JP2017193576A

Optoelectronic devices with organometal perovskites with mixed anions

Abstract

Problem to be solved.To provide a mixed anion which is surprisingly stable, exhibits unexpectedly high power conversion efficiency and photocurrent, is relatively inexpensive to manufacture, and may be relatively easily produced on a large scale. The purpose is to provide optoelectronic devices including perovskite. The present invention is a photoelectron device comprising a mixed anion perovskite, wherein the mixed anion perovskite contains two or more different anions selected from a halide anion and a chalcogenide anion. [Selection diagram] None

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87 claims: 12 independent, 75 dependent

  1. 1
    混合アニオンペロブスカイトを含む光電子デバイスであって、前記混合アニオンペロブスカイトが、ハロゲン化物アニオン及びカルコゲナイドアニオンから選択される2種以上の異なるアニオンを含む、上記光電子デバイス。
  2. 2
    前記混合アニオンペロブスカイトが、第1のカチオン、第2のカチオン、及び前記2種以上の異なるアニオンを含む、請求項1に記載の光電子デバイス。
  3. 3
    前記第2のカチオンが金属カチオンである、請求項2に記載の光電子デバイス。
  4. 4
    前記金属カチオンが2価の金属カチオンである、請求項3に記載の光電子デバイス。
  5. 5
    前記金属カチオンがSn 2+ 及びPb 2+ から選択される、請求項3又は4に記載の光電子デバイス。
  6. 6
    前記第1のカチオンが有機カチオンである、請求項2から5のいずれか一項に記載の光電子デバイス。
  7. 7
    前記有機カチオンが、式(R 1 R 2 R 3 R 4 N) + を有し、式中、 R 1 が、水素、非置換若しくは置換C 1 ~C 20 アルキル、又は非置換若しくは置換アリールであり、 R 2 が、水素、非置換若しくは置換C 1 ~C 20 アルキル、又は非置換若しくは置換アリールであり、 R 3 が、水素、非置換若しくは置換C 1 ~C 20 アルキル、又は非置換若しくは置換アリールであり、 R 4 が、水素、非置換若しくは置換C 1 ~C 20 アルキル、又は非置換若しくは置換アリールである、請求項6に記載の光電子デバイス。
  8. 8
    前記有機カチオンが、式(R 5 NH 3 ) + [式中、R 5 が、水素、又は非置換若しくは置換C 1 ~C 20 アルキルである]を有する、請求項6又は7に記載の光電子デバイス。
  9. 9
    前記有機カチオンが、式(R 5 R 6 N=CH-NR 7 R 8 ) + を有し、式中、 R 5 が、水素、非置換若しくは置換C 1 ~C 20 アルキル、又は非置換若しくは置換アリールであり、 R 6 が、水素、非置換若しくは置換C 1 ~C 20 アルキル、又は非置換若しくは置換アリールであり、 R 7 が、水素、非置換若しくは置換C 1 ~C 20 アルキル、又は非置換若しくは置換アリールであり、 R 8 が、水素、非置換若しくは置換C 1 ~C 20 アルキル、又は非置換若しくは置換アリールである、請求項6に記載の光電子デバイス。
  10. 10
    前記有機カチオンが式(H 2 N=CH-NH 2 ) + を有する、請求項6又は9に記載の光電子デバイス。
  11. 11
    前記ペロブスカイトが混合ハロゲン化物ペロブスカイトであり、前記2種以上の異なるアニオンが2種以上の異なるハロゲン化物アニオンである、請求項1から10のいずれか一項に記載の光電子デバイス。
  12. 12
    前記ペロブスカイトが、式(I) [A][B][X] 3 (I) [式中、 [A]は少なくとも1種の有機カチオンであり、 [B]は少なくとも1種の金属カチオンであり、 [X]は、前記2種以上の異なるアニオンである]のペロブスカイト化合物である、請求項1から11のいずれか一項に記載の光電子デバイス。
  13. 13
    前記ペロブスカイトが、式(IA) AB[X] 3 (IA) [式中、Aは有機カチオンであり、Bは金属カチオンであり、 [X]は、前記2種以上の異なるアニオンである]のペロブスカイト化合物である、請求項1から12のいずれか一項に記載の光電子デバイス。
  14. 14
    [X]が、2又は3種の異なるハロゲン化物アニオンである、請求項12又は13に記載の光電子デバイス。
  15. 15
    前記ペロブスカイトが、式(II) ABX 3-y X’ y (II) [式中、Aは有機カチオンであり、Bは金属カチオンであり、Xは第1のハロゲン化物アニオンであり、X’は、前記第1のハロゲン化物アニオンとは異なる第2のハロゲン化物アニオンであり、yは0.05から2.95である]のペロブスカイト化合物である、請求項1から14のいずれか一項に記載の光電子デバイス。
  16. 16
    前記ペロブスカイトが、式(IIa) ABX 3z X’ 3(1-z) (IIa) [式中、Aは、式(R 5 R 6 N=CH-NR 7 R 8 ) + の有機カチオンであり、ここで、R 5 、R 6 、R 7 、及びR 8 は、独立して、水素、非置換又は置換C 1 ~C 20 アルキル、及び非置換又は置換アリールから選択され、Bは金属カチオンであり、Xは第1のハロゲン化物アニオンであり、X’は、前記第1のハロゲン化物アニオンとは異なる第2のハロゲン化物アニオンであり、zは0より大きく1未満である]のペロブスカイト化合物である、請求項1から6及び9から14のいずれか一項に記載の光電子デバイス。
  17. 17
    zが0.05から0.95である、請求項16に記載の光電子デバイス。
  18. 18
    前記有機カチオンが、式(R 1 R 2 R 3 R 4 N) + [式中、R 1 、R 2 、R 3 、及びR 4 は、独立して、水素、非置換又は置換C 1 ~C 20 アルキル、及び非置換又は置換アリールから選択される]又は(R 5 NH 3 ) + [式中、R 5 は、水素、又は非置換若しくは置換C 1 ~C 20 アルキルである]を有する、請求項15に記載の光電子デバイス。
  19. 19
    前記有機カチオンが式(H 2 N=CH-NH 2 ) + を有する、請求項16又は17に記載の光電子デバイス。
  20. 20
    前記金属カチオンが、Sn 2+ 及びPb 2+ から選択される、請求項15から19のいずれか一項に記載の光電子デバイス。
  21. 21
    前記ペロブスカイトが、CH 3 NH 3 PbBrI 2 、CH 3 NH 3 PbBrCl 2 、CH 3 NH 3 PbIBr 2 、CH 3 NH 3 PbICl 2 、CH 3 NH 3 PbClBr 2 、CH 3 NH 3 PbI 2 Cl、CH 3 NH 3 SnBrI 2 、CH 3 NH 3 SnBrCl 2 、CH 3 NH 3 SnF 2 Br、CH 3 NH 3 SnIBr 2 、CH 3 NH 3 SnICl 2 、CH 3 NH 3 SnF 2 I、CH 3 NH 3 SnClBr 2 、CH 3 NH 3 SnI 2 Cl、及びCH 3 NH 3 SnF 2 Clから選択される、請求項1から8、11から15、及び18のいずれか一項に記載の光電子デバイス。
  22. 22
    前記ペロブスカイトが式(H 2 N=CH-NH 2 )PbI 3z Br 3(1-z) [式中、zは請求項16又は17で定義された通りである]を有する、請求項1から6、9から14、及び16から17のいずれか一項に記載の光電子デバイス。
  23. 23
    前記光電子デバイスが、光起電力デバイス、光ダイオード、光トランジスタ、光電子増倍管、光抵抗器、光検出器、感光性検出器、固体トライオード、バッテリー電極、発光デバイス、発光ダイオード、トランジスタ、太陽電池、レーザ、及びダイオード注入型レーザから選択される光電子デバイスである、請求項1から22のいずれか一項に記載の光電子デバイス。
  24. 24
    前記光電子デバイスが光起電力デバイスである、請求項1から23のいずれか一項に記載の光電子デバイス。
  25. 25
    前記光電子デバイスが太陽電池である、請求項1から24のいずれか一項に記載の光電子デバイス。
  26. 26
    前記光電子デバイスが発光ダイオードである、請求項1から23のいずれか一項に記載の光電子デバイス。
  27. 27
    第1の電極と、 第2の電極と、 前記第1及び第2の電極間に配置された、a)前記ペロブスカイトとを含む光電子デバイスである、請求項1から26のいずれか一項に記載の光電子デバイス。
  28. 28
    第1の電極と、 第2の電極と、 前記第1及び第2の電極間に配置された、(a)前記ペロブスカイトを含む薄膜とを含む光電子デバイスである、請求項1から27のいずれか一項に記載の光電子デバイス。
  29. 29
    第1の電極と、 第2の電極と、 前記第1及び第2の電極間に配置された、(a)半導体の層、及び(b)前記ペロブスカイトとを含む光電子デバイスである、請求項1から27のいずれか一項に記載の光電子デバイス。
  30. 30
    第1の電極と、 第2の電極と、 前記第1及び第2の電極間に配置された、(a)n-型層、及び(b)前記ペロブスカイトとを含む光電子デバイスである、請求項1から27のいずれか一項に記載の光電子デバイス。
  31. 31
    第1の電極と、 第2の電極と、 前記第1及び第2の電極間に配置された、(a)p-型層、及び(b)前記ペロブスカイトとを含む光電子デバイスである、請求項1から27のいずれか一項に記載の光電子デバイス。
  32. 32
    第1の電極と、 第2の電極と、 前記第1及び第2の電極間に配置された、(a)n-型層、(b)前記ペロブスカイト、及び(c)p-型層とを含む光電子デバイスである、請求項1から26のいずれか一項に記載の光電子デバイス。
  33. 33
    第1の電極と、 第2の電極と、 前記第1及び第2の電極間に配置された、(a)半導体の多孔質層、及び(b)前記ペロブスカイトを含む増感剤材料とを含む光電子デバイスである、請求項1から27のいずれか一項に記載の光電子デバイス。
  34. 34
    第1の電極と、 第2の電極と、 前記第1及び第2の電極間に配置された、(a)半導体の多孔質層、(b)前記ペロブスカイトを含む増感剤材料、及び(c)電荷輸送材料とを含む光電子デバイスである、請求項1から27及び33のいずれか一項に記載の光電子デバイス。
  35. 35
    第1の電極と、 第2の電極と、 前記第1及び第2の電極間に配置された、(a)p-型半導体の多孔質層である、半導体の多孔質層、(b)前記ペロブスカイトを含む増感剤材料、及び(c)電子輸送材料である、電荷輸送材料とを含む光電子デバイスである、請求項1から27、33及び34のいずれか一項に記載の光電子デバイス。
  36. 36
    p-型半導体の前記多孔質層が、ニッケル、バナジウム、銅、又はモリブデンの酸化物を含む、請求項33から35のいずれか一項に記載の光電子デバイス。
  37. 37
    p-型半導体の前記多孔質層が、p-型半導体の緻密層と接触している、請求項33から36のいずれか一項に記載の光電子デバイス。
  38. 38
    p-型半導体の前記緻密層が、ニッケル、バナジウム、又は銅の酸化物を含む、請求項37に記載の光電子デバイス。
  39. 39
    半導体の前記緻密層が、モリブデン又はタングステンの酸化物を含む、請求項37に記載の光電子デバイス。
  40. 40
    前記電子輸送材料が、フラーレン若しくはペリレン、又はこれらの誘導体、又はP(NDI2OD-T2)を含む、請求項33から38のいずれか一項に記載の光電子デバイス。
  41. 41
    第1の電極と、 第2の電極と、 前記第1及び第2の電極間に配置された、(a)n-型半導体の多孔質層である、半導体の多孔質層、(b)前記ペロブスカイトを含む増感剤材料、及び(c)正孔輸送材料である、電荷輸送材料とを含む光起電力デバイスである、請求項1から28、33及び34のいずれか一項に記載の光電子デバイス。
  42. 42
    n-型半導体の前記多孔質層が、チタン、スズ、亜鉛、ニオブ、タンタル、タングステン、インジウム、ガリウム、ネオジム、パラジウム、又はカドミウムの酸化物を含む、請求項33、34、及び41のいずれか一項に記載の光電子デバイス。
  43. 43
    半導体の前記多孔質層がTiO 2 を含む、請求項33、34、41、及び42のいずれか一項に記載の光電子デバイス。
  44. 44
    半導体の前記多孔質層が、n-型半導体の緻密層に接触している、請求項33、34、及び41から43のいずれか一項に記載の光電子デバイス。
  45. 45
    n-型半導体の前記緻密層がTiO 2 を含む、請求項44に記載の光電子デバイス。
  46. 46
    前記正孔輸送材料が、固体正孔輸送材料又は液体電解質である、請求項34及び41から45までのいずれか一項に記載の光電子デバイス。
  47. 47
    前記正孔輸送材料が、ポリマー又は分子状正孔輸送体である、請求項34及び41から46のいずれか一項に記載の光電子デバイス。
  48. 48
    前記正孔輸送材料が、スピロ-OMeTAD、P3HT、PCPDTBT、及びPVKから選択される、請求項34及び41から47のいずれか一項に記載の光電子デバイス。
  49. 49
    前記正孔輸送材料が、分子状正孔輸送体又はポリマー若しくはコポリマーである、請求項34及び41から46のいずれか一項に記載の光電子デバイス。
  50. 50
    前記正孔輸送材料が無機正孔輸送体であり、場合によって、前記無機正孔輸送体は、CuI、CuBr、CuSCN、Cu 2 O、CuO、又はCISである、請求項34及び41から46のいずれか一項に記載の光電子デバイス。
  51. 51
    半導体の前記多孔質層が、100nmから2μmの厚さを有する、請求項33から50のいずれか一項に記載の光電子デバイス。
  52. 52
    式(I) [A][B][X] 3 (I) [式中、 [A]は、式(R 1 R 2 R 3 R 4 N) + の少なくとも1種の有機カチオンであり、ここで、 (i)R 1 は、水素、非置換若しくは置換C 1 ~C 20 アルキル、又は非置換若しくは置換アリールであり、 (ii)R 2 は、水素、非置換若しくは置換C 1 ~C 20 アルキル、又は非置換若しくは置換アリールであり、 (iii)R 3 は、水素、非置換若しくは置換C 1 ~C 20 アルキル、又は非置換若しくは置換アリールであり、 (iv)R 4 は、水素、非置換若しくは置換C 1 ~C 20 アルキル、又は非置換若しくは置換アリールであり、 [B]は、少なくとも1種の2価の金属カチオンであり、 [X]は、2種以上の異なるハロゲン化物アニオンであり、但し、(i)[A]が(CH 3 NH 3 ) + である単一の有機カチオンであり、且つ[B]がSn 2+ である単一の金属カチオンである場合、前記混合ハロゲン化物ペロブスカイトは、(a)塩化物イオン及び臭化物イオン又は(b)臭化物イオン及びヨウ化物イオンを含まず、(ii)[A]が、(CH 3 NH 3 ) + である単一の有機カチオンであり且つ[B]が、Pb 2+ である単一の金属カチオンである場合、前記混合ハロゲン化物ペロブスカイトは塩化物イオン及び臭化物イオンを含まないことを前提する]の混合ハロゲン化物ペロブスカイト。
  53. 53
    [B]が、Pb 2+ である単一の金属カチオンである場合、前記2種以上の異なるハロゲン化物アニオンの1種はヨウ化物又はフッ化物であり、[B]が、Sn 2+ である単一の金属カチオンである場合、前記2種以上の異なるハロゲン化物アニオンの1種はフッ化物である、請求項52に記載の混合ハロゲン化物ペロブスカイト。
  54. 54
    前記2種以上の異なるハロゲン化物アニオンの1種がヨウ化物又はフッ化物である、請求項52に記載の混合ハロゲン化物ペロブスカイト。
  55. 55
    前記2種以上の異なるハロゲン化物アニオンの1種がヨウ化物であり、前記2種以上の異なるハロゲン化物アニオンの別のものがフッ化物又は塩化物である、請求項52に記載の混合ハロゲン化物ペロブスカイト。
  56. 56
    前記2種以上の異なるハロゲン化物アニオンの1種がフッ化物である、請求項52に記載の混合ハロゲン化物ペロブスカイト。
  57. 57
    (a)前記2種以上の異なるアニオンの1種がフッ化物であり、前記2種以上の異なるアニオンの別のものが塩化物、臭化物、若しくはヨウ化物であり、又は (b)前記2種以上の異なるアニオンの1種がヨウ化物であり、前記2種以上の異なるアニオンの別のものがフッ化物若しくは塩化物である、請求項52に記載の混合ハロゲン化物ペロブスカイト。
  58. 58
    [X]が、2種の異なるハロゲン化物アニオンX及びX’である、請求項52から57のいずれか一項に記載の混合ハロゲン化物ペロブスカイト。
  59. 59
    前記2価の金属カチオンがSn 2+ である、請求項52から58のいずれか一項に記載の混合ハロゲン化物ペロブスカイト。
  60. 60
    前記2価の金属カチオンがPb 2+ である、請求項52から58のいずれか一項に記載の混合ハロゲン化物ペロブスカイト。
  61. 61
    [A]が、式(R 5 NH 3 ) + [式中、R 5 は、水素、又は非置換若しくは置換C 1 ~C 20 アルキルである]の少なくとも1種の有機カチオンである、請求項52から60のいずれか一項に記載の混合ハロゲン化物ペロブスカイト。
  62. 62
    R 5 がメチルである、請求項61に記載の混合ハロゲン化物ペロブスカイト。
  63. 63
    前記ペロブスカイトが、式(II) ABX 3-y X’ y (II) [式中、Aは有機カチオンであり、Bは2価の金属カチオンであり、Xは第1のハロゲン化物アニオンであり、X’は、前記第1のハロゲン化物アニオンとは異なる第2のハロゲン化物アニオンであり、yは、0.05から2.95であり、但し(i)Aが、(CH 3 NH 3 ) + である有機カチオンであり且つBが、Sn 2+ である2価の金属カチオンである場合、前記混合ハロゲン化物ペロブスカイトは、(a)塩化物イオン及び臭化物イオン、又は(b)臭化物イオン及びヨウ化物イオンを含まず、(ii)Aが、(CH 3 NH 3 ) + である有機カチオンであり且つBが、Pb 2+ である2価の金属カチオンである場合、前記混合ハロゲン化物ペロブスカイトは塩化物イオン及び臭化物イオンを含まないことを前提とする]のペロブスカイト化合物である、請求項52から62までのいずれか一項に記載の混合ハロゲン化物ペロブスカイト。
  64. 64
    Xがヨウ化物であり且つX’がフッ化物若しくは塩化物であり、又はXがフッ化物であり且つX’が塩化物、臭化物、若しくはヨウ化物である、請求項58又は63に記載の混合ハロゲン化物ペロブスカイト。
  65. 65
    X又はX’がヨウ化物である、請求項58又は63に記載の混合ハロゲン化物ペロブスカイト。
  66. 66
    Bが、Sn 2+ 以外である、請求項64又は65に記載の混合ハロゲン化物ペロブスカイト。
  67. 67
    Xがヨウ化物であり、X’がフッ化物又は塩化物である、請求項65に記載の混合ハロゲン化物ペロブスカイト。
  68. 68
    X又はX’がフッ化物である、請求項56又は60に記載の混合ハロゲン化物ペロブスカイト。
  69. 69
    Sn 2+ を含む、請求項52から63のいずれか一項に記載の混合ハロゲン化物ペロブスカイト。
  70. 70
    Pb 2+ を含む、請求項52から63のいずれか一項に記載の混合ハロゲン化物ペロブスカイト。
  71. 71
    前記混合アニオンペロブスカイトが、CH 3 NH 3 PbBrI 2 、CH 3 NH 3 PbIBr 2 、CH 3 NH 3 PbICl 2 、CH 3 NH 3 PbI 2 Cl、CH 3 NH 3 SnF 2 Br、CH 3 NH 3 SnICl 2 、CH 3 NH 3 SnF 2 I、CH 3 NH 3 SnI 2 Cl、及びCH 3 NH 3 SnF 2 Clから選択される、請求項52から63のいずれか一項に記載の混合ハロゲン化物ペロブスカイト。
  72. 72
    式(I) [A][B][X] 3 (I) [式中、 [A]は、式(R 5 R 6 N=CH-NR 7 R 8 ) + の少なくとも1種の有機カチオンであり、ここで、 (i)R 5 は、水素、非置換若しくは置換C 1 ~C 20 アルキル、又は非置換若しくは置換アリールであり、 (ii)R 6 は、水素、非置換若しくは置換C 1 ~C 20 アルキル、又は非置換若しくは置換アリールであり、 (iii)R 7 は、水素、非置換若しくは置換C 1 ~C 20 アルキル、又は非置換若しくは置換アリールであり、 (iv)R 8 は、水素、非置換若しくは置換C 1 ~C 20 アルキル、又は非置換若しくは置換アリールであり、 [B]は、少なくとも1種の2価の金属カチオンであり、 [X]は、2種以上の異なるハロゲン化物アニオンである]の混合ハロゲン化物ペロブスカイト。
  73. 73
    前記有機カチオンが、式(H 2 N=CH-NH 2 ) + を有する、請求項72に記載の混合ハロゲン化物ペロブスカイト。
  74. 74
    前記金属カチオンが、Sn 2+ 及びPb 2+ から選択される、請求項72又は73に記載の混合ハロゲン化物ペロブスカイト。
  75. 75
    前記金属カチオンがPb 2+ である、請求項72又は73に記載の混合ハロゲン化物ペロブスカイト。
  76. 76
    前記ペロブスカイトが、式(IIa) ABX 3z X’ 3(1-z) (IIa) [式中、Aは、式(R 5 R 6 N=CH-NR 7 R 8 ) + の有機カチオンであり、ここで、 (i)R 5 は、水素、非置換若しくは置換C 1 ~C 20 アルキル、又は非置換若しくは置換アリールであり、 (ii)R 6 は、水素、非置換若しくは置換C 1 ~C 20 アルキル、又は非置換若しくは置換アリールであり、 (iii)R 7 は、水素、非置換若しくは置換C 1 ~C 20 アルキル、又は非置換若しくは置換アリールであり、 (iv)R 8 は、水素、非置換若しくは置換C 1 ~C 20 アルキル、又は非置換若しくは置換アリールであり、Bは、Sn 2+ 及びPb 2+ から選択される金属カチオンであり、Xは、第1のハロゲン化物アニオンであり、X’は、前記第1のハロゲン化物アニオンとは異なる第2のハロゲン化物アニオンであり、zは、0より大きく1未満である]のペロブスカイト化合物である、請求項72から75のいずれか一項に記載の混合ハロゲン化物ペロブスカイト。
  77. 77
    zが0.05から0.95である、請求項76に記載の混合ハロゲン化物ペロブスカイト。
  78. 78
    前記有機カチオンが、式(H 2 N=CH-NH 2 ) + を有する、請求項76又は77に記載の混合ハロゲン化物ペロブスカイト。
  79. 79
    前記ペロブスカイトが式(H 2 N=CH-NH 2 )PbI 3z Br 3(1-z) を有する、請求項76から78のいずれか一項に記載の混合ハロゲン化物ペロブスカイト。
  80. 80
    混合アニオンペロブスカイトが、ハロゲン化物アニオン及びカルコゲナイドアニオンから選択される2種以上の異なるアニオンを含む、光電子デバイスでの増感剤としての混合アニオンペロブスカイトの使用。
  81. 81
    前記混合アニオンペロブスカイトが、請求項2から80までのいずれか一項でさらに定義された通りである、請求項80に記載の使用。
  82. 82
    前記光電子デバイスが光起電力デバイスである、請求項80又は81に記載の使用。
  83. 83
    前記光電子デバイスが発光ダイオードである、請求項80又は81に記載の使用。
  84. 84
    混合アニオンペロブスカイトが、ハロゲン化物アニオン及びカルコゲナイドアニオンから選択される2種以上の異なるアニオンを含む、混合アニオンペロブスカイトを含む光電子デバイス用の光増感材料。
  85. 85
    前記混合アニオンペロブスカイトが、請求項2から80のいずれか一項でさらに定義された通りである、請求項84に記載の光増感材料。
  86. 86
    包封された金属ナノ粒子をさらに含む、請求項1から51のいずれか一項に記載の光電子デバイス。
  87. 87
    前記第1及び第2の電極間に配置された、包封された金属ナノ粒子をさらに含む、請求項27から51のいずれか一項に記載の光電子デバイス。
Independent claims87