本发明涉及光电设备。还描述了包括第一电极和第二电极的衬底。还描述了根据本发明的方法。
导致本发明的工作已经获得欧洲研究委员会的资助，资助号为ERC-Stg2011HYPER。
背景技术：
有机-无机钙钛矿太阳能电池已经上升到光伏能源解决方案研究的前沿。除了电极之外，太阳能电池中的材料可以被进行溶液处理并且成本低，使得它们容易升级用于大面积应用。
在标准设备配置中，一块钙钛矿(最通常为CH3NH3PbI3)半导体被“夹在”两个载体选择性接触件之间。这在图1中示意性地示出，其中二氧化钛(TiO2)用作空穴阻挡电子提取层，以及有机小分子螺环-OMeTAD用作电子阻挡空穴提取层。然后这些层分别在底部和顶部上与透明导电氧化物(TCO，例如氟掺杂的氧化锡(FTO))和深功函数金属(例如银或金)接触。在这种配置中，光线穿过TCO和空穴阻挡层以到达钙钛矿活性层。但是，由于通过这些层的光反射、散射和吸收，不可忽略的损失达到接近于太阳光谱的可见光区域中所有光的15％(Ball,J.M.；Lee,M.M.；Hey,A.；Snaith,H.J。Energy Environ.Sci(能源环境，科学)，2013年，6，1739)。这意味着：仅仅通过采光的实际限制，太阳能电池的性能就被限制在小于理论最大值的90％。此外，这种类似堆叠的方法意味着太阳能电池加工涉及若干具有多个沉积步骤的能量密集步骤，该沉积步骤在固体顶部触点中使用相对大量的金或银。
然而，如果所讨论的材料的扩散长度相对较长，则可以通过在它们之间以大空间进行长而薄的接触来缓解这些问题。这里，通过该接触的光传输将简单地与未被接触的半导体的有效面积成比例。金属的高导电性使得可以制造大约1μm的非常窄的金属触点。如果扩散长度为数十微米，则可以使用数十微米的间距，使得电极占用的有效面积变得可以忽略，以及当然小于标准TCO底部触点布置中损失的15％。这是通常用于可商购硅太阳能电池的设计：许多薄银或铝电极以毫米间隔沉积在太阳能电池的p型层的顶部，以制造具有高透明度的导电顶部电极(Korte,L.；Conrad,E.；Angermann,H.；Stangl,R.；Schmidt,M.Sol。Energy Mater.Sol.Cells(能源材料，溶胶，细胞)，2009年，93，905)。钙钛矿中的电子和空穴扩散长度可以超过1μm(Stranks等，Science(80)(科学(80))，2013年，342，341)。
另一方面，如果可以将两个选择性触点放置在同一底部衬底上，则半导体的顶部表面将对入射的辐射完全没有屏蔽。实际上，顶部表面然后甚至可以涂覆具有适当折射率的抗反射涂层。此外，这里同时含有电子和空穴选择性触点的后衬底也可以接近透明，使得该结构非常适合于建造以太阳能电池板兼作窗户的集成光伏电池。可以执行的一种方式是通过在底部衬底上使用叉指式空穴触点和电子选择性触点，例如，如US 4,478,879和Fu，D.，Li Zhang，X.，Barber，R.L.&Bach，U.Dye-sensitized back-contact solar cells(U.染料敏化的后接触太阳能电池)，Adv.Mater。22，4270-4274(2010)所述。这种叉指式后触点结构也已经在WO 2015/084961中与钙钛矿相关地进行了理论描述，尽管没有关于如何可能构建这种设备的指示。
此外，由于两个选择性触点不能接触(因为它们将在底部衬底上形成短路)，所以叉指式背电极结构已被证明难以使用。这阻止了这种类型的电极架构容易应用于溶液加工的光伏电池，例如金属卤化物钙钛矿太阳能电池。此外，与硅相比，金属卤化物钙钛矿太阳能电池具有相对较短的电子-空穴对扩散长度，这意味着它们不太适合于叉指式背电极。
因此，期望开发一种适用于钙钛矿太阳能电池的新型背电极结构。也期望开发一种用于制备这种结构的新方法。
技术实现要素：
本发明人开发了一种新的光电设备结构，其惊奇地允许背电极结构用于包含金属卤化物钙钛矿光活性材料的光电设备中。本发明人还发现，在钙钛矿太阳能电池中测得的扩散长度高达10μm，这表明这种类型的结构应该适用于这类新型太阳能电池。本发明还惊奇地允许通过简单且可缩放的一步光刻图案化步骤来制备完全后接触的钙钛矿太阳能电池。该架构允许改进的采光并因此在完全优化后实现最终限制效率，同时它还具有简单处理和用于构建集成光伏电池的直接益处。本发明的关键优点在于，在金属卤化物钙钛矿层下方的后接触衬底的所有区域中具有在衬底上存在的p型或n型收集材料。这具有以下有益影响：需要在p型或n型电荷收集层上方的区域中的金属卤化物钙钛矿中横向行进时，主要仅留下一种类型的电荷载体(电子或空穴)。
本发明提供了一种光电设备，包括：
(a)包括至少一个第一电极和至少一个第二电极的衬底，所述至少一个第一电极包括第一电极材料，所述至少一个第二电极包括第二电极材料；以及
(b)设置在衬底上的光活性材料，所述光活性材料与所述至少一个第一电极和所述至少一个第二电极接触，
其中，衬底包括：
-第一电极材料层；和
-设置在所述第一电极材料层上的绝缘材料层，所述绝缘材料层部分地覆盖所述第一电极材料层；以及
-设置在所述绝缘材料层上的第二电极材料，
并且其中，所述光活性材料包含晶体化合物，所述晶体化合物包括：
-选自金属或类金属阳离子的一种或更多种第一阳离子；
-选自Cs+、Rb+、K+、NH4+和有机阳离子的一种或多种第二阳离子；以及
-一种或更多种卤化物或硫属化物阴离子。
本发明还提供了包括至少一个第一电极和至少一个第二电极的衬底，所述至少一个第一电极包括第一电极材料，所述至少一个第二电极包括第二电极材料；
其中，衬底包括：
-第一电极材料层；和
-设置在所述第一电极材料层上的绝缘材料层，所述绝缘材料层部分地覆盖所述第一电极材料层；和
-设置在所述绝缘材料层上的第二电极材料；以及其中，所述第一电极材料包含钛、锡、锌、铌、钽、铟、镓、钕、钯或镉的氧化物和/或透明导电氧化物，并且所述第二电极材料包含金属。
本发明还提供了一种用于制造包含第一电极和第二电极的衬底的方法，该方法包括：
(i)提供设置在基底材料层上的第一电极材料层；
(ii)在所述第一电极材料层上设置抗蚀剂层；
(iii)执行光刻步骤以在所述第一电极材料层上限定第二电极图案；
(iv)在所述抗蚀剂层上设置绝缘材料层；
(v)在所述绝缘材料层上设置第二电极材料层；以及
(vi)去除抗蚀剂和设置在抗蚀剂上的材料。
还提供了可通过根据本发明的用于制造包含第一电极和第二电极的衬底的方法来获得的衬底。
还提供了一种用于制造包含衬底的光电设备的方法，所述衬底包含第一电极和第二电极，所述方法包括通过本发明方法来制造衬底的步骤。
本发明还提供了一种可通过根据本发明的用于制造光电设备的方法来获得的光电设备。
本发明还提供了一种包含两个或更多个根据本发明的衬底的模块。
附图说明
图1示出了标准钙钛矿太阳能电池结构的示意图。
图2示出了用于制造衬底电极的本发明方法的示意图。
图3示出了许多单个薄电极的宏观电极的显微镜图像，这些电极全部连接以形成一个大电极。较厚的十字形特征是较厚的HCE电极条，以避免沿着薄电极的小断裂情况下的损失。
图4示出了最终的广义设备结构的示意图。
图5示出了扫描电子显微镜图像，其是在初步研究中制备的设备之一的横截面。
图6示出了具有(1μm、5μm、10μm、15μm)不同空穴传导电极间距的设备的电流密度-电压(JV)特性。
图7示出了具有1μm空穴传导电极间距的设备的JV特性，其中短路电流处的最高光电流约为1mA cm-2。
图8示出了可用于本发明的电极衬底的示意性透视图。A是第二电极材料层，B是绝缘材料层，C是第一电极材料层，D是基底材料层。
图9示出了可能的电极图案和覆盖物的示意性平面图，其中白色区域是第一电极材料的暴露区域，以及黑色区域对应于第二电极材料层。
图10示出了光电设备的实施例的示意性侧视图。
图11示出了根据本发明的模块的示意性侧视图，该模块包括两个相邻电池之间的互连。A是基底材料，B和C一起形成第一电极材料(其中C作为n型半导体)，D是绝缘材料，E是第二电极材料，以及F是晶体化合物。
图12示出了根据本发明的模块的示意性平面图。
图13示出了显影之后图案化光致抗蚀剂的倾斜SEM图像，该图像示出了对间距和指宽为1μm的剥离有利的底切轮廓。
图14示出了光学显微镜图像，该图像示出了剥离之后间距和指宽为1μm的图案化电极。
图15示出了截面SEM图像，该图像示出了绝缘Al2O3顶部上的Ni+NiO电极，该绝缘Al2O3被覆盖有PMMA薄层的钙钛矿所包围。
图16示出了设备在光(LC)下和在黑暗(DC)中的电流密度-电压(JV)特性，其中，镍(Ni)电极被退火(annealed，an)或被O2等离子体蚀刻以形成NiO壳。
图17示出了后接触设备的示意图，其中在剥离之前将空穴传导层蒸发到金电极上。通过1-十二烷硫醇的自组装绝缘层来对金电极的分流产生的暴露侧进行处理以防止电子注入金中。
图18示出了设备在光(LC)下和在黑暗(DC)中的电流密度-电压(JV)特性，该设备使用金作为空穴传导电极，使用蒸发的NiO作为空穴传输层以及使用1-十二烷硫醇作为分流阻挡层。
图19示出了设备在光下的电流密度-电压(JV)特性，该设备未经处理或经离子液体(离子)处理和/或钙钛矿被三辛基氧化膦(TOPO)涂覆。在TOPO处理后，显示出开路电压得到改善。
图20示出了经离子液体和TOPO处理的设备的稳定功率转换效率(在最大功率点的电压下保持50秒)。
图21示出了反向器件在光下反向和正向的电流密度-电压(JV)特性。
图22示出了在指宽为1μm且间距为5μm的剥离之后图案化电极的光学显微镜图像。
图23示出了在指宽为1μm且间距为10μm的剥离之后图案化电极的光学显微镜图像。
图24示出了在指宽为1μm且间距为20μm的剥离之后图案化电极的光学显微镜图像。
图25示出了指间距为1μm、5μm、10μm和20μm的设备在光下测得的短路电流。所用的电子传输层是旋涂TiO2。
图26示出了设备在光下测得的短路电流，该设备具有来自旋涂TiO2、旋涂SnO2和喷涂TiO2的电子传输层的指间距为1μm(仅旋涂TiO2)、5μm、10μm和20μm(标准化为5μm的短路电流密度(JSC))。所用的电子传输层是旋涂TiO2。
图27示出了具有由绝缘体分隔的空穴传输电极和底部上的电子传输层的圆形背电极的示意图。
图28示出了通过微球光刻的图案化PAA层的SEM顶视图像。孔直径略小于1微米，这是珠子的直径，这些珠子以六角形紧密图案排列以形成该图案。
图29示出了通过微球光刻用金涂覆的图案化PAA层的SEM顶视图像。
具体实施方式
定义
本文所用的术语“光活性材料”是指这样的材料，其(i)吸收光，然后可以产生自由电荷载体；或者(ii)接受电子和空穴两者的电荷，随后可以重新结合并发光。光吸收材料是吸收光的材料，然后可以产生自由电荷载体(例如电子和空穴)。光活性材料是半导体材料的示例。“光发射材料”是吸收能量高于带隙的光并在带隙处以能量重新发射光的材料。
本文所用的术语“晶体化合物”是指具有包含两种或更多种类型离子的三维晶体结构的化合物。
本文所用的术语“一价阳离子”是指具有一价正电荷的任何阳离子，即具有公式A+的阳离子，其中A是任何部分，例如金属原子或有机部分。本文所用的术语“二价阳离子”是指具有二价正电荷的任何阳离子，即具有公式A2+的阳离子，其中A是任何部分，例如金属原子或有机部分。本文所用的术语“三价阳离子”是指具有三价正电荷的任何阳离子，即具有公式A3+的阳离子，其中A是任何部分，例如金属原子。
本文所用的术语“半导体”或“半导体材料”是指一种材料，其电导率的量值处于导体与电介质的电导率中间。半导体可以是负(n)型半导体、正(p)型半导体或本征(i)半导体。半导体可以具有0.5eV至3.5eV的带隙，例如0.5eV至2.5eV或1.0eV至2.0eV(当在300K下测量时)。
本文所用的术语“烷基”是指直链或支链饱和烃基。烷基团可以是C1-20烷基团、C1-14烷基团、C1-10烷基团、C1-6烷基团或C1-4烷基团。C1-6烷基团的示例是甲基、乙基、丙基、丁基、戊基或己基。C1-4烷基团的示例是甲基、乙基、异丙基、正丙基、叔丁基、仲丁基或正丁基。如果本文任何地方使用的术语“烷基”没有指定碳数量的前缀，则其具有1至6个碳(并且这也适用于本文所提及的任何其他有机基团)。
本文所用的术语“芳基”是环部包含6至14个碳原子(通常地，6至10个碳原子)的单环、双环或多环芳环。示例包括苯基团、萘基团、茚基团、茚满基团、蒽基团和芘基团。本文所用的术语“芳基团”包括杂芳基团。本文所用的术语“杂芳基”是指单环或双环杂芳环，其环部通常包含6至10个原子(包括一个或更多个杂原子)。杂芳基团通常是5-元环或6-元环，包含至少一个选自O、S、N、P、Se和Si的杂原子。它可以包含例如一个、两个或三个杂原子。杂芳基团的示例包括吡啶基、吡嗪基、嘧啶基、哒嗪基、呋喃基、噻吩基、吡唑烷基、吡咯基、唑基、二唑基、异唑基、噻二唑基、噻唑基、异噻唑基、咪唑基、吡唑基、喹啉基和异喹啉基。
如本文在取代的有机基团中使用的，术语“取代的”是指带有选自以下的一个或更多个取代基的有机基团：C1-10烷基、芳基(如本文所定义)、氰基、氨基、硝基、(C1-10)烷基氨基、芳基氨基、二芳基氨基、芳基(C1-10)烷基氨基、酰氨基、酰基酰氨基、羟基、氧代、卤素、羧基、酯、酰基、酰氧基、C1-10烷氧基、芳氧基、(C1-10)烷基、磺酸、硫醇、C1-10烷硫基、芳硫基、磺酰基、磷酸、磷酸酯、膦酸和膦酸酯。取代的烷基团的示例包括卤代烷基团、全卤代烷基团、羟基烷基团、氨基烷基团、烷氧基烷基团和烷芳基团。当基团被取代时，它可能带有1、2或3个取代基。例如，被取代的基团可能有1或2个取代基。
本文所用的术语“多孔”是指其中布置有孔的材料。因此，例如，在多孔支架材料中，孔隙是在没有支架材料的支架内的体积。每个孔可以具有相同的尺寸或不同的尺寸。孔的尺寸定义为“孔径”。对于涉及多孔固体的大多数现象，孔的极限尺寸是其最小尺寸，其在没有任何进一步精度的情况下被称为孔的宽度(即，狭缝形孔的宽度、圆柱形孔或球形孔的直径，等等)。为了避免在比较圆柱形和狭缝形孔隙时尺寸上的误差变化，应当使用圆柱形孔的直径(而不是其长度)作为其“孔隙宽度”(J.Rouquerol等人，“Recommendations for the Characterization of Porous Solids(针对多孔固体表征的建议)”，Pure&Appl.Chem.，第1739-1758页第66卷第8号，1994年)。以前的IUPAC文件采用了以下的区别和定义(K.S.W.Sing等人，Pure和Appl.Chem.，n04，第603-919页第57卷，1985年；和IUPAC“Manual on Catalyst Characterization(催化剂表征手册)”，J.Haber，Pure和Appl.Chem.，第1227-1246第63卷，1991年)：微孔的宽度(即孔径)小于2nm；中孔具有2nm至50nm的宽度(即孔径)；大孔的宽度(即孔径)大于50nm。另外，可以认为纳米孔具有小于1nm的宽度(即孔径)。
材料中的孔可能包括“封闭”孔以及开放孔。封闭孔是在非连通空腔的材料中的孔，即在材料内隔离并且不连接到任何其它孔的孔，以及因此，材料所暴露于其中的流体(例如液体，例如溶液)不能进入该孔。另一方面，这种流体可以进入“开放孔”。J.Ruquerol等人的“Recommendations for the Characterization of Porous Solids(针对多孔固体表征的建议)”，Pure&Appl.Chem.，第1739-1758页第8号第66卷，1994年)详细讨论了开放孔和封闭孔的概念。
因此，开放孔隙率是指在多孔材料的总体积中的分数，流体流动可在多孔材料中有效发生。因此，排除封闭孔。术语“开放孔隙率”与术语“连通孔隙率”和“有效孔隙率”可互换，并且在本领域中通常简化为“孔隙率”。
因此，本文所使用的术语“没有开放孔隙率”是指没有有效开放孔隙率的材料。因此，没有开放孔隙率的材料通常不具有大孔并且没有中孔。然而，没有开放孔隙率的材料可以包含微孔和纳米孔。这种微孔和纳米孔通常太小而不能对需要低孔隙率的材料产生负面影响。
本文所使用的术语“致密层”是指没有中孔隙率或大孔隙率的层。致密层有时可能具有微孔隙率或纳米孔隙率。
本文所使用的术语“光电设备”是指源、控制、检测或发射光的设备。光理解为包括任何电磁辐射。光电设备的示例包括光伏设备、光电二极管(包括太阳能电池)、光电晶体管、光电倍增管、光电探测器、光敏电阻、发光设备、发光二极管和电荷注入激光器。
术语“基本上由......组成”是指组合物包含一些组分和其他组分并且该组合物基本上由所述一些组分构成，前提条件是其他组分不实质上影响组合物的基本特征。通常，基本上由某些组分组成的组合物将包含大于或等于95wt％的那些组分或大于或等于99wt％的那些组分。
本文所使用的术语“层”是指基本上呈层状(例如基本上在两个垂直方向上延伸，但限制其在第三垂直方向上的延伸)的任何结构。层可能有不同的厚度。当在平面图中观察时(例如，在第三垂直方向上)时，层的形状可以在某个区域(例如，矩形区域)上是连续和完整的，或者可以具有包含形成该层材料的区域和不包含形成该层材料的区域。在后一种情况下，层例如可以包括构成该层材料的多个狭窄的矩形区域(即条带)，其可以例如通过垂直延伸的另一个条带连接以形成梳状材料层。在一些情况下，材料层可以包括材料的多个未连接区域，前提条件是这些区域都包含在层状区域内。“层”不限于单一材料的单层，而是包括一种或更多种材料中的任何多层系统，前提条件是多层系统一起构成层。
光电设备
本发明提供了一种光电设备，包括：
(a)包括至少一个第一电极和至少一个第二电极的衬底，所述至少一个第一电极包括第一电极材料，所述至少一个第二电极包括第二电极材料；以及
(b)设置在衬底上的光活性材料，所述光活性材料与所述至少一个第一电极和所述至少一个第二电极接触，
其中，衬底包括：
-第一电极材料层；和
-设置在所述第一电极材料层上的绝缘材料层，所述绝缘材料层部分地覆盖所述第一电极材料层；以及
-设置在所述绝缘材料层上的第二电极材料，
并且其中，所述光活性材料包含晶体化合物，所述晶体化合物包括：
-选自金属或类金属阳离子的一种或更多种第一阳离子；
-选自Cs+、Rb+、K+、NH4+和有机阳离子的一种或更多种第二阳离子；以及
-一种或更多种卤化物或硫属化物阴离子。
绝缘材料层部分地覆盖第一电极材料层。因此，当在平面图中观察时，绝缘材料层的区域仅部分地覆盖第一电极材料层。第一电极材料层通常是在基本上全部衬底(或包括第一和第二电极的衬底的至少一部分)上延伸的连续且完整的层。例如，第一电极材料层可以是以第一电极材料的完整的大致矩形层的形式。绝缘材料层通常是仅在部分衬底上延伸的不完整层。例如，绝缘材料层可以是以在第一电极材料层上设置的梳状结构的形式。替代地，绝缘材料层可以是具有多个孔的绝缘材料层，该孔可以是大致矩形、大致圆形或任何其它形状。图9示出了绝缘材料层可以采用的形状的示例。
当在平面图中观察时，绝缘材料层通常覆盖第一电极材料层的面积的小于或等于80％。因此，如果在平面图中观察时第一电极材料的矩形层具有10.0cm2的面积(尽管由于绝缘材料层而导致不是所有的第一电极材料将是可见的)，并且当在平面图中观察时在第一电极材料的矩形上设置的绝缘材料层具有7.0cm2的面积，则当在平面图中观察时，绝缘材料覆盖第一电极材料层的面积的70％。当在平面图中观察时，绝缘材料层经常覆盖第一电极材料层的面积的小于或等于70％，或者小于或等于60％。当在平面图中观察时，绝缘材料层经常覆盖第一电极材料层的面积的大于或等于20％，或者大于或等于30％。例如，绝缘材料层可以覆盖第一电极材料层的面积的30％至70％，例如40％至60％。
第二电极材料层是设置在绝缘材料层上。通常不将第二电极材料层设置在第一电极材料层上。因此，当在平面图中观察时，第二电极材料层也部分地覆盖第一电极材料层，但是它基本上不与第一电极材料层接触。因此，当在平面图中观察时，第二电极材料层通常覆盖的面积小于或等于由绝缘材料层覆盖的面积。在某些情况下，第二电极材料层覆盖的区域面积可以大于绝缘材料层所覆盖的区域面积，但不是接触第一电极材料层的第二电极材料层。
第二电极材料的层通常叠加在绝缘材料层上。因此，第二电极材料层和绝缘材料层通常具有基本相同的轮廓并且彼此叠加。这通常通过在同一光刻步骤中沉积绝缘材料层和第二电极材料层来实现。去除抗蚀剂然后留下绝缘材料和第二电极材料的相同图案。
如果需要，在第一电极材料层和绝缘材料层之间，或在绝缘材料层和第二电极层之间可以存在一个或更多个附加层。通常，将绝缘材料层直接设置在第一电极材料层上并与第一电极材料层接触。通常，将第二电极材料层直接设置在绝缘材料层上并与绝缘材料层接触。在一些情况下，在第一电极材料层和绝缘材料层之间，或者在绝缘材料层和第二电极层之间可以设置粘附材料层(例如铬)。
光活性材料通常具有小于或等于80μm的电子-空穴扩散长度。经常地，光活性材料通常具有大于或等于100nm的电子-空穴扩散长度。例如，电子-空穴扩散长度可以小于或等于50μm，或者小于或等于10μm。在一些情况下，光活性材料通常具有100nm至5μm的电子-空穴扩散长度，例如500nm至1.5μm。电子-空穴对中的电子可以具有从100nm到5μm的电子扩散长度。电子-空穴对中的空穴可以具有从100nm到5μm的电子扩散长度。电子和空穴扩散长度可以使用已知技术来测量，例如Shaw等人的Adv.Mater.20，3516-3520(2008年)或Stranks等人的Science 342，341(2013年)。扩散长度通常是通过将光活性材料的光致发光衰减建模为具有淬灭层和不具有淬灭层的扩散方程而测量的长度。测量通常在20℃下完成。
在晶体化合物中，一种或更多种第一阳离子通常是选自Pd4+、W4+、Re4+、Os4+、Ir4+、Pt4+、Sn4+、Pb4+、Ge4+、Te4+、Bi3+、Sb3+、Sn2+、Ca2+、Sr2+、Cd2+、Cu2+、Ni2+、Mn2+、Fe2+、Co2+、Pd2+、Ge2+、Sn2+、Pb2+、Yb2+、Eu2+、Au+、Ag+和Cu+的金属或类金属阳离子。一种或更多种第一阳离子优选地是选自Sn2+、Pb2+、Cu2+和Ge2+的金属或类金属二价阳离子。
在晶体化合物中，一种或更多种第二阳离子通常是选自Cs+、Rb+、K+和有机一价阳离子的一种或更多种一价阳离子。例如，一个或更多个第二阳离子可以是一个或更多个有机一价阳离子。通常，一种或更多种第二阳离子选自(NR1R2R3R4)+,(R1R2N＝CR3R4)+、(R1R2N-C(R5)＝NR3R4)+和(R1R2N-C(NR5R6)＝NR3R4)+，并且R1、R2、R3、R4、R5和R6中的每一个独立地是H、取代的或未取代的C1-20烷基团、或者取代的或未取代的芳基团。R1、R2、R3、R4、R5和R6通常独立地是H、取代的或未取代的C1-6烷基团、或者取代的或未取代的芳基团。优选地，R1、R2、R3、R4、R5和R6独立地是H或未取代的C1-6烷基团。例如，R1、R2、R3、R4、R5和R6可以独立地是H、甲基、乙基或丙基。
优选地，一种或更多种第二阳离子选自(R1NH3)+、(NR24)+和(H2N-C(R1)＝NH2)+，其中R1是H、取代的或未取代的C1-20烷基团、或者取代的或未取代的芳基团，并且每个R2独立地是H、或者取代的或未取代的C1-10烷基团。经常地，R1是H或未取代的C1-6烷基团，并且每个R2是未取代的C1-6烷基团。例如，R1可以是H、甲基、乙基或丙基，以及每个R2可以是甲基、乙基和丙基。所有的R2可以相同，以及可以是甲基、乙基和丙基。例如，一种或更多种第二阳离子可以选自Cs+、(CH3NH3)+、(CH3CH2NH3)+、(CH3CH2CH2NH3)+、(N(CH3)4)+、(N(CH2CH3)4)+、(N(CH2CH2CH3)4)+、(H2N-C(H)＝NH2)+和(H2N-C(CH3)＝NH2)+。经常地，一种或更多种第二阳离子是(CH3NH3)+、(CH3CH2NH3)+或(CH3CH2CH2NH3)+的单一阳离子。例如，第二阳离子可以是(CH3NH3)+。
在结晶化合物中，一种或更多种阴离子通常选自F–、Cl–、Br–、I–、S2–、Se2–和Te2–。通常，一种或更多种阴离子选自F–、Cl–、Br–和I–，例如Cl–、Br–和I–。
因此，晶体化合物可以是具有下式的化合物：
[A]a[M]b[X]c
其中，[A]是所述一种或更多种第二阳离子，[M]是所述一种或更多种第一阳离子，[X]是一种或更多种卤化物或硫属化物阴离子，a是1至6的整数，b是1至6的整数，以及c是1至18的整数。a通常是1至3的整数，b通常是1至3的整数，c通常是1至8的整数。
如果[A]是一种阳离子(A)，[M]是两种阳离子(M1和M2)，并且[X]是一种阴离子(X)，则晶体材料可以包含具有公式Aa(M1，M2)bXc的化合物。[A]可以表示一种、两种或更多种A离子。如果[A]、[M]或[X]多于一种离子，那些离子可能以任何比例存在。例如，Aa(M1，M2)bXc包括具有公式AaM1byM2b(1-y)Xc的所有化合物，其中y是在0至1之间，例如0.05至0.95。这种材料可以称为混合离子材料。
通常，晶体化合物是钙钛矿或六卤素金属酸盐。优选地，晶体化合物是钙钛矿。晶体化合物通常是金属卤化物钙钛矿。晶体化合物通常是有机金属卤化物钙钛矿。
通常，晶体化合物是具有公式(I)的钙钛矿：
[A][M][X]3 (I)
其中：[A]是所述一种或更多种第二阳离子，[M]是所述一种或更多种第一阳离子，[X]是一种或更多种卤化物或硫属化物阴离子。
[A]可以是本文针对第二阳离子所描述的至少一种阳离子。例如，[A]可以是选自Cs+、(NR1R2R3R4)+、(R1R2N＝CR3R4)+、(R1R2N–C(R5)＝NR3R4)+和(R1R2N–C(NR5R6)＝NR3R4)+中的一种或更多种阳离子，其中R1、R2、R3、R4、R5和R6中的每一个独立地是H、取代的或未取代的C1-20烷基团、或者取代的或未取代的芳基团。R1、R2、R3、R4、R5和R6可以独立地是H或未取代的C1-6烷基团。[A]可以是选自(CH3NH3)+、(CH3CH2NH3)+、(CH3CH2CH2NH3)+、(N(CH3)4)+、(H2N–C(H)＝NH2)+和(H2N–C(CH3)＝NH2)+的一种或更多种有机阳离子。[A]可以是选自(CH3NH3)+、(CH3CH2NH3)+、(CH3CH2CH2NH3)+、(N(CH3)4)+、(H2N–C(H)＝NH2)+和(H2N–C(CH3)＝NH2)+的单一阳离子。A经常是(CH3NH3)+、(CH3CH2NH3)+或(CH3CH2CH2NH3)+。
[M]可以是本文针对第一阳离子所描述的至少一种阳离子。例如，[M]可以是选自Ca2+、Sr2+、Cd2+、Cu2+、Ni2+、Mn2+、Fe2+、Co2+、Pd2+、Ge2+、Sn2+、Pb2+、Yb2+和Eu2+中的一种或更多种阳离子。
在一个实施例中，钙钛矿是具有公式(IA)的钙钛矿化合物：
AM[X]3 (IA)
其中：A是一种所述第二阳离子，其为有机阳离子；M是一种所述第一阳离子，其为金属阳离子；以及[X]是两种或更多种不同的卤化物阴离子。优选地，[X]是两种或三种不同的卤化物阴离子。更优选地，[X]是两种不同的卤化物阴离子。有机阳离子和金属阳离子可以分别如上面对第二阳离子和第一阳离子所定义的那样。
光活性材料可以例如包含具有公式(IB)的钙钛矿化合物：
AMX3-xX'x (IB)
其中：A是所述第二阳离子；M是第一阳离子；X是第一卤化物阴离子；X'是不同于第一卤化物阴离子的第二卤化物阴离子；以及x是0至3。通常，x是0.05至0.95。例如，x可以是0.5至2.5，或0.75至2.25。通常，x是1至2。
光活性材料可以包含以下的钙钛矿化合物或基本上由选自以下的钙钛矿化合物组成：APbI3、APbBr3、APbCl3、APbF3、APbBrxI3-x、APbBrxCl3-x、APbIxBr3-x、APbIxCl3-x、APbClxBr3-x、APbI3-xClx、ASnI3、ASnBr3、ASnCl3、ASnF3、ASnBrI2、ASnBrxI3-x、ASnBrxCl3-x、ASnF3-xBrx、ASnIxBr3-x、ASnIxCl3-x、ASnF3-xIx、ASnClxBr3-x、ASnI3-xClx和ASnF3-xClx、ACuI3、ACuBr3、ACuCl3、ACuF3、ACuBrI2、ACuBrxI3-x、ACuBrxCl3-x、ACuF3-xBrx、ACuIxBr3-x、ACuIxCl3-x、ACuF3-xIx、ACuClxBr3-x、ACuI3-xClx和ACuF3-xClx，其中x是0至3，以及其中A是铵阳离子或本文所述的有机阳离子。x可以是0.05至2.96。例如，x可以是0.1至2.9，或0.5至2.5。在一些情况下，x是0.75至2.25，或1至2。
光活性材料可以包含以下的钙钛矿化合物或基本上由选自以下的钙钛矿化合物组成：CH3NH3PbI3、CH3NH3PbBr3、CH3NH3PbCl3、CH3NH3PbF3、CH3NH3PbBrxI3-x、CH3NH3PbBrxCl3-x、CH3NH3PbIxBr3-x、CH3NH3PbIxCl3-x、CH3NH3PbClxBr3-x、CH3NH3PbI3-xClx、CH3NH3SnI3、CH3NH3SnBr3、CH3NH3SnCl3、CH3NH3SnF3、CH3NH3SnBrI2、CH3NH3SnBrxI3-x、CH3NH3SnBrxCl3-x、CH3NH3SnF3-xBrx、CH3NH3SnIxBr3-x、CH3NH3SnIxCl3-x、CH3NH3SnF3-xIx、CH3NH3SnClxBr3-x、CH3NH3SnI3-xClx和CH3NH3SnF3-xClx、CH3NH3CuI3、CH3NH3CuBr3、CH3NH3CuCl3、CH3NH3CuF3、CH3NH3CuBrI2、CH3NH3CuBrxI3-x、CH3NH3CuBrxCl3-x、CH3NH3CuF3-xBrx、CH3NH3CuIxBr3-x、CH3NH3CuIxCl3-x、CH3NH3CuF3-xIx、CH3NH3CuClxBr3-x、CH3NH3CuI3-xClx和CH3NH3CuF3-xClx，其中x是0至3。x可以0.05至2.95。例如，x可以是0.1至2.9，或0.5至2.5。在一些情况下，x是0.75至2.25，或1至2。例如，如果第一阳离子是Pb2+，第二阳离子是CH3NH3+并且第二阴离子是I-，那么晶体材料可以包含或主要由CH3NH3PbI3组成。
光活性材料可以包含以下的钙钛矿化合物或基本上由选自以下的钙钛矿化合物组成：CH3NH3PbI3、CH3NH3PbBr3、CH3NH3PbCl3、CH3NH3PbF3、CH3NH3PbBrI2、CH3NH3PbBrCl2、CH3NH3PbIBr2、CH3NH3PbICl2、CH3NH3PbClBr2、CH3NH3PbI2Cl、CH3NH3SnI3、CH3NH3SnBr3、CH3NH3SnCl3、CH3NH3SnF3、CH3NH3SnBrI2、CH3NH3SnBrCl2、CH3NH3SnF2Br、CH3NH3SnIBr2、CH3NH3SnICl2、CH3NH3SnF2I、CH3NH3SnClBr2、CH3NH3SnI2Cl和CH3NH3SnF2Cl。
光活性材料可以包含以下的钙钛矿化合物或基本上由选自以下的钙钛矿化合物组成：CH3NH3PbBrxI3-x、CH3NH3PbBrxCl3-x、CH3NH3PbIxBr3-x、CH3NH3PbIxCl3-x、CH3NH3PbClxBr3-x、CH3NH3PbI3-xClx、CH3NH3SnBrxI3-x、CH3NH3SnBrxCl3-x、CH3NH3SnF3-xBrx、CH3NH3SnIxBr3-x、CH3NH3SnIxCl3-x、CH3NH3SnF3-xIx、CH3NH3SnClxBr3-x、CH3NH3SnI3-xClx和CH3NH3SnF3-xClx，其中x是0.05至2.95。例如，x可以是0.5至2.5，0.75至2.25，或1至2。
优选地，光活性材料包含以下的钙钛矿化合物或基本上由选自以下的钙钛矿化合物组成：CH3NH3PbI3、CH3NH3SnI3、NH4CuCl2Br、CH3NH3CuCl3和CH3NH3CuCl2Br。
在一个实施例中，晶体化合物是具有公式(II)的化合物(层状钙钛矿)：
[A]2[M][X]4 (II)
其中：[A]是一种或更多种第二阳离子；[M]是一种或更多种第一阳离子，它们是一种或更多种金属或类金属二价阳离子；以及[X]是一种或更多种卤化物或硫属化物阴离子。
光活性材料可以包含晶体化合物，其是具有公式(III)的六卤素金属酸盐：
[A]2[M][X]6 (III)
其中：[A]是一种或更多种第二阳离子；[M]是一种或更多种第一阳离子，它们是一种或更多种金属或类金属四价阳离子；以及[X]是一种或更多种卤化物阴离子。
例如，六卤素金属酸盐化合物可以是A2SnF6-yCly、A2SnF6-yBry、A2SnF6-yIy、A2SnCl6-yBry、A2SnCl6-yIy、A2SnBr6-yIy、A2TeF6-yCly、A2TeF6-yBry、A2TeF6-yIy、A2TeCl6-yBry、A2TeCl6-yIy、A2TeBr6-yIy、A2GeF6-yCly、A2GeF6-yBry、A2GeF6-yIy、A2GeCl6-yBry、A2GeCl6-yIy、A2GeBr6-yIy、A2ReF6-yCly、A2ReF6-yBry、A2ReF6-yIy、A2ReCl6-yBry、A2ReCl6-yIy或A2ReBr6-yIy，其中：A是K+、Rb+、Cs+、(R1NH3)+、(NR24)+或(H2N-C(R1)＝NH2)+，其中R1是H、取代的或未取代的C1-20烷基团、或者取代的或未取代的芳基团，以及R2是取代的或未取代的C1-10烷基团；以及y是0至6。可选地，y为0.01至5.99。如果六卤素金属酸盐化合物是混合卤化合物，则y通常为1.00至5.00。A可以是如上所定义的。例如，A可以是Cs+、NH4+、(CH3NH3)+、(CH3CH2NH3)+、(N(CH3)4)+、(N(CH2CH3)4)+、(H2N–C(H)＝NH2)+或(H2N–C(CH3)＝NH2)+，例如Cs+、NH4+或(CH3NH3)+。
在一些实施例中，六卤素金属酸盐中的所有离子都是单一阴离子。因此，光活性材料可以包含具有公式(IIIC)的六卤素金属酸盐化合物或基本上由具有公式(IIIC)的六卤素金属酸盐化合物组成：
A2MX6 (IIIC)
其中：A是所述第二一价阳离子的一种；M是金属或类金属四价阳离子；X是卤化物阴离子。A、M和X可以是如本文所定义的。
六卤素金属酸盐化合物可以是A2SnF6、A2SnCl6、A2SnBr6、A2SnI6、A2TeF6、A2TeCl6、A2TeBr6、A2TeI6、A2GeF6、A2GeCl6、A2GeBr6、A2GeI6、A2ReF6、A2ReCl6、A2ReBr6或A2ReI6，其中，A是K+、Rb+、Cs+、(R1NH3)+、(NR24)+或(H2N–C(R1)＝NH2)+，其中R1是H、取代的或未取代的C1-20烷基团、或者取代的或未取代的芳基团，以及R2是取代的或未取代的C1-10烷基团。
经常地，光活性材料包括晶体化合物，其是CH3NH3PbI3、CH3NH3PbBr3、CH3NH3PbCl3、CH3NH3PbF3、CH3NH3PbBrxI3-x、CH3NH3PbBrxCl3-x、CH3NH3PbIxBr3-x、CH3NH3PbIxCl3-x、CH3NH3PbClxBr3-x、CH3NH3PbI3-xClx、CH3NH3SnI3、CH3NH3SnBr3、CH3NH3SnCl3、CH3NH3SnF3、CH3NH3SnBrI2、CH3NH3SnBrxI3-x、CH3NH3SnBrxCl3-x、CH3NH3SnF3-xBrx、CH3NH3SnIxBr3-x、CH3NH3SnIxCl3-x、CH3NH3SnF3-xIx、CH3NH3SnClxBr3-x、CH3NH3SnI3-xClx和CH3NH3SnF3-xClx、CH3NH3CuI3、CH3NH3CuBr3、CH3NH3CuCl3、CH3NH3CuF3、CH3NH3CuBrI2、CH3NH3CuBrxI3-x、CH3NH3CuBrxCl3-x、CH3NH3CuF3-xBrx、CH3NH3CuIxBr3-x、CH3NH3CuIxCl3-x、CH3NH3CuF3-xIx、CH3NH3CuClxBr3-x、CH3NH3CuI3-xClx或CH3NH3CuF3-xClx，其中x是0至3。光活性材料可以例如包含大于95wt％一种或更多种这些钙钛矿中。
第一电极材料通常包含透明导电氧化物或金属。第一电极的主体可以由为金属或透明导电氧化物(TCO)的第一电极材料形成。第一电极材料可以包含大于或等于60wt％的透明导电氧化物或金属。
第一电极材料通常包括选自以下的透明导电氧化物：掺杂有选自铝、铜、银、镓、镁、镉、铟、锡、钪、钇、钴、锰、铬和硼的金属的氧化锡；氟掺杂的氧化锡(FTO)；或掺杂有选自铝、铜、银、镓、镁、镉、铟、锡、钪、钇、钴、锰、铬和硼的金属的氧化锌；或选自钛、铝、铜、银、金、镍或铂的金属。优选地，第一电极材料包括选自ITO、FTO和铝掺杂氧化锌(AZO)的透明导电氧化物。第一电极材料可以包括透明导电电极层，例如具有厚度为100nm至1000nm的透明导电电极层。
第一电极通常是电子选择性电极(但是可以替代地是如下所述的孔选择性电极)。因此第一电极材料通常还包括n型半导体。例如，第一电极材料可以包括作为导电部分的金属或透明导电氧化物的主要部分和作为电子选择部分的n型半导体的次要部分。例如，第一电极材料可以包括金属层或透明导电氧化物层，以及在其上设置的n型半导体层。
第一电极材料通常还包含选自以下的n型半导体：钛、锡、锌、锶、锆、铌、钽、铟、镓、钕、钯和镉的氧化物，可选地其中n型半导体是二氧化钛；镉、锡、锌、铅和铋的物、氧化物和氧硫化物，可选地其中n型半导体选自CdS、CdSe、ZnS、ZnSe、SnS、SnSe、PbS、PbSe、Bi2S3、Bi2Se3、ZnO1-xSx和SnO1-xSx；n型有机半导体，可选地其中n型有机半导体选自C60、C70及其衍生物、聚芳烃及其衍生物、聚合有机n型半导体、聚芴、聚亚芳基、苝-噻吩共聚物和聚芴-芳基胺共聚物。
n型半导体的示例包括金属氧化物、金属硫化物、金属硒化物、金属碲化物、钙钛矿、非晶硅、n型IV族半导体、n型III-V族半导体、n型III-V族半导体、N型III-VI族半导体、N型III-V族半导体、N型III-VI族半导体、N型IV-VI族半导体、n-型II-VI族半导体，其中的任何一个可以是掺杂的或不掺杂的；钛、锡、锌、铌、钽、钨、铟、镓、钕、钯或镉的氧化物或两种或更多种所述金属的混合物的氧化物；TiO2、SnO2、ZnO、Nb2O5、Ta2O5、WO3、W2O5、In2O3、Ga2O3、Nd2O3、PbO、CdO、FeS2、CdS、ZnS、SnS、BiS、SbS或Cu2ZnSnS4；CdS、CdSe、ZnS、ZnSe、SnS、SnSe、PbS、PbSe、Bi2S3、Bi2Se3、ZnO1-xSx、SnO1-xSx；镉、锌、铟或镓的硒化物、或者两种或更多种所述金属的混合物的硒化物；或镉、锌、镉或锡的碲化物、或者两种或更多种所述金属的混合物的碲化物；Cu(In，Ga)Se2、CdTe；富勒烯或富勒烯衍生物(例如C60或苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM))，包含苝或其衍生物或聚{[N，N'-双(2-辛基十二烷基)-萘-1,4,5,8-双(二甲酰亚胺)-2,6-二基]-盐-5,50-(2,20-联噻吩)}(P(NDI2OD-T2))的有机电子传输材料。
C60、C70衍生物的示例包括PC61BM(苯基-C61-丁酸甲酯)、PC71BM(苯基-C71-丁酸甲酯)和ICBA(茚-C60二加成物)。
优选地，第一电极材料包括TiO2、SnO2、ZnO、Nb2O5、Ta2O5、In2O3、Ga2O3、Nd2O3、PbO、CdO、FeS2、CdS、ZnS、SnS、BiS、SbS或Cu2ZnSnS4的n型半导体。例如，第一电极材料可以是TiO2、SnO2、ZnO、Nb2O5或Ta2O5。优选地，该n型半导体是TiO2。
第一电极材料还可以包括电子收集电极材料。
第一电极材料通常包括n型半导体层。经常地，第一电极包括n型半导体的致密层。例如，第一电极可以包括为金属氧化物的n型半导体的致密层。该(致密)层通常具有20nm至300nm的厚度，例如50nm至200nm。优选地，第一电极包含TiO2致密层。替代地或另外地，第一电极材料可以包括n型半导体的纳米颗粒。纳米颗粒可以具有5nm至250nm，优选地，5nm至50nm的平均粒径。纳米颗粒可以包含金属氧化物、金属硫化物、金属硒化物或金属硫氧化物，例如TiO2、SnO2、ZnO、Nb2O5、Ta2O5、CdS、CdSe、ZnS、ZnSe、SnS、SnSe、PbS、PbSe、Bi2S3、Bi2Se3、ZnO1-xSx或SnO1-xSx。例如，第一电极材料可以包含TiO2的纳米颗粒。第一电极材料可以包含SnO2的纳米颗粒。
优选地，第一电极材料包括：透明导电氧化物或金属，以及在透明导电氧化物或金属上设置的n型半导体层。例如，一个或更多个第一电极可以包括:一个或更多个透明导电氧化物层或金属层；以及在一个或更多个透明导电氧化物层或金属层上设置的n型半导体层。
第一电极材料可以包括钛层和为TiO2的n型半导体层。第一电极材料可以包括铝层和为TiO2的n型半导体层。
第二电极材料通常包含透明导电氧化物或金属。
第二电极材料通常包括选自以下的透明导电氧化物：掺杂有选自铝、铜、银、镓、镁、镉、铟、锡、钪、钇、钴、锰、铬和硼的金属的氧化锡；氟掺杂的氧化锡(FTO)；或掺杂有选自铝、铜、银、镓、镁、镉、铟、锡、钪、钇、钴、锰、铬和硼的金属的氧化锌；或选自铝、铜、银、金、镍或铂的金属。第二电极材料可以包括厚度为50nm至300nm的金属层，例如80nm至200nm。
优选地，第二电极材料通常包含选自铝、铜、银、金、镍或铂的金属。更优选地，第二电极材料通常包含选自银、金或铂的金属。第二电极可以包含镍。
第二电极通常是空穴选择性电极(但可以替代地是如下所述的电子选择性电极)。因此第二电极材料通常还包括p型半导体。例如，第二电极材料可以包括作为导电部分的金属或透明导电氧化物的主要部分以及作为空穴选择部分的p型半导体的次要部分。例如，第二电极材料可以包括金属层或透明导电氧化物层，以及在其上设置的p型半导体层。
例如，第二电极材料还可以包含选自以下的p型半导体：镍、钨、钼或铜的硫化物、氧化物和氧硫化物；p型有机半导体，可选地其中p型有机半导体选自芳胺衍生物、噻吩衍生物、亚乙基二氧噻吩、螺二芴化合物、螺环-OMeTAD、螺环-TAD、聚三芳基胺、聚三苯基二胺及其衍生、TFB和PFB，可选地其中所述有机半导体掺杂有氧化剂；以及金属卤化物和金属拟卤化物，可选地其中金属卤化物和金属拟卤化物选自硫氰酸铜和碘化铜。在一些情况下，第二电极材料还可以包括为氧化镍(NiO)的p型半导体。
p型半导体的示例包括螺环-OMeTAD(2,2',7,7'-四-(N，N-二对甲氧基苯胺)9,9'-螺二芴))；P3HT(聚(3-己基噻吩))；PCPDTBT(聚[2,1,3-苯并噻二唑-4,7-二基[4,4-双(2-乙基己基)-4H-环戊二烯并[2,1-b:3,4-b']二噻吩-2，6二基]])；PVK(聚(N-乙烯基咔唑))；HTM-TFSI(1-己基-3-甲基咪唑鎓双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺)；Li-TFSI(双(三氟甲磺酰基)酰亚胺锂)；tBP(叔丁基吡啶)；碳纳米管；苯乙烯基，二噻唑基，苯并噻唑基，二酮吡咯并吡咯基，乙氧基二苯基，氨基，三苯基氨基，甲酰基，亚乙基二氧硫基苯基，二氧硫基苯基或芴基的一种或更多种聚合物或共聚物；m-MTDATA(4,4',4″-三(甲基苯基苯基氨基)三苯胺)；MeOTPD(N,N,N',N'-四(4-甲氧基苯基)-联苯胺)；BP2T(5,5'-二(联苯-4-基)-2,2'-联噻吩)；Di-NPB(N,N'-二-[(1-萘基)-N，N'-二苯基]-1,1'-联苯基)-4,4'-二胺)，α-NPB(N,N'(萘-1-基)-N，N'-二苯基联苯胺)，TNATA(4,4',4″-三-(N-(亚萘基-2-基)-N-苯基胺)三苯胺)，BPAPF(9,9-双[4-(N，N-双-联苯-4-基氨基)苯基]-9H-芴)，螺环-NPB(N2，N7-二-1-萘基-N2，N7-二苯基-9,9'-螺二[9H-芴]-2,7-二胺)，4P-TPD(4,4-双(N，N-二苯基氨基)-四苯基)，PEDOT：PSS；无机空穴传输剂例如镍，钒，铜或钼的氧化物；CuI，CuBr，CuSCN，Cu2O，CuO或CIS；钙钛矿；非晶硅；p型IV族半导体，p型III-V族半导体，p型II-VI族半导体，p型族I-VII族半导体，p型族IV-VI族半导体，p型族V-VI族半导体和p型族II-V族半导体，该无机材料可以是掺杂的或不掺杂的。p型半导体可以包含PEDOT(聚(3,4-亚乙基二氧噻吩))。
可以用例如NOBF4(四氟硼酸亚硝鎓)或叔丁基吡啶和LiTFSI来掺杂p型半导体用于例如增加空穴密度。
通常，第二电极材料包括：透明导电氧化物或金属；以及在透明导电氧化物或金属上设置的p型半导体层。在这样的设置中，TCO或金属充当导体以将电流从光活性材料带走，而p型半导体层用于收集空穴和/或阻挡电子。
因此，第二电极材料可以包括金属层以及设置在金属层上的p型半导体层(或涂层)。第二电极材料可以包括金层和涂覆在金层上的有机p型半导体(例如螺环-OMeTAD)的涂层。
在一些情况下，第二电极可以包括金属层(例如作为主要成分)和该金属的氧化物层(例如次要成分)。在这种情况下，金属层可以用作第二电极的主要导电部分，并且金属氧化物可以用作电极的选择部分，例如电子导电层的空穴导电层。例如，第二电极可以包括镍层和氧化镍层。替代地，通常在反向器件中，第二电极可以包括钛层和二氧化钛层。
如果第二电极材料包括金属层和n型或p型半导体层，则n型或p型半导体层通常与光活性材料接触。n型或p型半导体层可以形成第二电极的整个外层，即，金属层可以完全被n型或p型半导体层所涂覆。替代地，可以将n型或p型半导体层设置在金属层的单个表面上。
例如，如果金属层的一部分具有基本上是矩形的横截面，并且金属的一个(下)表面与绝缘材料层接触，则n型或p型半导体层可以(i)设置在金属的三个其他表面上，从而涂覆金属层的整个表面(如果n型或p型半导体层是如下所述通过氧化金属层而产生的，则可能发生)，或(ii)仅设置在金属的与绝缘材料层接触的表面相对的一个(上)表面上，并且由此留下金属层的其余两个表面未涂覆有n型或p型半导体层(如果n型或p型半导体层是在沉积金属层之后且如下所述在去除抗蚀剂层之前的步骤中沉积，则可能发生)。
在n型或p型半导体层仅部分覆盖金属层的情况下，金属层的其余暴露区域还可以涂覆有阻挡层，例如适于形成如下所述的自组装单层的化合物。
在第一电极和/或第二电极中，n型或p型半导体层通常为3nm至100nm，例如5nm至30nm。
如上所述，通常第一电极材料是电子收集电极以及第二电极材料是空穴收集电极。然而，在一些实施例中，第一电极材料是空穴收集电极以及第二电极材料是电子收集电极。在那种情况下，第一电极材料可以如上所述用于第二电极材料，并且第二电极材料可以如上所述用于第一电极材料。因此，第一电极材料可以包括诸如金或铂的金属和p型半导体，并且第二电极材料可以包括金属或TCO和诸如二氧化钛的n型半导体。
绝缘材料是设置在第一电极材料层和第二电极材料层之间。因此，绝缘材料防止第一电极接触第二电极，否则这将产生短路。
绝缘材料通常包含聚合物或介电无机材料。绝缘材料通常具有大于或等于104Ωm的电阻率。介电无机材料通常具有大于或等于3.5eV的带隙，或者，大于或等于4.0eV的带隙。绝缘材料可以是选自铝、锆、硅、钇和镱中的一种或更多种的氧化物的介电无机材料，或是选自聚烯烃(例如聚苯乙烯或聚乙烯)和聚丙烯酸酯(例如聚甲基丙烯酸甲酯)的聚合物。
优选地，绝缘材料包含铝、锆、硅、钇和镱中的一种或更多种的氧化物。更优选地，绝缘材料包括铝和硅中的一种或更多种的氧化物，例如Al2O3。
绝缘材料层通常具有20nm至1000nm的厚度，例如，50nm至500nm或100nm至300nm。
使用背电极架构的优点是光活性材料的一侧完全暴露于入射光。可以将涂层应用于该侧以减少光的反射并改善吸收。因此，光电设备还可以包括设置在光活性材料上的抗反射涂层。抗反射涂层可以包含粗糙或纹理表面。抗反射涂层可以包括具有与晶体材料不同的折射率的材料。
光电设备还可以包括设置在光活性材料层上的钝化层。钝化层通常包含为有机化合物的钝化剂。钝化剂通常是三烷基氧化膦，例如三辛基氧化膦。钝化剂可以是WO2015/092397中所描述的有机化合物(例如碘五氟苯或噻吩)，其全部内容通过引用并入本文。通常，如果存在的话，钝化层的厚度为0.5nm至10nm。
光电设备还可以包括设置在光活性材料层上的疏水层。疏水层通常包含疏水化合物或疏水聚合物。疏水化合物或疏水聚合物通常是非极性化合物或非极性聚合物。疏水化合物的示例包括烃化合物、有机化合物和二氧化硅。疏水聚合物的示例包括聚烯烃、聚丙烯酸酯、聚酯和聚碳酸酯。
光电设备通常还包括基底材料层，并且其中第一电极材料层是设置在基底材料层上。该基底材料层可以为光电设备提供机械强度。基底材料通常包含玻璃、塑料、金属和/或硅。通常，基底材料层是玻璃层或塑料层。基底材料层可以是柔性材料，例如柔性塑料层或选自钢、铜、钨和钼的柔性金属层。基底材料层通常具有1.0μm至2.0cm的厚度。衬底可以例如是刚性金属片。
光电设备通常是后接触设备。因此，光电设备通常包括具有第一侧和第二侧的光活性材料层，以及其中光活性材料层的第一侧与衬底接触。因此，光电设备通常是后接触光电设备，并且通过光活性材料层的第二侧来吸收或发射光。通常，第二侧是在设备上与第一侧相反的一侧。
衬底和电极的结构使得第一电极和第二电极位于衬底的同一侧。因此，衬底通常具有在其上设置一种或更多种第一和第二电极的第一侧，并且其中光活性材料设置在衬底的第一侧上。
第一电极材料层通常具有10nm至1000nm的厚度。例如，第一电极材料可以具有10nm至300nm的厚度。经常地，第一电极材料具有50nm至200nm的厚度。
光电设备通常包括设置在第一电极材料层上的第二层，该第二层包括绝缘材料层和光活性材料层。光电设备通常包括设置在第二层上的第三层，该第三层包括第二电极材料和光活性材料。光电设备通常包括设置在第三层上的第四层，该第四层包含光活性材料。因此，当从侧面看时，光电设备可以包括四层：包括第一电极材料的层；包括绝缘材料的区域和位于这些区域之间且与第一电极材料接触的光活性材料区域的第二层；包括第二电极材料的区域和设置在第二电极材料的区域之间的光活性材料区域的第三层；以及仅包含光活性材料(即光电设备的块状吸收/发射区)的第四层。这在图10中示意性地示出，图10是针对本发明的具有分别标记为I、II、III和IV层的实施例。第四层通常没有开放孔。
第二层通常具有50nm至2000nm的厚度，例如100nm至400nm。第三层通常具有50nm至1000nm的厚度，例如100nm至500nm。第四层通常具有5nm至5000nm的厚度，例如，500nm至4000nm或1000nm至3000nm。
绝缘材料层通常是绝缘材料的图案化层。因此，设置在第一电极材料层上的可以是绝缘材料的图案化层，例如包括多个绝缘材料条带的图案化层。在这种情况下，“图案化”可能意味着以预定形式设置。绝缘材料的图案化层可以形成绝缘材料的一个或更多个梳状区域。第二电极材料通常设置在绝缘材料的图案化层上，并形成被图案化的至少一个第二电极的至少一部分。因此，第二电极可以是图案化的电极，而第一电极通常是未被图案化的第一电极材料层。
绝缘材料层通常包括绝缘材料的两个或更多个线性区域。材料层的线性区域是细长的材料区域，并且可以例如采取大致矩形区域、条带或线的形式。因此，绝缘材料层通常包括两个或更多个绝缘材料条带(或部分地由两个或更多个绝缘材料条带组成)。
衬底通常包括在第一电极材料层上设置的绝缘材料的两个或更多个线性区域，和在绝缘材料的每个线性区域上设置的第二电极材料的线性区域。因此，衬底可以包括两个或更多个绝缘材料条带以及还设置在每个绝缘材料条带上的第二电极材料条带。图8中的示意图示出了一个实施例，其中衬底包括在绝缘材料(B)的两个线性区域(例如条带)上设置的第二电极材料(A)的两个线性区域(例如条带)，所有上述区域是设置在第一电极材料层上。
通常，绝缘材料的一个或更多个线性区域和/或第二电极材料的线性区域具有100nm至50μm的宽度和10μm至1.0m的长度。因此，绝缘材料(第二电极材料)的线性区域可以是宽度为100nm至50μm且长度为10μm至1.0m(即1000mm)的绝缘材料(第二电极材料)条带。线性区域的宽度优选为300nm至5μm，例如1.0μm至5μm。图9的实施例中线性区域的宽度由w1表示。该一个或更多个线性区域的长度优选为1.0mm至500mm。
衬底包括第一电极材料的两个或更多个暴露的线性区域。“第一电极材料的暴露区域”是第一电极材料的没有(基本上)被绝缘材料层覆盖的区域。因此，第一电极材料的暴露区域通常是第一电极材料的与光活性材料接触的区域。暴露的线性区域可以是第一电极材料的暴露条带。第一电极材料的暴露的线性区域中的一个或更多个通常具有10nm至50μm的宽度和10μm至1.0m的长度。暴露的线性区域的宽度优选为100nm至4.0μm，例如0.2μm至5.0μm。图9的实施例中暴露的线性区域的宽度由w2表示。该一个或更多个暴露的线性区域的长度优选为1.0mm至500mm。
在一些实施例中，衬底包括基本平行的第二电极材料的三个或更多个线性区域，以及其中第二电极材料的两个相邻线性区域之间的间隔为100nm至50μm，优选地，其中第二电极材料的两个相邻线性区域为200nm至2.0μm。例如，基本上平行的线性区域可以具有相对于彼此处于+5.0°至-5.0°角度的边缘。
在一些实施例中，衬底包括基本平行的第二电极材料的三个或更多个线性区域，以及其中第二电极材料的两个相邻线性区域之间的间隔为50μm至1.0mm。
例如，衬底可以包括第二电极材料的多个线性区域，该多个线性区域连接到第二电极材料的另一区域以形成至少一个第二电极的至少一部分。这样的结构可以称为梳状结构。例如，该至少一个第二电极可以包括在绝缘材料的梳状结构上设置的第二电极材料的梳状结构。
替代地，绝缘材料的图案化层可以包括不包含绝缘材料的多个区域。该多个区域可以是多个大致圆形的区域。这在图9和图27中示意性地示出。多个大致圆形的区域可以以六边形的形式设置，例如蜂窝图案。例如，绝缘材料的图案化层可以包括多个孔。第二电极材料通常设置在绝缘材料的图案化层上，并形成被图案化的至少一个第二电极的至少一部分。因此第二电极可以包括多个孔，第一电极通过该孔暴露于光活性材料。可以从包括以下步骤的方法获得第二电极材料层和绝缘材料层：(i)在第一电极材料层上设置多个基本上球形的颗粒，和(ii)执行光刻步骤以在第一电极材料层上限定第二电极图案。下面将进一步描述该过程。
绝缘材料将第一电极和第二电极隔开。光活性材料通常与绝缘材料接触。第一电极通常不与第二电极接触。因此，第一电极通常不与第二电极电接触。
光电设备可以是光伏设备、光电二极管、太阳能电池、光电晶体管、光电倍增管、光电检测器、光敏电阻、发光设备、发光二极管、激光器或电荷注入激光器。光电设备通常是发光设备或光伏设备。优选地，光电设备是光伏设备。
光电设备可以是串联光电设备，并且还包括设置在光活性材料上设置的串联区域，该串联区域包括第一串联电极、第二串联电极和串联光活性材料层。
衬底
本发明还提供了包括至少一个第一电极和至少一个第二电极的衬底，所述至少一个第一电极包括第一电极材料，所述至少一个第二电极包括第二电极材料；
其中，衬底包括：
-第一电极材料层；和
-设置在所述第一电极材料层上的绝缘材料层，所述绝缘材料层部分地覆盖所述第一电极材料层；以及
-设置在所述绝缘材料层上的第二电极材料；以及其中，所述第一电极材料包含钛、锡、锌、铌、钽、铟、镓、钕、钯或镉的氧化物和/或透明导电氧化物，并且所述第二电极材料包含金属。
本发明的衬底可以如上面对于本发明的光电设备所进一步定义的。
方法
本发明还提供了一种用于制造包含第一电极和第二电极的衬底的方法，该方法包括：
(i)提供设置在基底材料层上的第一电极材料层；
(ii)在所述第一电极材料层上设置抗蚀剂层；
(iii)执行光刻步骤以在所述第一电极材料层上限定第二电极图案；
(iv)在所述抗蚀剂层上设置绝缘材料层；
(v)在所述绝缘材料层上设置第二电极材料层；以及
(vi)去除抗蚀剂和设置在抗蚀剂上的材料。
生产在基底材料层上设置的第一电极材料层通常包括：提供其上设置有金属层或透明导电氧化物层的基底材料层；以及在金属层或透明导电氧化物层上设置n型或p型半导体层。在金属层或透明导电氧化物层上设置n型或p型半导体层通常包括：在金属层或透明导电氧化物层上设置包含n型或p型半导体的组合物或用于n型或p型半导体的前体化合物。该组合物通常还包含溶剂。例如，可以将包含异丙醇钛和乙醇的组合物旋涂到金属层或透明导电氧化物层上，以及随后加热形成二氧化钛层。替代地，可以将包含异丙醇钛二(乙酰丙酮酸)和乙醇的组合物喷涂到金属层或透明导电氧化物层上，以及随后加热形成二氧化钛层。可以通过在金属层或透明导电氧化物层上设置包含溶剂的组合物和多个包含二氧化锡的纳米颗粒以及随后去除溶剂来制造n型半导体二氧化锡层。
光刻步骤通常包括电子束光刻步骤、光学光刻步骤或纳米接触印刷步骤。光刻步骤可以包括将抗蚀剂层暴露于电子束或光以在抗蚀剂中限定第二电极图案。在抗蚀剂中限定的图案通常是通过光刻步骤去除抗蚀剂而限定的图案。光刻步骤可以包括干涉激光光刻或胶体光刻。
抗蚀剂通常包含聚合物，例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。抗蚀剂可以是双层抗蚀剂。例如，抗蚀剂层可以是包括第一PMMA层和第二PMMA层的双层抗蚀剂。替代地，抗蚀剂可以包括多个基本上球形的颗粒。例如，抗蚀剂可以包括多个基本上球形的颗粒，该颗粒包含诸如聚苯乙烯、聚乙烯或PMMA的聚合物。多个基本上球形的颗粒可以具有100nm至3000nm，例如500nm至1500nm的平均粒径(例如Dv50)。
通常，通过将抗蚀剂暴露于溶剂来去除抗蚀剂。该溶剂可以是任何合适的溶剂。例如溶剂可以包含酮和/或醇。优选地，溶剂包含异丙醇(IPA)和甲基异丁基酮(MIBK)的混合物。通常，去除抗蚀剂将去除在抗蚀剂上设置的任何其他层，并且将留下第一电极材料的暴露区域。
该方法在步骤(iv)和(v)之间还可以包括在绝缘材料层上设置粘附材料层的步骤。粘附材料可以例如包含铬。粘附材料可以有助于绝缘材料层和第二电极材料层之间的粘附。
衬底、基底材料层、第一电极材料层、绝缘材料层和/或第二电极材料层可以进一步如本发明的光电设备所定义的。因此，第一电极材料层可以包括透明导电氧化物层和n型半导体层。
根据本发明的方法可以包括：(i)提供其上设置有透明导电电极(TCO)层的基底材料；(ii)在TCO层上设置n型半导体致密层(例如二氧化钛)，从而形成在基底材料层上设置的第一电极材料层；(iii)在第一电极材料层上设置抗蚀剂层；(iv)执行光刻步骤以在第一电极材料层上限定第二电极图案；(v)在抗蚀剂层上设置绝缘材料层(例如Al2O3)；(vi)在绝缘材料层上设置第二电极材料层(例如金)；以及(vii)通过将溶剂涂到衬底来去除抗蚀剂。
步骤(v)可以包括：(v-a)在绝缘材料层上设置金属层，例如镍；或(v-b)在绝缘材料层上设置金属层，例如金，以及在金属层上设置p型半导体层，例如氧化镍层。
如果方法包括步骤(v-a)，则该方法通常还包括步骤(vii-a)，其中衬底被退火以便在金属层上形成金属氧化物层。步骤(vii-a)通常发生在去除抗蚀剂的步骤(vi)之后。对衬底进行退火可以包括在200℃至500℃的温度下加热衬底10分钟至100分钟的时间。例如，本发明的方法可以包括：(v)在绝缘材料层上设置镍层或钛层；(vi)去除抗蚀剂和在抗蚀剂上设置的材料以留下图案化的镍层或钛层；以及(vii)对衬底进行退火以在镍层上形成氧化镍层或在钛层上形成二氧化钛层。
如果方法包括步骤(v-b)，则该方法通常还包括步骤(vii-b)，其中用适于在金属层的暴露表面上形成自组装单层的化合物来处理衬底。步骤(vii-b)通常发生在去除抗蚀剂的步骤(vi)之后。适于形成自组装单层的化合物通常包含硫醇基团或噻吩基团。例如，适于形成自组装单层的化合物可以是烷烃-1-硫醇，例如，诸如十二烷-1-硫醇之类的C6-14-烷烃-1-硫醇。适于形成自组装单层的化合物可以用作阻挡层。
本发明还提供了一种通过如所定义的用于制造包含第一电极和第二电极的基材的方法来获得的衬底。
本发明还提供了一种用于制造包含衬底的光电设备的方法，该衬底包括第一电极和第二电极，该方法包括通过如本文所定义的方法来制造衬底的步骤。该方法通常还包括在衬底上设置光活性材料层。
在衬底上设置光活性材料层之前，可以用离子液体对衬底进行处理。例如，可以用1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐对衬底进行处理。用离子液体对衬底进行处理可包括将包含溶剂和离子液体的组合物设置在衬底上并将衬底干燥。该组合物可以例如包含醇(例如甲醇或乙醇)和浓度为0.001至1.0wt％的离子液体。
在将光活性材料层设置在衬底上之后，可以将钝化层设置在光活性材料层上。钝化层通常包含为有机化合物的钝化剂。钝化剂通常是三烷基氧化膦，例如三辛基氧化膦。钝化剂可以是WO2015/092397中所描述的有机化合物(例如碘五氟苯或噻吩)，其全部内容通过引用并入本文。将钝化剂放置在光活性材料层上通常包括设置包含溶剂(例如氯苯)和钝化剂(例如三辛基氧化膦)的组合物。
本发明还提供一种通过如本文所定义的用于制造光电设备的方法来获得的光电设备。
模块
本发明还提供了包括两个或更多个根据本发明的光电设备的模块。替代地，模块可以包括两个或更多个根据本发明的衬底。
在根据本发明的模块中，每个设备或衬底可以互连。通常，设备或衬底是互连的，以使得一个设备或衬底的第一电极与相邻设备或衬底的第二电极是电连接的。图11示出了根据本发明的模块的示意性侧视图。根据本发明的模块可以包括2至1000个根据本发明的设备或衬底，例如4至100个根据本发明的设备或衬底。在本发明的模块中，当在平面图中观察时，由该设备或模块的第二电极的区域所限定的每个设备或衬底的面积为0.1cm2至100cm2，例如0.5cm2至10cm2。根据本发明的两个相邻设备或衬底之间的距离可以小于或等于1.0mm，例如小于或等于100μm。
示例
示例1-后接触光伏电池的制备
通过以下方法制备包含甲基三碘化铅的后接触光伏电池。
衬底制备：
简而言之，掺氟氧化锡(FTO)涂覆的玻璃衬底被Hellmanex、丙酮、异丙醇和氧等离子体依次清洁。通过旋涂(2000rpm，2000rpm s-1ramp)异丙醇钛的乙醇溶液(每5ml溶液含有35ml的2M HCL)来沉积TiO2紧密层(50nm)，并在500℃下烧结30分钟。FTO和TiO2一起形成第一电极材料。玻璃对应于基底材料。
图案化：
使用双层PMMA抗蚀剂进行电子束光刻。将A8PMMA 495K的初始层以1000rpm旋涂在玻璃-FTO-TiO2衬底上60秒，并在180℃的热板上烘烤90秒。将A8PMMA 950K的第二层以4000rpm旋转60秒，并在180℃下烘烤90秒。顶部电极图案暴露于JEOL 5500FS电子束光刻系统中。然后将暴露的图案在MIBK：IPA(甲基异丁基酮：异丙醇)(1：3)中显影90秒以获得双层抗蚀剂中的底切轮廓以帮助剥离。也可以通过具有适当印模的更简单的纳米接触压印方法来执行这些步骤。在显影之后，通过电子束蒸发来沉积200nm厚的Al2O3层，接着是薄(几nm)的Cr粘附层和100nm的Au层。将样品留在丙酮中以剥离留下顶部电极图案的剩余抗蚀剂。
钙钛矿沉积
通过乙酸铅和甲基碘化铵前体(摩尔比为1：3，含铅量为40wt％)的单步旋涂(2000rpm)来沉积CH3NH3PbI3钙钛矿。在氮气手套箱中将膜在100℃下退火10分钟，冷却至室温，以及然后通过旋涂(以200rpm)聚甲基丙烯酸甲酯的甲苯溶液(40mg/ml)来进行封装。
设备特性
为了测量设备性能参数，用ABET太阳模拟器产生太阳模拟的AM1.5日光，使用经NREL校准的KG5过滤的硅参考电池将该模拟器校准为100mW cm-2，并且使用源表(吉时利(Keithley)2400，美国)来记录JV曲线。
结果与讨论
图2示意性地示出了用于生产新型设备架构的本发明方法。图4和8示出了可能的电极结构的示意图。在本示例中，衬底是涂覆有透明导电氧化物(TCO)的玻璃片。然后用电子选择性材料(即n型半导体TiO2)均匀涂覆以形成电子收集电极(ECE)。然后通过纳米光刻或纳米接触压印(图2(a))在该电子选择性接触上涂覆图案化的抗蚀剂。随后沉积第一绝缘体，例如Al2O3，以及然后沉积金属或空穴收集电极(HCE)，例如金(图2(b))。去除抗蚀剂，仅留下图案化的电极设计(图2(c))。图3中的显微镜图像以更大的比例显示了所得的电极全部连接以形成一个大电极。较厚的十字形特征是较厚的HCE电极条，以避免沿着薄电极的小断裂情况下的损失。以这种方式，可以防止ECE与空穴收集HCE之间的接触，即使它们都放置在相同的底部衬底上。然后可以将经溶液处理的钙钛矿半导体均匀地沉积在衬底的顶部。
在图4的示意图中，通过Al2O3阻隔层将ECE和HCE彼此电绝缘。这仅通过单个光刻步骤即可完成。也可以用自组装单层(分别地，电子自组装单层(e-SAM)和空穴(h-SAM))涂覆ECE和HCE，以分别使ECE和HCE更具电子选择性和空穴选择性。也可以将抗反射层沉积在半导体顶部以增强最终太阳能电池的光收集。许多平行的HCE连接在电极的末端，以便它们用作一个电极，如图3中的显微镜图像所示。图4示出了这样一个示例，其中示出了总电极结构。例如，通过在氧气气氛中烧结钛箔片以产生涂覆有电子选择性TiO2致密层的导电钛箔，也能容易地且便宜地制备前两层。然而，后一种选择不适用于太阳能电池需要为半透明的太阳能电池应用，例如在窗户应用的情况下。
在此所示的原理验证设备中，玻璃用作衬底，具有50nm厚的致密TiO2层的FTO用作ECE，Al2O3用作绝缘材料，金用作HCE，以及CH3NH3PbI＝(由甲基碘化铵和醋酸铅前体制成)作为半导体。使用惰性聚合物聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)来保护钙钛矿层不与空气接触。图5中的扫描电子显微镜图像示出了本示例中制备的设备之一的横截面。
图6示出了产生的太阳能电池的电流密度-电压(JV)曲线。这里，金条电极之间的间隔为1μm、5μm、10μm或20μm。
在该初步研究中，设备的性能显然并不高，而且性能随着电极间距的减小而提升。经推测，这有两个原因。首先，材料中电荷的扩散长度应为约2μm，如之前的测量所示。然而，由于电子应该被ECE层快速收集，并且只将空穴留在钙钛矿中，所以空穴寿命应该显著增加，从而也增加了有效的空穴扩散长度。更可能的是，在初始测试中使用的简单电极根本没有足够的选择性。因此，金电极的低电子提取率和高复合率将限制这些设备。可能的是，在电子和空穴选择性触点处分别使用选择性多个SAM(例如C60和吡啶或硫醇)，即使对于具有较长横向间距的架构，也将显著提高性能。当然，横向间距越长，需要的金属越少，底部电极越透明，以及制备该设备越便宜。
尽管如此，该设备显然起到光伏设备的作用。暗的J-V曲线表明整流行为，同时得到高达1mA cm-2的光电流和约为0.3V的开路电压。这证明了这种架构能够用作太阳能电池。一旦提高了触点的选择性，性能相对于传统的垂直设备结构的性能可以得到增强。
示例2-后接触光伏电池的制备
通过下述方法制造包含甲基碘化铅碘化物的后接触光伏电池。使用不同的电极材料以及使用不同的表面处理来制造衬底。
衬底清洁：
用锌粉和2M HCl来蚀刻具有15Ohm/sq表面电阻的涂覆有FTO的玻璃衬底以产生不导电的边缘条纹。在去离子水中冲洗蚀刻后的衬底，并在去离子水流中冲洗之前通过用牙刷刷洗Hellmanex溶液来进行严格清洁。使用氮气来干燥衬底，随后用丙酮和2-丙醇冲洗衬底，然后在氧等离子体中蚀刻10分钟。
底部n型层沉积：
旋涂TiO2：
通过将0.71g异丙醇钛和0.07g的2M HCl在8mL乙醇中的溶液以2000rpm(转每分)在衬底上旋涂45秒来形成n型TiO2致密层，然后将其在500℃下退火45分钟。
旋涂SnO2：
通过水热法合成SnO2纳米粒子。将467mg SnCl4·5H2O(98％Sigma-Aldrich)溶于20ml去离子(DI)水中。在室温下搅拌10分钟后，获得完全溶解的澄清溶液。然后将该溶液转移到聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压釜中，并在200℃下加热2小时。在加热处理之后，用冷水将高压釜骤冷至室温。沉淀物以9000rpm离心15分钟。在超声浴中将纳米颗粒重新分散在乙醇中。将该洗涤处理重复3次。在最终的洗涤处理之后，将纳米颗粒以5mg/ml的浓度重新分散在乙醇中。将纳米颗粒溶液以100μl体积涂布在样品上，然后以2000rpm旋涂45秒。紧接在旋涂之后，将衬底放置于150℃加热的热板上以干燥溶剂10分钟。
喷涂TiO2：
在电炉上将衬底加热到250℃。异丙醇钛二(乙酰丙酮酸)在无水乙醇中以1:10(v:v)的浓度稀释。用手动泵将15ml该溶液均匀喷射在总面积为11.4cm×22.4cm的热衬底上。执行喷射10秒，以及然后等待20秒。将衬底在250℃下保持另外10分钟，以及然后在冷却之前，加热至500℃保持45分钟。
底部p型层沉积：
通过在设备中沉积包含p型半导体层的第一电极材料作为下电极层来制造反向器件。
将1mmol硝酸镍六水合物完全溶解于1mL乙二醇中，并向该溶液中加入1mmol乙二胺。在封口之前，用压缩空气把烟气吹出。在剧烈摇动溶液之后，将其放入注射器中并通过0.2μm过滤器直接过滤到FTO衬底上以避免聚集。以5000rpm旋涂该基底50秒，以及然后在热板上以100℃干燥10分钟。然后将薄膜在300℃下退火1小时。
后接触制造：
将图像反转光刻胶AZ 5214E以5000rpm旋涂45秒并在110℃下烘烤50秒。通过铬图案化的玻璃光掩模进行的紫外线暴露和随后的图像反转导致为后接触的指状件而设计的区域的溶解性。将它们溶解在显影剂浴中，产生图案化的光致抗蚀剂层。
如图13所示，显影后的图案化光致抗蚀剂的倾斜SEM图像示出了间距和指宽为1μm的有利底切轮廓。图14示出了光学显微镜图像，该图像示出了剥离之后间距和指宽为1μm的图案化电极。
图22至24示出了在1μm指宽和5μm至20μm(5、10或20μm)间距距离的剥离之后图案化电极的光学显微镜图像。
Ni+NiO壳空穴导电电极：
通过电子束蒸发来用100nm的绝缘Al2O3和100nm的镍对图案化的光致抗蚀剂层进行涂覆。在二甲基亚砜的加热浴中进行剩余光致抗蚀剂区域的剥离。随后将基于Ni的设备在400℃下退火30分钟以形成氧化Ni的壳作为p型电子阻挡层。
用于空穴传导电极的Au+NiO+硫醇阻挡层：
通过电子束蒸发来用100nm的绝缘Al2O3和100nm的Au和10nm的NiO对图案化的光致抗蚀剂层进行涂覆。在二甲基亚砜的加热浴中进行剩余光致抗蚀剂区域的剥离。
通过将1mM十二烷-1-硫醇溶解在乙醇中以及将制备的具有图案化电极的基底浸没24小时以用于自组装，将烷硫醇阻挡层组装到暴露的金区域上。
图17示出了后接触设备的示意图，其中在剥离之前将空穴传导层蒸发到金电极上。通过十二烷-1-硫醇的自组装绝缘层来处理金电极的分流产生的暴露侧以防止电子注入金中。
用于反向器件的Al+Ti+TiO2壳电子传导电极：
进行以下操作以完成反向器件中的衬底结构，其包含镍和氧化镍的下电极层和第一电极层。
通过电子束蒸发来用100nm的绝缘Al2O3和50nm的Al和50nm的钛对图案化的光致抗蚀剂层进行涂覆。在二甲基亚砜的加热浴中进行剩余光致抗蚀剂区域的剥离。随后将基于铝和钛的设备在400℃下退火30分钟，以在Al周围形成作为阻挡层的氧化Al壳和作为n型空穴阻挡层的TiO2壳。
离子液体沉积：
将0.01wt％的1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐(离子液体，IL)溶解在甲醇中，并在剥离和退火处理之后将溶液涂布在图案化的电极上，然后以4000rpm旋涂20秒，然后在钙钛矿沉积之前在热板上以80℃干燥10分钟。
钙钛矿沉积：
将3：0.98：0.02M碘化甲基铵(MAI)：PbCl2：PbI2的溶液在二甲基甲酰胺中以38.5wt％的浓度溶解，并在干燥空气气氛中以2000rpm旋涂到电子图案化的衬底上45秒。沉积溶液的干燥是在弱空气流下进行的，然后将衬底在室温下静置15分钟，以及另外在热板上在70℃下静置15分钟。然后将薄膜在烘箱中在100℃下退火90分钟和在120℃下退火15分钟。将薄膜在室温下冷却之后，通过旋涂在1mL氯苯中溶解15mg PMMA的溶液来最终沉积PMMA层。
图15示出了横截面SEM图像，该图像示出了绝缘Al2O3顶部上的Ni+NiO电极，该绝缘Al2O3被覆盖有PMMA薄层的钙钛矿所包围。
表面钝化层：
纯度为99％的三辛基膦氧化物以0.025M的浓度溶于无水氯苯中。将100μl该溶液涂布在钙钛矿层的表面上，以及然后以2000rpm旋涂60秒。
圆形背电极
作为梳形第二电极的替代物，如下所述用圆形背电极来制造基底。具有底部的电子传输层和由绝缘体分隔的空穴传输电极的圆形背电极的示意图如图27所示。
紧密排布的聚苯乙烯微球单层的沉积：
所用微球的直径为1μm(Fischer-Scientific，10wt％)。将颗粒溶液以10：1(v/v)稀释与Triton X-100的甲醇1：400(v/v)溶液混合。在超声波浴中将所得溶液分散10分钟，以及然后用2.7μm过滤器过滤。多步旋涂包括300rpm的第一步持续10秒、600rpm的第二步持续2分钟和2000rpm的附加步骤持续10秒。在室温下，将自组装聚苯乙烯单层在空气中干燥约3小时。
微球光刻
将聚丙烯酸(PAA)以4mg/mL的浓度溶解于无水乙醇中，以及随后以2000rpm旋涂到具有已紧密堆积单层的已经旋转的衬底上，持续60秒。然后，在热板上以60℃干燥衬底以去除剩余的溶剂。在热蒸发器中蒸发50nm的Au以覆盖绝缘PAA区域和微球。将基材浸入甲苯浴中并超声处理10分钟以剥离聚苯乙烯微球和留下绝缘PAA层的多孔以及传导Au。
图28示出了通过微球光刻的图案化PAA层的SEM顶视图图像。孔直径略小于1微米，这是以六角形紧密排列以形成该图案的珠子的直径。
图29示出了通过微球光刻用金涂覆的图案化PAA层的SEM顶视图像。
设备测试
用AM15模拟太阳光(ABET Technologies Sun 2000，用NREL认证的KG5滤波硅基准二极管来校准)从PMMA侧来照射设备，以及然后用正向和反向偏压扫描方向上的Keithley 2400进行测量。设备没有被遮挡，但有源区域由指状件的几何形状确定，其覆盖每个设备的0.09cm2面积。
图16示出了设备在光(LC)下和在黑暗(DC)中的电流密度-电压(JV)特性，其中，镍(Ni)电极被退火(或)被O2等离子体蚀刻以形成NiO壳。
图18示出了设备在光(LC)下和在黑暗(DC)中的电流密度-电压(JV)特性，该设备使用金作为空穴传导电极，蒸发的NiO作为空穴传输层以及1-十二烷硫醇作为分流阻挡层。
图19示出了设备在光下的电流密度-电压(JV)特性，该设备未经处理或用离子液体(离子)处理和/或钙钛矿被三辛基氧化膦(TOPO)涂覆。在TOPO处理后，开路电压显示得到改善。
图20示出了经离子液体和TOPO处理的设备的稳定功率转换效率(在最大功率点的电压下保持50秒)。
图21示出了反向器件在光下反向和正向的电流密度-电压(JV)特性。将底部电子传输TiO2层替换为空穴传输NiO层，并将镍的指状电极替换为对其进行退火以形成电子传输TiO2壳的钛。
图25示出了指间距为1μm、5μm、10μm和20μm的设备在光下测得的短路电流。所用的电子传输层是旋涂TiO2。
图26示出了设备在光下测得的短路电流，该设备具有来自旋涂TiO2的电子传输层、旋涂SnO2和指间距为1μm(仅旋涂TiO2)、5μm、10μm和20μm(标准化为5μm的JSC)的喷涂TiO2。所用的电子传输层是旋涂TiO2。