金属卤化物半导体光学和电子装置及其制造方法制造方法及图纸

描述了物质的组合物、包括该物质的组合物的下转换层和包括该物质的组合物的装置。在一个实施方案中，该物质的组合物是下转换材料，其被配置为吸收第一能量的能量量子，并且作为响应，发射两个或更多个比所述第一能量更小的第二能量的能量量子。还描述了制造和沉积下转换材料的方法。还描述了适用于制造下转换材料的下转换前体混合物及其制造方法。的下转换前体混合物及其制造方法。的下转换前体混合物及其制造方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】金属卤化物半导体光学和电子装置及其制造方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2018年4月27日提交的第62/663,656号美国临时申请和2019年2月5日提交的第62/801,535号美国临时申请的权益，其全部内容通过引用并入本文。
[0003]政府许可权声明
[0004]本专利技术是在美国国家科学基金会授予的DMR-1719797号赠款和美国国家科学基金会授予的DMR-1807394号赠款的政府支持下完成的。政府拥有本专利技术的某些权利。
[0005]背景
[0006]在全球范围内部署保护我们的环境并促进经济繁荣的安全、清洁和可持续的能源系统是人类面临的最严峻挑战之一。太阳能具有最大的希望通过产生大量的净温室气体排放为零的能源来应对这一挑战。平均而言，将太阳能光子捕获并直接将其转换为电能的市售光伏(PV)太昂贵(美元/kWh)而不能直接与常规化石燃料竞争。尽管PV技术取得了相当大的进步，但原材料和组件的价格却设定了难以克服的下限，而常规PV装置的效率正逐渐接近基本的热力学极限。迫切需要绕过这些基本限制的革命性方法。
[0007]限制常规PV装置的主要能量损耗机制之一是它们不能有效地将高能、紫外线(UV)和蓝色太阳光子转换为电能。通过将高能光子转换为更容易被下面的PV吸收的低能光子，太阳能电池的前表面处的量子切割下转换层可以减少这些损耗。另外，量子切割下转换器将高能太阳光子转换成量子收率超过100％的低能光子，即，单个吸收的光子产生的能量大于一个发射的光子。热力学详细平衡计算表明，这种下转换可以将PV装置效率提高到高达39％—与常规硅(Si)PV的29％热力学极限或26.6％的实验室Si PV效率记录最高值相比显著提高。
[0008]金属卤化物钙钛矿和钾冰晶石是一类广泛的半导体，具有用于包括光伏电池、光检测器和发光装置的众多光子应用的期望的光学和电子性质。通常，这些材料易于使用溶液或气相法进行加工和处理。此外，尽管它们具有形成晶体缺陷的高倾向性，但它们独特的电子结构导致形成很少的深电子陷阱态。因此，这些材料通常具有接近一(unity)的高带间光致发光量子收率，并表现出期望的电子传输性质。
[0009]最近，掺杂杂质的金属卤化物钙钛矿和钾冰晶石材料的发展进一步扩大了它们的用途。这些晶格的离子性质允许包含许多异价杂质，最显著地镧系元素。镧系元素是元素周期表中的一组元素(也经常被称为稀土(RE)元素，其包括元素周期表上的57-71元素加上钪和钇)，它们的三价离子形式(RE
3+
)最稳定，电子构型为4f
n
5s25p6，其中n从0到14变化。镧系元素的部分填充的4f内部电子壳通过外部填充的5s和5p电子壳与周围的环境隔离，从而产生特征性的光学和磁性质，当掺入各种基体中时这些光学和磁性质受干扰最小。这个构思被所谓的“Dieke图”所捕获，该图描述了各种镧系离子的富电子能级结构(例如，参见图1，摘自Dieke等人，Appl.Opt.1963，2，675)。由于它们在不同环境中独特且相对不变的电子结构，镧系元素离子已被广泛用于将光转换为不同的、更有用的波长，以用于包括荧光管、激光器、白光发光二极管的应用，并且它们也已广泛用于其他应用如高性能磁铁、催化剂、合金、玻璃、电子产品、安全染料和农业。
[0010]概述
[0011]提供本概述以用简化的形式介绍一些概念，这些概念将在下面的详细描述中进一步描述。该概述不旨在标识所要求保护的主题的关键特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。
[0012]在一个方面，本公开内容提供了一种具有选自下式的化学式的组合物：
[0013]M:ABX3，
[0014]M:AB2X5，
[0015]M:A4BX6，
[0016]M:C2DX5，
[0017]M:A2CDX6，和
[0018]其组合
[0019]其中，
[0020]A是选自Li
+
、Na
+
、K
+
、Rb
+
、Cs
+
、甲基铵，甲脒鎓、胍鎓、二甲基铵、三甲基铵及其组合的阳离子，
[0021]B是选自Pb
2+
、Sn
2+
、Ge
2+
、Cd
2+
、Mg
2+
、Ti
2+
、Hg
2+
及其组合的阳离子，
[0022]C是选自Ag
+
、Cu
+
、Sn
+
、Na
+
、K
+
、Tl
+
、Au
+
以及其组合的阳离子，
[0023]D是选自In
3+
、Bi
3+
、Sb
3+
、Au
3+
及其组合的阳离子，
[0024]X是选自O-、F-、Cl-、Br-、I-、CN-及其组合的阴离子，和
[0025]M是选自Y
3+
、La
3+
、Ce
3+
、Pr
3+
、Nd
3+
、Pm
3+
、Sm
3+
、Eu
3+
、Gd
3+
、Tb
3+
、Dy
3+
、Ho
3+
、Er
3+
、Tm
3+
、Yb
3+
、Lu
3+
、Sc
3+
、Fe
3+
、Al
3+
、V
2+
、Cr
2+
、Mn
2+
、Bi
3+
及其组合的阳离子。
[0026]在一个实施方案中，所述组合物被配置为吸收具有第一能量的第一能量量子，并且被配置为响应于吸收所述第一能量量子而发射第二能量量子，其中所述第二能量量子能量小于所述第一能量量子。
[0027]在另一方面，本公开内容提供了一种包含本文所述的组合物的装置。
[0028]在另一方面，本公开内容提供了形成膜的方法，该方法包括将材料沉积到基材上以形成膜，其中该膜包含本文所述的组合物。
[0029]在另一方面，本公开内容提供了一种形成前体混合物的方法，该方法包括将一种或更多种前体材料形成为前体混合物，其中所述一种或更多种前体材料选自：
[0030]M:ABX3、M:AB2X5、M:A4BX6、M:C2DX5、M:A2CDX6、ABX3、AB2X5、A4BX6、C2DX5、A2CDX6、AX、BX2、CX、DX3、MX2和MX3，
[0031]其中
[0032]A是选自Li
+
、Na
+
、K本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.具有选自下式的化学式的组合物：M:ABX3，M:AB2X5，M:A4BX6，M:C2DX5，M:A2CDX6，和其组合其中，A是选自Li
+
、Na
+
、K
+
、Rb
+
、Cs
+
、甲基铵(MA)、甲脒鎓(FA)、胍鎓、二甲基铵、三甲基铵及其组合的阳离子，B是选自Pb
2+
、Sn
2+
、Ge
2+
、Cd
2+
、Mg
2+
、Ti
2+
、Hg
2+
及其组合的阳离子，C是选自Ag
+
、Cu
+
、Sn
+
、Na
+
、K
+
、Tl
+
、Au
+
及其组合的阳离子，D是选自In
3+
、Bi
3+
、Sb
3+
、Au
3+
及其组合的阳离子，X是选自O-、F-、Cl-、Br-、I-、CN-及其组合的阴离子，和M是选自Y
3+
、La
3+
、Ce
3+
、Pr
3+
、Nd
3+
、Pm
3+
、Sm
3+
、Eu
3+
、Gd
3+
、Tb
3+
、Dy
3+
、Ho
3+
、Er
3+
、Tm
3+
、Yb
3+
、Lu
3+
、Sc
3+
、Fe
3+
、Al
3+
、V
2+
、Cr
2+
、Mn
2+
、Bi
3+
及其组合的阳离子。2.权利要求1所述的组合物，其中，所述组合物为设置在基材上的膜的形式。3.权利要求1所述的组合物，其中，所述组合物选自Yb
3+
:CsPbCl3、Yb
3+
:CsPb(Cl
1-x
Br
x
)3、Yb
3+
:CsSnCl3、Yb
3+
:CsSn(Cl
1-x
Br
x
)3、Yb
3+
:RbPbCl3、Yb
3+
:RbPb(Cl
1-x
Br
x
)3、Yb
3+
:(Rb
1-x
Cs
x
)Pb(Cl
1-x
Br
x
)3、Yb
3+
:FAPbCl3、Yb
3+
:FAPb(Cl
1-x
Br
x
)3、Yb
3+
:(FA
1-x
Cs
x
)PbCl3、Yb
3+
:(FA
1-x
Cs
x
)Pb(Cl
1-x
Br
x
)3、Yb
3+
:(Rb
1-x
Cs
x
)(Pb
1-x
Sn
x
)(Cl
1-x
Br
x
)3、Yb
3+
:Cs2PbCl2I2、Yb
3+
:Cs2SnCl2I2、Yb
3+
:Cs2AgBiCl6、Yb
3+
:Cs2AgBiBr6、Yb
3+
:Cs2AgBi(Cl
1-x
Br
x
)6、Yb
3+
:Cs2AgInCl6、Yb
3+
:Cs2AgIn(Cl
1-x
Br
x
)6，其中x为0到1的数。4.权利要求1所述的组合物，其中，M代替所述组合物的晶格中的B或D。5.权利要求4所述的组合物，其中，在晶格中包含M与晶格的缺陷无关。6.权利要求4所述的组合物，其中，包含M与被配置为节省电荷的晶格的缺陷相关。7.权利要求4所述的组合物，其中，在晶格中包含M与在晶格中的M阳离子簇无关。8.权利要求4所述的组合物，其中，在晶格中包含M与簇或两个或更多个M阳离子相关。9.权利要求1所述的组合物，其中，M/(B+M)的摩尔比为约0％至约49％。10.权利要求1所述的组合物，其中，M/(D+M)的摩尔比为约0％至约49％。11.权利要求1所述的组合物，其中，所述组合物包含多个M阳离子，并且其中所述多个M阳离子中的M阳离子不均匀地分布在所述组合物中。12.权利要求1所述的组合物，其中，所述组合物包含多个M阳离子，并且其中所述多个M阳离子中的M阳离子均匀地分布在所述组合物中13.权利要求1所述的组合物，其中，所述组合物被配置为在吸收不同于第一波长的第二波长的光时发射第一波长的光。14.权利要求13所述的组合物，其中，所发射的光是带-边复合的结果。15.权利要求13所述的组合物，其中，所发射的光是掺杂剂发射的结果。16.权利要求13所述的组合物，其中，M是Yb
3+
，并且其中发射的光子的数量大于吸收的
光子的数量。17.权利要求1所述的组合物，其中，所述组合物被配置为在向所述组合物施加电流时发光。18.权利要求1所述的组合物，其中，所述组合物是异质结构的。19.权利要求1所述的组合物，其中，所述组合物悬浮在基体中。20.权利要求19所述的组合物，其中，悬浮在基体中的组合物限定基体内的空间浓度梯度。21.权利要求1至20中任一项所述的组合物，其中，所述组合物被配置为吸收具有第一能量的第一能量量子，并且被配置为响应于吸收所述第一能量量子而发射第二能量量子，其中，所述第二能量量子能量小于所述第一能量量子。22.权利要求21所述的组合物，其中，所述第一能量量子是光子。23.权利要求22所述的组合物，其中，所述组合物被配置为吸收波长范围的入射到所述组合物上的光子。24.权利要求21所述的组合物，其中，所述第一能量量子是从与所述组合物导电接触的电极注入的电荷。25.权利要求21所述的组合物，其中，所述组合物被配置为响应于吸收所述第一能量量子而发射两个或更多个能量量子。26.权利要求25所述的组合物，其中，所述组合物的量子收率为约0％至约200％。27.权利要求21所述的组合物，其中，所述组合物的表面被图案化。28.权利要求27所述的组合物，其中，图案化的表面被配置为以随机方向反射或散射入射到所述图案化的表面上的光。29.权利要求27所述的组合物，其中，所述图案化的表面被配置为引导由所述组合物发射的能量量子。30.一种装置，其包含根据权利要求1-29中任一项的组合物。31.权利要求30所述的装置，其中，所述装置选自光伏电池、光伏模块、光电检测器、发光二极管、激光器及其组合。32.权利要求30所述的装置，其中，所述组合物被配置为发射能量量子，所述装置还包含被配置为接收从所述组合物发射的能量量子的活性材料。33.权利要求32所述的装置，其还包含设置在所述组合物与所述活性材料之间的间隔层。34.权利要求32所述的装置，其中，由所述组合物发射的能量量子被配置为被辐射地转移至所述活性材料。35.权利要求32所述的装置，其中，由所述组合物发射的能量量子被配置为被非辐射地转移至所述活性材料。36.权利要求32所述的装置，其中，所述活性材料包含被配置为接受由所述组合物发射的能量量子的受体。37.权利要求32所述的装置，其还包括选择性反射器，所述选择性反射器被配置为允许入射到所述选择性反射器上的波长范围的光子穿过到达所述组合物，且反射或散射入射到所述选择性反射器上且在所述波长范围外的光子。
38.权利要求37所述的装置，其中，所述选择性反射器被定位成将由所述组合物发射的能量量子引导至所述活性层。39.权利要求30所述的装置，其中，所述装置被配置为向所述组合物施加电流，并且其中，所述组合物被配置为在施加电流时发射能量量子。40.一种形成膜的方法，其包括：将材料沉积到基材上以形成所述膜，其中所述膜包含具有选自下式的化学式的组合物：M:ABX3，M:AB2X5，M:A4BX6，M:C2DX5，M:A2CDX6，和其组合其中，A是选自Li
+
、Na
+
、K
+
、Rb
+
、Cs
+
、甲基铵、甲脒鎓、胍鎓、二甲基铵、三甲基铵及其组合的阳离子，B是选自Pb
2+
、Sn
2+
、Ge
2+
、Cd
2+
、Mg
2+
、Ti
2+
、Hg
2+
及其组合的阳离子，C是选自Ag
+
、Cu
+
、Sn
+
、Na
+
、K
+
、Tl
+
、Au
+
及其组合的阳离子，D是选自In
3+
、Bi
3+
、Sb
3+
、Au
3+
及其组合的阳离子，X是选自O-、F-、Cl-、Br-、I-、CN-及其组合的阴离子，和M是选自Y
3+
、La
3+
、Ce
3...

【专利技术属性】
技术研发人员：D，
申请(专利权)人：华盛顿大学，
类型：发明
国别省市：