitation, E2+relâche un électron pour se stabiliser en E3+. Ainsi l’électron libéré dans la bande de conduction permet de doper la pérovskite (dopage de type N car un électron est libéré).The doped semiconductor material covering the substrate S has N-type doping. Indeed, once in the solid state and under excitation, E 2+ releases an electron to stabilize in E 3+ . Thus the electron released in the conduction band allows the perovskite to be doped (N-type doping because an electron is released).
Enfin, l’invention concerne également un dispositif semi-conducteur comprenant un substrat S recouvert d’une couche de matériau semi-conducteur dopé selon l’invention, ou un substrat S recouvert d’une couche de matériau semi-conducteur dopé obtenu selon le procédé conforme à l’invention. De manière usuelle, un tel dispositif comprend une cathode, une anode et une couche active disposée entre la cathode et l’anode et comprenant un substrat couvert d’une couche de matériau semi-conducteur dopé selon l’invention ou obtenu selon le procédé conforme à l’invention.Finally, the invention also relates to a semiconductor device comprising a substrate S covered with a layer of doped semiconductor material according to the invention, or a substrate S covered with a layer of doped semiconductor material obtained according to the process according to the invention. Usually, such a device comprises a cathode, an anode and an active layer disposed between the cathode and the anode and comprising a substrate covered with a layer of semiconductor material doped according to the invention or obtained according to the method in accordance with to the invention.
Enfin, l’invention concerne l’utilisation d’un substrat couvert d’une couche de matériau semi-conducteur dopé selon l’invention, ou obtenu selon le procédé conforme à l’invention, dans des dispositifs électroniques tels que des diodes, des transistors, des photodétecteurs ou des cellules solaires par exemple.Finally, the invention relates to the use of a substrate covered with a layer of semiconductor material doped according to the invention, or obtained according to the method according to the invention, in electronic devices such as diodes, transistors, photodetectors or solar cells for example.
Exemple 1 : préparation d’échantillons MAPIExample 1: MAPI sample preparation
Trois substrats en verre S1, S2 et S3 ont été recouverts d’une couche de matériau semi-conducteur dopé selon l’invention.Three glass substrates S1, S2 and S3 were covered with a layer of semiconductor material doped according to the invention.
La nature du substrat est choisie en fonction des caractérisations ultérieures : un substrat en verre S1 pour la microscope à force atomique (AFM) et rayon X (XRD), un substrat en verre avec des électrodes en or imprimées S2 pour les mesures de conductivité, et un substrat en verre couvert d’une fine couche de ITO (mélange 90/10 d’oxyde d’indium (III) (In2O3) et d’oxyde d’étain (IV) (SnO2) – 10 Ω/sq – commercialisé par Visiontek) S3 pour la microscopie électronique à balayage (MEB ou SEM en anglais), la spectrométrie photoélectronique X (XPS), la spectrométrie de masse des ions secondaires à temps de vol (ToF SIMS), l’impédance et la microscopie à sonde de Kelvin (KPFM).The nature of the substrate is chosen according to subsequent characterizations: a glass substrate S1 for the atomic force microscope (AFM) and X-ray (XRD), a glass substrate with printed gold electrodes S2 for conductivity measurements, and a glass substrate covered with a thin layer of ITO (90/10 mixture of indium (III) oxide (In 2 O 3 ) and tin (IV) oxide (SnO 2 ) – 10 Ω /sq – marketed by Visiontek) S3 for scanning electron microscopy (SEM), X-ray photoelectron spectrometry (XPS), time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF SIMS), impedance and Kelvin probe microscopy (KPFM).
Au préalable, les substrats ont chacun été lavés. Pour cela chaque substrat a été placé dans un bain à ultrasons, d’abord dans de l’HellmanexTMIII (commercialisé par Sigma Aldrich) pendant 15 min, puis dans de l’eau déminéralisée pendant 15 min, puis dans de l’isopropanol (4N) pendant 10 min. Chaque substrat a ensuite été traité pendant 15 min par un traitement UV-O3pour éliminer les traces organiques et rendre la surface hydrophile.Beforehand, the substrates were each washed. For this, each substrate was placed in an ultrasonic bath, first in Hellmanex TM III (marketed by Sigma Aldrich) for 15 min, then in demineralized water for 15 min, then in isopropanol. (4N) for 10 min. Each substrate was then treated for 15 min with a UV-O 3 treatment to eliminate organic traces and make the surface hydrophilic.
Le dépôt de la couche de pérovskite dopée a été réalisé sous atmosphère inerte (N2).The deposition of the doped perovskite layer was carried out under an inert atmosphere (N 2 ).
Une solution de précurseur de pérovskite II-1 a été préparée en dissolvant du PbAc2• 3 H2O (4N, commercialisé par GreatCell) et de l’iodure de méthylammonium (4N, commercialisé par GreatCell) dans du diméthylformamide (DMF), avec des concentrations de 0,72 M et 2,2 M respectivement. La solution a été agitée à température ambiante pendant 30 min. La solution a ensuite été filtrée avec un filtre en PTFE (0,45 µm).A solution of perovskite precursor II-1 was prepared by dissolving PbAc 2 • 3 H 2 O (4N, marketed by GreatCell) and methylammonium iodide (4N, marketed by GreatCell) in dimethylformamide (DMF), with concentrations of 0.72 M and 2.2 M respectively. The solution was stirred at room temperature for 30 min. The solution was then filtered with a PTFE filter (0.45 µm).
La solution de précurseur de pérovskite II-1 a ensuite été déposée sur le substrat par enduction par centrifugation à une vitesse de 2500 rpm pendant 2 min. Après séchage pendant 3 min à température ambiante, l’échantillon a été recuit pendant 25 min à 100 °C sur une plaque chauffante. L’épaisseur du film de pérovskite déposé sur le substrat était de 270-300 nm selon la nature du substrat. L’épaisseur est mesurée à l’aide d’un profilomètre tactile.The perovskite precursor solution II-1 was then deposited on the substrate by spin coating at a speed of 2500 rpm for 2 min. After drying for 3 min at room temperature, the sample was annealed for 25 min at 100 °C on a hot plate. The thickness of the perovskite film deposited on the substrate was 270-300 nm depending on the nature of the substrate. The thickness is measured using a tactile profilometer.
Trois solutions de SmI2III-1, III-2 et III-3 ont été préparées en dissolvant du SmI2dans un mélange 999 :1 (v/v) d’isopropanol et de N,N-dimethylformamide (DMF) et en agitant ce mélange pendant 12h à température ambiante. Les solutions ont ensuite été filtrées avec un filtre en PTFE (0,45 µm). La concentration en SmI2des solutions III-1, III-2 et III-3 était respectivement de 2 mg/mL, 5mg/mL et 10 mg/mL (concentrations molaires respectives de 0,005 mol/L, 0,012 mol/L et 0,025 mol/L).Three solutions of SmI 2 III-1, III-2 and III-3 were prepared by dissolving SmI 2 in a 999:1 (v/v) mixture of isopropanol and N,N-dimethylformamide (DMF) and stirring this mixture for 12 hours at room temperature. The solutions were then filtered with a PTFE filter (0.45 µm). The SmI 2 concentration of solutions III-1, III-2 and III-3 were respectively 2 mg/mL, 5 mg/mL and 10 mg/mL (respective molar concentrations of 0.005 mol/L, 0.012 mol/L and 0.025 mol/L).
Une solution 999 :1 (v/v) d’isopropanol et de N,N-dimethylformamide (DMF) ne contenant pas de SmI2a également été préparée pour comparaison (notée ci-après comme ayant une teneur à 0 mg/mL en SmI2).A 999:1 (v/v) solution of isopropanol and N,N-dimethylformamide (DMF) containing no SmI 2 was also prepared for comparison (noted below as having a content of 0 mg/mL in SmI 2 ).
Chaque solution de SmI2ou de solvants purs a ensuite été déposée par enduction centrifuge directement sur la couche de pérovskite, à une vitesse de 2500 rpm pendant 1 min. Les substrats ainsi traités ont ensuite été placés sur une plaque chauffante à 100 °C pendant 10 min. Ainsi, les échantillons avec de la pérovskite dopée selon l’invention ont été obtenus à partir des trois substrats de verre S1, S2 et S3 couverts d’un matériau semi-conducteur dopé à l’aide de trois solutions différentes de SmI2(III-1, III-2 et III-3). Des échantillons hors invention ont également été obtenus à partir des trois substrats de verre S1, S2 et S3 couverts d’un matériau semi-conducteur non dopé (enduction centrifuge par le solvant seul sans SmI2).Each solution of SmI 2 or pure solvents was then deposited by spin coating directly on the perovskite layer, at a speed of 2500 rpm for 1 min. The thus-treated substrates were then placed on a hot plate at 100 °C for 10 min. Thus, the samples with perovskite doped according to the invention were obtained from the three glass substrates S1, S2 and S3 covered with a semiconductor material doped using three different solutions of SmI 2 (III -1, III-2 and III-3). Non-invention samples were also obtained from the three glass substrates S1, S2 and S3 covered with an undoped semiconductor material (centrifugal coating with the solvent alone without SmI 2 ).
Exemple 2 : préparation d’échantillons MAFAPIExample 2: MAFAPI sample preparation
Les substrats utilisés sont les mêmes que ceux décrits dans l’exemple 1, et leur lavage est réalisé de la même manière. Les solutions de référence employées sont également identiques.The substrates used are the same as those described in Example 1, and their washing is carried out in the same way. The reference solutions used are also identical.
Une solution de pérovskite II-2 à 1M a été préparée en dissolvant des quantités stoechiométriques d’iodure de méthylammonium (4N, commercialisé par GreatCell), d’iodure de formamidinium (4N, commercialisé par GreatCell), et d’iodure de plomb (4N, commercialisé par Tokyo Chemical Industry Ltd.), dans 1 mL d’un mélange 3 :1 de diméthylformamide (DMF) anhydre et de diméthylsulfoxide anhydre. La solution a été agitée à 70 °C pendant 1h.A 1M perovskite II-2 solution was prepared by dissolving stoichiometric amounts of methylammonium iodide (4N, marketed by GreatCell), formamidinium iodide (4N, marketed by GreatCell), and lead iodide ( 4N, marketed by Tokyo Chemical Industry Ltd.), in 1 mL of a 3:1 mixture of anhydrous dimethylformamide (DMF) and anhydrous dimethyl sulfoxide. The solution was stirred at 70 °C for 1 h.
Le procédé de dépôt de précurseur de pérovskite et de solution de SmI2(teneurs de 0 mg/mL, 2 mg/mL, 5 mg/ mL et 10 mg/ mL) est identique à ce qui est décrit à l’exemple 1, excepté l’enduction par centrifugation du précurseur de pérovskite qui est réalisée à 6000 rpm pendant 30 s, et le recuit qui est réalisé à 100 °C pendant 45 min. L’épaisseur du film de pérovskite déposé sur le substrat était de 290 nm.The process for deposition of perovskite precursor and SmI 2 solution (contents of 0 mg/mL, 2 mg/mL, 5 mg/ mL and 10 mg/ mL) is identical to that described in Example 1, except the spin coating of the perovskite precursor which is carried out at 6000 rpm for 30 s, and the annealing which is carried out at 100 °C for 45 min. The thickness of the perovskite film deposited on the substrate was 290 nm.
Exemple 3 : préparation d’un échantillon hors inventionExample 3: preparation of a sample outside the invention
Des échantillons hors invention ont été préparés selon un procédé analogue à celui décrit à l’exemple 1, mais pour lequel la solution de SmI2a été remplacée par une solution de SmI3.Samples outside the invention were prepared according to a process similar to that described in Example 1, but for which the SmI 2 solution was replaced by a SmI 3 solution.
Les substrats utilisés sont les mêmes que ceux décrits dans l’exemple 1, et leur lavage est réalisé de la même manière. Les solutions de référence employées sont également identiques.The substrates used are the same as those described in Example 1, and their washing is carried out in the same way. The reference solutions used are also identical.
La solution de précurseur de pérovskite employée est la même que celle décrite dans l’exemple 1. Son dépôt est réalisé de la même manière qu’à l’exemple 1.The perovskite precursor solution used is the same as that described in Example 1. Its deposition is carried out in the same manner as in Example 1.
Ensuite, trois solutions de SmI3dans un mélange 999 :1 (v/v) d’isopropanol et de N,N-dimethylformamide (DMF) ont été préparées, respectivement avec des teneurs de 2,6 mg/mL, 6,6 mg/ mL et 13,1 mg/ mL (concentrations molaires respectives de 0,005 mol/L, 0,012 mol/L et 0,025 mol/L). Chaque solution de SmI3a été déposée comme décrit à l’exemple 1.Then, three solutions of SmI 3 in a 999:1 (v/v) mixture of isopropanol and N,N-dimethylformamide (DMF) were prepared, respectively with contents of 2.6 mg/mL, 6.6 mg/ mL and 13.1 mg/ mL (respective molar concentrations of 0.005 mol/L, 0.012 mol/L and 0.025 mol/L). Each SmI 3 solution was deposited as described in Example 1.
Exemple 4 : caractérisation des échantillonsExample 4: sample characterization
Toutes les mesures de caractérisation décrites ci-dessous ont été réalisées sous atmosphère inerte (N2) et selon des procédures usuelles. Chaque mesure a été réalisée au moins 3 fois, hormis les analyses de rayon X et de spectrométrie photoélectronique qui ont été réalisées une seule fois.All the characterization measurements described below were carried out under an inert atmosphere (N 2 ) and according to usual procedures. Each measurement was carried out at least 3 times, except for the X-ray and photoelectron spectrometry analyzes which were carried out only once.
Les échantillons testés ici sont ceux obtenus à l’exemple 1, hormis la mesure de conductivité pour laquelle des mesures ont également été réalisées avec les échantillons de l’exemple 2, et de l’exemple 3.The samples tested here are those obtained in Example 1, apart from the conductivity measurement for which measurements were also carried out with the samples of Example 2 and Example 3.
La conductivité des différents échantillons a été calculée à partir des courbes I-V qui ont été enregistrées à l’aide d’une unité de source et de mesures (SMU) Keithley 4200. Les échantillons ont été scannés de -1V à 1V avec une rampe de 5 mV/s.The conductivity of the different samples was calculated from the I-V curves which were recorded using a Keithley 4200 Source and Measurement Unit (SMU). The samples were scanned from -1V to 1V with a ramp of 5mV/s.
La diffraction au rayon X (XRD) a été réalisée à l’aide d’un appareil Bruker D2 Phaser.X-ray diffraction (XRD) was performed using a Bruker D2 Phaser device.
Les spectres d’absorption ont été réalisés à l’aide d’un spectrophotomètre UV-Vis-NIR Shimadzu UV-3600 Plus.Absorption spectra were performed using a Shimadzu UV-3600 Plus UV-Vis-NIR spectrophotometer.
La spectrométrie de masse des ions secondaires à temps de vol (ToF SIMS) a été réalisée à l’aide d’un appareillage TOF.SIMS 5 ION-TOF, et des clusters d’argon ont été utilisés pour réaliser l’analyse en profondeur.Time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF SIMS) was performed using a TOF.SIMS 5 ION-TOF instrument, and argon clusters were used to perform the in-depth analysis. .
La spectrométrie photoélectronique X (XPS) a été réalisée avec un spectromètre K-Alpha ThermoFisher Scientific et les profils en profondeur ont été réalisés avec des ions argon.X-ray photoelectron spectrometry (XPS) was performed with a ThermoFisher Scientific K-Alpha spectrometer and depth profiles were performed with argon ions.
Le travail de sortie a été mesuré à l’aide de la spectroscopie UPS.The work function was measured using UPS spectroscopy.
Les mesures de conductivité ont été réalisées pour tous les échantillons selon l’invention, en fonction de la concentration en solution de SmI2utilisée. Tel que représenté aux figures 1 (avec le matériau selon l’exemple 1) et 2 (avec le matériau selon l’exemple 2), le traitement avec une solution de SmI2selon l’invention a un effet sur la conductivité du matériau final : une augmentation de 2 à 3 ordres de grandeur est observée en utilisant la solution III-3 de SmI2à 10 mg/mL comparé à la référence (solution de solvants sans SmI2). Cet effet n’est donc pas dû aux solvants employés.The conductivity measurements were carried out for all the samples according to the invention, depending on the concentration of SmI 2 solution used. As shown in Figures 1 (with the material according to Example 1) and 2 (with the material according to Example 2), the treatment with a solution of SmI 2 according to the invention has an effect on the conductivity of the final material : an increase of 2 to 3 orders of magnitude is observed using the III-3 solution of SmI 2 at 10 mg/mL compared to the reference (solution of solvents without SmI 2 ). This effect is therefore not due to the solvents used.
Des mesures de conductivité ont également été réalisées sur les échantillons hors invention selon l’exemple 3. Tel que cela est apparent à la
Ensuite, afin de déterminer si l’agent dopant est présent uniquement en surface ou également dans le volume de la couche de pérovskite, une spectrométrie de masse des ions secondaires à temps de vol (ToF SIMS) a été réalisée sur les différents échantillons. Les spectromètres obtenus sont reproduits à la
La spectrométrie photoélectronique X (XPS) a permis par ailleurs de montrer la présence concomitante de Sm2+et de Sm3+dans les trois échantillons (
Afin de déterminer l’impact du procédé de dopage sur la structure cristalline de la pérovskite, des spectres de diffraction aux rayons X ont été réalisés, et sont représentés à la
Les différents diagrammes de Tauc obtenus sont représentés à la
Afin de déterminer le type de dopage réalisé (P ou N), la spectroscopie UPS a été utilisée pour mesurer la variation du travail de sortie en fonction de la concentration de la solution de SmI2utilisée. Tel que cela ressort de la
Claims (19)
(I),
ledit procédé comprenant le dépôt sur le substrat (S) d’un précurseur de pérovskite de formule (II) :
(II)
et d’un composé de formule (III) :
(III),
avec :
- A2+représentant Sn2+ou Pb2+ou Sn2+ xPb2+ yavec x+y=1,
- E2+et E3+représentant un cation respectivement divalent et trivalent d’un élément E, avec E représentant Eu, Sm, Pd ou Cd,
- B+représentant un ou plusieurs cations monovalents,
- X-et Y-représentant chacun indépendamment l’un de l’autre Cl-, Br-, ou I-,
- m représentant un nombre inférieur à 1 et
- n représentant un nombre tel que 0 < n ≤ 0,5.Process for forming on a substrate (S) a layer of doped semiconductor material of formula (I):
(I),
said method comprising the deposition on the substrate (S) of a perovskite precursor of formula (II):
(II)
and a compound of formula (III):
(III),
with :
- A 2+ representing Sn 2+ or Pb 2+ or Sn 2+ x Pb 2+ y with x+y=1,
- E 2+ and E 3+ representing a respectively divalent and trivalent cation of an element E, with E representing Eu, Sm, Pd or Cd,
- B + representing one or more monovalent cations,
- X - and Y - each representing independently of one another Cl - , Br - , or I - ,
- m representing a number less than 1 and
- n representing a number such that 0 < n ≤ 0.5.
a1) disposer d’une solution de précurseur de pérovskite de formule (II) dans un solvant polaire ou un mélanges de solvants polaires,
a2) disposer d’une solution d’un composé de formule (III) dans un solvant polaire ou un mélange de solvants polaires,
b) disposer d’un substrat (S),
c1) déposer la solution de précurseur de pérovskite (II) sur le substrat (S),
c2) chauffer à une température allant de 50°C à 150°C, afin d’obtenir un substrat couvert d’une couche de pérovskite,
c3) déposer la solution du composé de formule (III) sur le substrat couvert d’une couche de pérovskite,
c4) chauffer à une température allant de 50°C à 150°C.Method according to claim 1 comprising the following steps:
a1) have a solution of perovskite precursor of formula (II) in a polar solvent or a mixture of polar solvents,
a2) have a solution of a compound of formula (III) in a polar solvent or a mixture of polar solvents,
b) have a substrate (S),
c1) deposit the perovskite precursor solution (II) on the substrate (S),
c2) heat to a temperature ranging from 50°C to 150°C, in order to obtain a substrate covered with a layer of perovskite,
c3) deposit the solution of the compound of formula (III) on the substrate covered with a layer of perovskite,
c4) heat to a temperature ranging from 50°C to 150°C.
A) disposer d’une solution de précurseur de pérovskite de formule (II) et de composé de formule (III) dans un solvant polaire ou un mélange de solvants polaires,
B) disposer d’un substrat (S),
C1) déposer la solution de précurseur de pérovskite (II) et de composé de formule (III) sur le substrat (S),
C2) chauffer à une température allant de 50°C à 150°C.Method according to claim 1 comprising the following steps:
A) have a solution of perovskite precursor of formula (II) and of compound of formula (III) in a polar solvent or a mixture of polar solvents,
B) have a substrate (S),
C1) deposit the solution of perovskite precursor (II) and compound of formula (III) on the substrate (S),
C2) heat to a temperature ranging from 50°C to 150°C.
Priority Applications (2)
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Citations (3)
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| CN112522776A (en) * | 2020-11-11 | 2021-03-19 | 成都新柯力化工科技有限公司 | Method for continuously preparing perovskite photovoltaic single crystal thin film composite material |
| US20210308934A1 (en) * | 2017-03-16 | 2021-10-07 | Board Of Regents, The University Of Texas System | Nanoimprinting organo-metal perovskites for optoelectronic and photovoltaic applications |
-
2022
- 2022-07-29 FR FR2207854A patent/FR3138452A1/en active Pending
-
2023
- 2023-07-25 WO PCT/FR2023/051157 patent/WO2024023437A1/en unknown
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| PATIL ET AL., ACS SUSTAINABLE CHEM. ENG, vol. 8, 2020, pages 16364 - 16371 |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2024023437A1 (en) | 2024-02-01 |
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