包括具有混合阴离子的有机金属钙钛矿的光电器件制造技术

本发明专利技术提供一种包括混合阴离子的钙钛矿的光电器件，其中，混合阴离子的钙钛矿包括选自卤阴离子和硫族阴离子中的两种或更多种不同的阴离子。本发明专利技术进一步提供通式(I)[A][B][X]

Optoelectronic devices including organic perovskite with mixed anions

The invention provides a photoelectric device including perovskite of mixed anions, wherein perovskite of mixed anions includes two or more different anions selected from halogen anions and sulfur anions. The invention further provides the general formula (I) [a] [b] [x]

【技术实现步骤摘要】
包括具有混合阴离子的有机金属钙钛矿的光电器件本申请是申请日为2013年5月20日，申请号为201380037625.9，专利技术名称为“包括具有混合阴离子的有机金属钙钛矿的光电器件”的专利技术专利申请的分案申请。
本专利技术涉及光电器件，包括：光伏器件，诸如太阳能电池，和发光器件。
技术介绍
目前的全球人口的增长再加之发展中国家向着更加工业化的经济体的前进引起对安全、可持续能源供应的日益增长的需求。因此，迫切需要创造满足低碳排放的全球需求的新光电器件。太阳能被看作是干净的提供高效率的方案。然而，制造利用太阳能的器件的高成本，包括高材料成本，过去一直阻碍其应用。因此，可以使用卷对卷(reel-to-reel)制造方法和简单的湿法化学工艺迅速制造的由大量材料组成的低成本的光电器件的生产，诸如光伏器件的生产，是迅速发展的研究领域。近年来，光电器件的能量转换效率一直在稳步增长。然而，使用传统的光伏似乎不太可能实现能量转换效率的进一步显著提高。因此，存在对聚焦于低成本的新太阳能电池技术的真实需要。染料敏化太阳能电池由渗透有氧化还原活性电解质的染料敏化介孔TiO2构成(O'Regan等人，《自然》，353期，737-740页，1991年(O'Reganetal.,Nature,353,737-740,1991))。它们是能够以最大规模产生能量的真正竞争者。然而，尽管最高效的器件被证实为11.4％且最近的报道高达12.3％(Yella等人，《科学》，334期(6056)，629-634页，2011年(Yellaetal.,Science,334(6056),629-634,2011))，但广泛的商业化尚未实现。缺乏商业利用的首要原因之一是电解质电池中使用的氧化还原对的液体性质，它具有高挥发性和高腐蚀性从而导致在加工和长期稳定性上(特别是在高温下)的主要局限性。能够也产生如此效率的且与大规模加工和长期稳定性更相容的良好的竞争者是固态染料敏化太阳能电池，其中氧化还原活性电解质被固态空穴导体取代(Snaith等人，《先进材料》，19期，3187-3200页，2007年(Snaithetal.,AdvancedMaterials,19,3187-3200,2007))。然而，目前最有效的固态DSC仅刚刚超过7％(Burschka等人，《美国化学会志》，133期(45)，18042-18045页，2011年(Burschkaetal.,J.Am.Chem.Soc.,133(45),18042-18045,2011))。此较低的性能的主要原因是：由于更快的电荷重组与有限的渗透厚介孔光阳极的能力的组合，固态DSC的最大厚度被限制为约2μm(Snaith等人，《先进材料》，19期，3187-3200页，2007年)。在2μm厚度的情况下，敏化剂未在足够宽的光谱内吸收足够的光以产生足够的光电流，并且短路光电流一般被限制为约10mAcm-2，与最佳电解质电池的短路光电流超过20mAcm-2截然相反。最近，存在对“极薄吸收剂”(ETA)太阳能电池的重新兴起的关注，其等同于固态DSC，但是染料被替换为在介孔TiO2和空穴导体之间的界面处涂布的无机半导体的极薄的层。使用硫化锑Sb2S3作为吸收剂，接近6％的效率已经被报道(Chang等人，《纳米快报》，12(4)，1863-1867页，2012年(Changetal.,NanoLett.,12(4),1863-1867,2012))，但是对于这种材料，虽然可以产生高的光电流，但是开路电压低从而限制了整体性能。作为替代的吸收剂材料，有机金属卤化物钙钛矿可能是良好的候选者，并且在薄膜中具有极高的消光系数。它们可以容易地由前体溶液进行加工，并且具有在其它应用中经验证的优异性能，诸如作为晶体管(Kagan等人，《科学》，286期，945页，1999年(Kaganetal.,Science,286,945,1999))和发光二极管(Era等人，《应用物理简讯》，65期，676页，1994年(Eraetal.,Appl.Phys.Lett.,65,676,1994))的优异候选者。最近，它们还被报道作为在液体电解质类光电化学电池中的敏化剂，并且提供了介于3.5至6.5％之间的太阳能转换效率(Kojima等人，《美国化学会志》，131期，6050页，2009年；Im等人，《纳米尺度》，3期，4088页，2011年(Kojimaetal,J.Am.Chem.Soc.,131,6050,2009；Imetal,Nanoscale,3,4088,2011.))。然而，在此前报道的电解质系统中，钙钛矿吸收剂迅速衰减，并且太阳能电池在仅十分钟后性能下降。
技术实现思路
本专利技术人已经发现，包括混合阴离子的钙钛矿的光电器件令人惊讶地稳定并且显示出出乎意料地高的能量转换效率和光电流。光电器件也相对便宜地制造并且能够相对容易地大规模地进行生产。对任何光电器件的重要要求是在该器件的预计寿命内的稳定性。本专利技术人已经发现，与包括单种卤离子的钙钛矿的器件相比，根据本专利技术的器件远不易于受到气相诱导的着色异常(vapour-inducedchromism)的影响。本专利技术器件另外的优点是，它们提供的相对高的能量转换效率和光电流。已观察到，在1太阳(sun)(AM1.5G100mWcm-2)下光转换效率为11.5％。这些效率超过了由包括单种卤离子的钙钛矿的器件所显示的效率。进一步，本专利技术的器件的性能对于固态敏化太阳能电池来讲是前所未有的，并且与最好性能的电解质电池直接竞争。对本专利技术的光电器件已经观察到21mAcm-2的光电流。这超出了所观察到的目前可得的最高效的固态DSC的光电流。进一步，混合阴离子的钙钛矿提供了非常灵活的框架，其可通过调整材料中各个组分而被操控，从而允许在分子水平上卓越控制(exceptionalcontrol)。因此，混合阴离子的钙钛矿的性质可以被容易地调节以增强其中使用它们的光电器件的性能。所有这些优点将黯然失色，如果光电器件的生产很昂贵，或者需要排除了大规模生产的可能性的复杂制造方法。然而，这不是本专利技术的光电器件的情况。在本专利技术的光电器件中使用的材料既相对丰富又便宜。进一步地，这些器件可以通过允许大规模生产方法的工艺进行生产。于是，在第一个方面中，本专利技术提供一种包括混合阴离子的钙钛矿的光电器件，其中，混合阴离子的钙钛矿包括选自卤阴离子和硫族阴离子中的两种或更多种不同的阴离子。在第二方面中，本专利技术提供通式(I)的混合卤离子的钙钛矿[A][B][X]3(I)其中：[A]是通式(R1R2R3R4N)+的至少一种有机阳离子：(i)R1是氢、未取代的或取代的C1-C20烷基，或者未取代的或取代的芳基；(ii)R2是氢、未取代的或取代的C1-C20烷基，或者未取代的或取代的芳基；(iii)R3是氢、未取代的或取代的C1-C20烷基，或者未取代的或取代的芳基；并且(iv)R4是氢、未取代的或取代的C1-C20烷基，或者本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种通式(I)的钙钛矿：/n[A][B][X]

【技术特征摘要】
20120518 GB 1208793.81.一种通式(I)的钙钛矿：
[A][B][X]3(I)
其中，
[A]是至少一种阳离子，包括通式(R5R6N＝CH-NR7R8)+的至少一种有机阳离子，其中，
(i)R5是氢、未取代的或取代的C1-C20烷基，或者未取代的或取代的芳基；
(ii)R6是氢、未取代的或取代的C1-C20烷基，或者未取代的或取代的芳基；
(iii)R7是氢、未取代的或取代的C1-C20烷基，或者未取代的或取代的芳基；以及
(iv)R8是氢、未取代的或取代的C1-C20烷基，或者未取代的或取代的芳基；
[B]是至少一种二价金属阳离子；以及
[X]是至少一种卤阴离子。


2.根据权利要求1所述的钙钛矿，其中，所述通式(R5R6N＝CH-NR7R8)+的至少一种有机阳离子是通式(H2N＝CH-NH2)+的有机阳离子。


3.根据权利要求1所述的钙钛矿，其中，[B]包括Pb2+。


4.根据权利要求1所述的钙钛矿，其中，[X]是溴阴离子或碘阴离子。


5.根据权利要求1所述的钙钛矿，其中，
[A]是至少一种阳离子，包括通式(H2N＝CH-NH2)+的至少一种有机阳离子；
[B]包括Pb2+；并且
[X]为碘阴离子。


6.根据权利要求1所述的钙钛矿，所述钙钛矿是混合卤离子的钙钛矿，其中，[X]是两种或更多种不同的卤阴离子。


7.根据权利要求6所述的钙钛矿，其中，[X]是选自氟阴离子、氯阴离子、溴阴离子或碘阴离子的两种或三种不同的卤阴离子。


8.根据权利要求7所述的钙钛矿，其中，[X]是两种不同的卤阴离子：溴阴离子和碘阴离子。


9.根据权利要求1所述的钙钛矿，其中，所述钙钛矿是通式(IIa)的钙钛矿化合物：
ABX3zX’3(1-z)(IIa)
其中，
A是通式(R5R6N＝CH-NR7R8)+的有机阳离子，其中，
(i)R5是氢、未取代的或取代的C1-C20烷基，或者未取代的或取代的芳基；
(ii)R6是氢、未取代的或取代的C1-C20烷基，或者未取代的或取代的芳基；
(iii)R7是氢、未取代的或取代的C1-C20烷基，或者未取代的或取代的芳基；以及
(iv)R8是氢、未取代的或取代的C1-C20烷基，或者未取代的或取代的芳基；
B是选自Sn2+和Pb2+的金属阳离子；
X是第一卤阴离子；
X’是不同于所述第一卤阴离子的第二卤阴离子；以及
z为0至1。


10.根据权利要求9所述的钙钛矿，其中，X为碘阴离子，X’为溴阴离子。


11.根据权利要求9所述的钙钛矿，其中，所述钙钛矿是混合卤离子的钙钛矿，其中，z大于0且小于1。


12.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：亨利·施耐德，迈克尔·李，村上拓郎，
申请(专利权)人：牛津大学科技创新有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB