JP6487409B2 - Compound - Google Patents
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Description
本発明は、化合物、その製造方法、及びそれらの使用に関する。 The present invention relates to compounds, processes for their preparation and their use.
近年、有機無機金属ハロゲン化物が、太陽電池用途などの、様々な用途で注目されている。非特許文献1では、有機アンモニウムとしてホルムアミジニウムカチオン(CH(NH2)2 +)、鉛カチオン(Pb2+)、及びヨウ素アニオン(I-)からなる、組成比が、CH(NH2)2:Pb:I=1:1:3である(CH(NH2)2)PbI3は、100℃程度の加熱温度で製造すると、黄色のバンドギャップが大きい(CH(NH2)2)PbI3化合物になることが記載されている。 In recent years, organic inorganic metal halides have attracted attention in various applications such as solar cell applications. In Non-Patent Document 1, the composition ratio is CH (NH 2 ), which is composed of formamidinium cation (CH (NH 2 ) 2 + ), lead cation (Pb 2+ ) and iodine anion (I − ) as organic ammonium. (CH (NH 2 ) 2 ) PbI 3 where 2 : Pb: I = 1: 1: 3 has a large yellow band gap (CH (NH 2 ) 2 ) PbI when manufactured at a heating temperature of about 100 ° C. It is described that it becomes 3 compounds.
非特許文献2では、(CH(NH2)2)PbI3化合物を、170℃以上で加熱することで、吸収端約820nmであり、黒色の(CH(NH2)2)PbI3化合物となることが記載されている。なお、ホルムアミジニウムカチオン、鉛カチオン、及びハロゲンアニオンのみから構成される化合物として知られているのは、非特許文献1や非特許文献2で開示されている、(CH(NH2)2)PbI3のみである。 In Non-Patent Document 2, the (CH (NH 2 ) 2 ) PbI 3 compound is heated at 170 ° C. or more to give a black (CH (NH 2 ) 2 ) PbI 3 compound having an absorption edge of about 820 nm. It is described. Incidentally, formamidinium cation, what is known as a lead cations and halogen anions only compound composed of are disclosed in Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2, (CH (NH 2) 2) PbI 3 only.
一方、有機鉛ハロゲン化物は、炭素数が3よりも大きく、嵩高いアンモニウムカチオンを含むことで、層状構造を有することが知られており、非特許文献3には、ノルマルブチルアンモニウムカチオン(:BA、炭素数4)と、メチルアンモニウムカチオン(:MA)と、鉛カチオンと、ヨウ素アニオンを、BA:MA:Pb:I=2:1:2:7、2:2:3:10、2:3:4:13とする4成分系(カチオン3種類、アニオン1種類)の化合物を100℃程度の加熱温度で製造できることが開示されている。また、非特許文献3には、層状構造を有することで、比較的簡易な製造方法でも、平たく、被覆率の高い薄膜などの化合物とできる優位点があることが記されている。 On the other hand, organic lead halides are known to have a layered structure by containing a bulky ammonium cation having a carbon number of greater than 3 and non-patent document 3 discloses normal butyl ammonium cation (: BA , Carbon number 4), methyl ammonium cation (: MA), lead cation, iodine anion, BA: MA: Pb: I = 2: 1: 2: 7, 2: 2: 3: 10, 2: It is disclosed that a compound of a four-component system (three cations, one anion) having a ratio of 3: 4: 13 can be produced at a heating temperature of about 100.degree. Further, Non-Patent Document 3 describes that having a layered structure has an advantage that it can be made with a compound such as a flat thin film having a high coverage even with a relatively simple manufacturing method.
しかしながら、非特許文献1に記載の化合物は、吸収端が短波長であり、バンドギャップがより小さいことが望まれる。例えば、太陽光に多く含まれる、より長波長の光を利用し、光吸収特性を向上させるためには、よりバンドギャップの小さな材料の開発が求められている。 However, the compound described in Non-Patent Document 1 is desired to have a short wavelength at the absorption edge and a smaller band gap. For example, in order to use longer wavelength light, which is often contained in sunlight, and improve light absorption characteristics, development of a material having a smaller band gap is required.
非特許文献2に記載の化合物は、製造するために高温を必要とする、高温安定相である材料のために、室温での使用時、例えば、電圧を印加された際、光励起キャリアを生成した際などに相転移などの、物性の変化を伴う化合物の変化を生じる可能性がある。動作安定性の観点から、より低温で製造できる化合物の開発が求められている。 The compound described in Non-patent Document 2 generates photoexcited carriers when used at room temperature, for example, when a voltage is applied, for a material that is a high temperature stable phase that requires high temperature to produce At the time, etc., there may occur a change in the compound accompanied by a change in physical properties such as a phase transition. From the viewpoint of operational stability, development of a compound that can be produced at lower temperatures is required.
前記優位性を有するだけでなく、性能の均一性にも優れるためには、化合物は層状構造を有することが望ましい。しかし、非特許文献1や非特許文献2に記載の技術では、有機アンモニウムカチオンがホルムアミジウムカチオンのみである、すなわち、イオン半径が小さすぎることに起因して、層状構造を形成できないという問題がある。非特許文献3に記載の化合物は層状構造を有するが、製造がより容易になり、大面積化の際に組成の分布が生じにくくなるなど、より性能の均一性に優れるためには、化合物の大部分を構成するカチオンやアニオンの種類がより少ないことが望ましい。特に、イオン半径が大きく拡散が難しい観点から、化合物を構成する全カチオンにおいて、非特許文献3に記載の化合物よりも少ない、2種類のカチオンが大部分を占めることが望ましい。 It is desirable that the compound has a layered structure in order to not only have the above-mentioned superiority but also have excellent uniformity of performance. However, in the techniques described in Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2, there is a problem that the organic ammonium cation is only formamidium cation, that is, the layer structure can not be formed due to the ionic radius being too small. is there. Although the compound described in Non-Patent Document 3 has a layered structure, it becomes easier to manufacture, and distribution of the composition is less likely to occur when the area is enlarged, and in order to be more excellent in uniformity of performance, the compound It is desirable that the number of types of cations and anions that make up the majority be smaller. In particular, in view of the large ion radius and difficulty in diffusion, it is desirable that the total of two cations constituting the compound is less than the compound described in Non-Patent Document 3 in most of the cations constituting the compound.
本発明は、上記の従来技術が有する課題に鑑みてなされたものであり、性能の均一性に優れ、光吸収特性に優れ、動作安定性に優れる化合物、その製造方法、及びその使用方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the problems of the above-mentioned prior art, and provides a compound excellent in uniformity of performance, excellent in light absorption characteristics, and excellent in operation stability, a method of manufacturing the same, and a method of use thereof The purpose is to
本発明者らは、上記従来技術の課題を解決すべく鋭意研究し実験を重ねた結果、所定のカチオンと所定のアニオンを、所定の組成含む化合物とすることで上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに至ったものである。 As a result of intensive research and experiments to solve the problems of the prior art, the present inventors have found that the problems can be solved by using a predetermined cation and a predetermined anion as a compound having a predetermined composition. The present invention has been completed.
すなわち、本発明は下記のとおりのものである。
[1]
カチオンとアニオンとを含む化合物であって、
前記カチオンのうち10モル%以上49モル%以下が第14族元素カチオンであり、
前記カチオンの51モル%以上90モル%以下が対カチオンであり、ここで、当該対カチオンのうち、91モル%以上100モル%以下が、単一種類の、炭素数が1以上2以下かつ窒素数が2以上4以下である有機分子カチオンであり、
前記アニオンのうち30モル%以上100モル%以下が第17族元素アニオンであり、
前記化合物の結晶構造における最大の面間隔が8Å以上30Å以下である、化合物。
[2]
前記対カチオンのうち、95モル%以上100モル%以下が前記有機分子カチオンである、[1]に記載の化合物。
[3]
前記有機分子カチオンの窒素数が2以上3以下である、[1]又は[2]に記載の化合物。
[4]
前記有機分子カチオンの炭素数が1である、[1]〜[3]のいずれかに記載の化合物。
[5]
前記有機分子カチオンがアンモニウム基及び/又はアミン基を含む、[1]〜[4]のいずれかに記載の化合物。
[6]
前記有機分子カチオンがホルムアミジウムカチオンを含む、[1]〜[5]のいずれかに記載の化合物。
[7]
前記カチオンのうち、55モル%以上85モル%以下が対カチオンである、[1]〜[6]のいずれかに記載の化合物。
[8]
前記カチオンのうち、15モル%以上45モル%以下が第14族元素カチオンである、[1]〜[7]のいずれかに記載の化合物。
[9]
前記第14族元素カチオンが、錫カチオン及び/又は鉛カチオンである、[1]〜[8]のいずれかに記載の化合物。
[10]
前記アニオンのうち、55モル%以上100モル%以下が第17族元素アニオンである、[1]〜[9]のいずれかに記載の化合物。
[11]
前記第17族元素のアニオンが、塩化物アニオン、臭化物アニオン及びヨウ化物アニオンからなる群より選択される少なくとも1つである、[1]〜[10]のいずれかに記載の化合物。
[12]
前記化合物が(CH(NH2)2)2PbX4(ここで、XはCl、Br又はIからなる群より選択される少なくとも1つである。)で表される化合物である、[1]〜[11]のいずれかに記載の化合物。
[13]
前記化合物が(CH(NH2)2)3PbX5(ここで、XはCl、Br又はIからなる群より選択される少なくとも1つである。)で表される化合物である、[1]〜[11]のいずれかに記載の化合物。
[14]
前記化合物の結晶構造がペロブスカイト構造である、[1]〜[13]のいずれかに記載の化合物。
[15]
形態が粒子である、[1]〜[14]のいずれかに記載の化合物。
[16]
形態が薄膜である、[1]〜[14]のいずれかに記載の化合物。
[17]
[1]〜[16]のいずれかに記載の化合物の前駆体となる組成物であって、
非プロトン性極性有機溶剤と、前記第14族元素カチオンと、前記有機分子カチオンと、前記第17族元素アニオンと、を含み、
前記組成物における、前記第14族元素カチオンの含有量が0.05モル/L以上、3.0モル/L以下であり、前記有機分子カチオンの含有量が0.05モル/L以上3.0モル/L以下であり、前記第17族元素アニオンの含有量が0.05モル/L以上10.0モル/L以下である、組成物。
[18]
前記組成物に含まれる、前記有機分子カチオンと前記第14族元素カチオンの比(有機分子カチオン/第14族元素カチオン)が1.1以上4以下である、[17]に記載の組成物。
[19]
[1]〜[16]のいずれかに記載の化合物を製造するための方法であって、
[17]又は[18]に記載の組成物を0℃以上160℃以下の温度で加熱する工程を含む、化合物の製造方法。
[20]
[1]〜[16]のいずれかに記載の化合物の半導体材料としての使用。
[21]
[1]〜[16]のいずれかに記載の化合物の太陽電池材料としての使用。
[22]
[1]〜[16]のいずれかに記載の化合物の太陽電池の光吸収層としての使用。
[23]
[1]〜[16]のいずれかに記載の化合物の光センサーとしての使用。
[24]
[1]〜[16]のいずれかに記載の化合物の発光材料としての使用。
[25]
[1]〜[16]のいずれかに記載の化合物の、ペロブスカイト構造を有する(CH(NH2)2)PbX3(ここで、XはCl、Br及びIからなる群より選択される少なくとも1つである。)の前駆体としての使用。
That is, the present invention is as follows.
[1]
A compound containing a cation and an anion,
10 mol% or more and 49 mol% or less of the cations are Group 14 element cations,
51 mol% or more and 90 mol% or less of the cation is a counter cation, wherein 91 mol% or more and 100 mol% or less of the counter cation is a single kind having 1 or more and 2 or less carbon atoms and nitrogen An organic molecular cation having a number of 2 or more and 4 or less,
30 mol% or more and 100 mol% or less of the anions are Group 17 element anions,
The compound, wherein the maximum interplanar spacing in the crystal structure of the compound is 8 Å or more and 30 Å or less.
[2]
The compound according to [1], wherein 95 mole% or more and 100 mole% or less of the counter cation is the organic molecule cation.
[3]
The compound according to [1] or [2], wherein the nitrogen number of the organic molecule cation is 2 or more and 3 or less.
[4]
The compound in any one of [1]-[3] whose carbon number of the said organic molecule cation is one.
[5]
The compound in any one of [1]-[4] in which the said organic molecule cation contains an ammonium group and / or an amine group.
[6]
The compound in any one of [1]-[5] that the said organic molecular cation contains a formamidium cation.
[7]
The compound in any one of [1]-[6] which is 55 to 85 mol% of counter cations among the said cations.
[8]
The compound in any one of [1]-[7] whose 15 mol% or more and 45 mol% or less are group 14 element cations among the said cations.
[9]
The compound in any one of [1]-[8] whose said group 14 element cation is a tin cation and / or a lead cation.
[10]
The compound in any one of [1]-[9] whose 55 mol% or more and 100 mol% or less are group 17 element anions among the said anions.
[11]
The compound according to any one of [1] to [10], wherein the anion of the Group 17 element is at least one selected from the group consisting of a chloride anion, a bromide anion and an iodide anion.
[12]
The compound is a compound represented by (CH (NH 2 ) 2 ) 2 PbX 4 (wherein X is at least one selected from the group consisting of Cl, Br or I), [1] -The compound as described in any one of-[11].
[13]
The compound is a compound represented by (CH (NH 2 ) 2 ) 3 PbX 5 (wherein X is at least one selected from the group consisting of Cl, Br or I), [1] -The compound as described in any one of-[11].
[14]
The compound in any one of [1]-[13] whose crystal structure of the said compound is a perovskite structure.
[15]
The compound in any one of [1]-[14] whose form is particle | grains.
[16]
The compound in any one of [1]-[14] whose form is a thin film.
[17]
It is a composition used as a precursor of the compound in any one of [1]-[16],
An aprotic polar organic solvent, the group 14 element cation, the organic molecule cation, and the group 17 element anion,
The content of the Group 14 element cation in the composition is 0.05 mol / L or more and 3.0 mol / L or less, and the content of the organic molecular cation is 0.05 mol / L or more. The composition, which is 0 mol / L or less and the content of the group 17 element anion is 0.05 mol / L or more and 10.0 mol / L or less.
[18]
The composition according to [17], wherein the ratio of the organic molecular cation to the group 14 element cation (organic molecule cation / group 14 element cation) contained in the composition is 1.1 or more and 4 or less.
[19]
A method for producing a compound according to any one of [1] to [16], wherein
The manufacturing method of a compound including the process of heating the composition as described in [17] or [18] at the temperature of 0 degreeC or more and 160 degrees C or less.
[20]
Use of the compound according to any one of [1] to [16] as a semiconductor material.
[21]
Use of the compound according to any one of [1] to [16] as a solar cell material.
[22]
Use of the compound according to any one of [1] to [16] as a light absorbing layer of a solar cell.
[23]
Use of the compound according to any one of [1] to [16] as a light sensor.
[24]
Use of the compound according to any one of [1] to [16] as a light emitting material.
[25]
(CH (NH 2 ) 2 ) PbX 3 (wherein X is at least one selected from the group consisting of Cl, Br and I), which has a perovskite structure, of the compound according to any one of [1] to [16] Use as a precursor of
本発明に係る化合物は、性能の均一性、光吸収特性及び動作安定性に優れる。 The compound according to the present invention is excellent in the uniformity of the performance, the light absorption property and the operation stability.
以下、本発明を実施するための形態(以下、単に「本実施形態」という。)について、詳細に説明する。以下の本実施形態は本発明を説明するための例示であり、本発明を以下の内容に限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨の範囲内で種々変形して実施できる。 Hereinafter, modes for carrying out the present invention (hereinafter simply referred to as “the present embodiment”) will be described in detail. The following present embodiment is an example for describing the present invention, and is not intended to limit the present invention to the following contents. The present invention can be implemented with various modifications within the scope of the gist.
(化合物)
本実施形態の化合物は、カチオンとアニオンとを含む化合物であって、前記カチオンのうち10モル%以上49モル%以下が第14族元素カチオンであり、前記カチオンの51モル%以上90モル%以下が対カチオンであり、ここで、当該対カチオンのうち、91モル%以上100モル%以下が、単一種類の、炭素数が1以上2以下かつ窒素数が2以上4以下である有機分子カチオンであり、前記アニオンのうち30モル%以上100モル%以下が第17族元素アニオンであり、前記化合物の結晶構造における最大の面間隔が8Å以上30Å以下である。このように構成されているため、本実施形態の化合物は、性能の均一性に優れ、光吸収特性に優れ、動作安定性に優れる。
なお、本明細書において、「性能の均一性に優れる」とは、層状構造を有し、かつ該化合物を構成する主な対カチオンが、単一種類の、炭素数が1以上2以下かつ窒素数が2以上4以下である有機分子カチオンに限られることなどを意味する。
前記「層状構造を有する」とは、前記最大の面間隔が8Å以上30Å以下であることを意味し、前記「主な対カチオン単一種類に限られる」とは、前記該有機分子カチオンが対カチオンのうち91モル%以上である、すなわち、不純物を除く対カチオンが全て前記有機分子カチオンであることなどを意味する。
「光吸収特性に優れる」とは、材料の吸収端が460nm以上1000nm以下であることなどを意味する。
また、「動作安定性に優れる」とは、0℃以上160℃以下で調製できることなどを意味する。
(Compound)
The compound of the present embodiment is a compound containing a cation and an anion, and 10 mol% or more and 49 mol% or less of the cation is a 14th element cation, and 51 mol% or more and 90 mol% or less of the cation Is a counter cation, wherein 91 mol% or more and 100 mol% or less of the counter cations are a single kind of organic molecular cation having 1 or more and 2 or less and 2 or more and 4 or less nitrogen numbers. 30 mol% or more and 100 mol% or less of the anions are Group 17 element anions, and the maximum interplanar spacing in the crystal structure of the compound is 8 Å or more and 30 Å or less. Since it is comprised in this way, the compound of this embodiment is excellent in the uniformity of performance, excellent in a light absorption characteristic, and excellent in operation stability.
In the present specification, “excellent in uniformity of performance” means a layered structure, and the main counter cation constituting the compound is a single kind having 1 to 2 carbon atoms and nitrogen It means that the number is limited to an organic molecular cation having 2 or more and 4 or less.
The phrase “having a layered structure” means that the maximum interplanar spacing is 8 Å or more and 30 Å or less, and the “limited to a single type of main counter cation” means that the organic molecular cation is a pair. It means that it is 91 mol% or more of the cations, that is, all the counter cations excluding the impurities are the organic molecule cations and the like.
The term "excellent in light absorption characteristics" means that the absorption edge of the material is 460 nm or more and 1000 nm or less.
Further, “excellent in operation stability” means that it can be prepared at 0 ° C. or more and 160 ° C. or less.
本実施形態の化合物は、上記のとおり、前記カチオンのうち10モル%以上49モル%以下が第14族元素カチオンである。このように構成されることが、層状構造を形成する観点、光吸収特性を向上させる観点、及び動作安定性を向上させる観点から重要である。光吸収特性に有利となる、及び化合物の結晶化に有利となる観点から、前記14族元素カチオンの含有量は15モル%以上が好ましく、20モル%がより好ましく、25モル%がさらに好ましい。また、対カチオンを多く含むことができる観点から、第14族元素カチオンの含有量は45モル%以下が好ましく、40%以下がより好ましい。 As described above, in the compound of the present embodiment, 10 mol% or more and 49 mol% or less of the cations are group 14 element cations. Such a configuration is important from the viewpoint of forming a layered structure, the viewpoint of improving the light absorption characteristics, and the viewpoint of improving the operation stability. From the viewpoint of being advantageous for light absorption characteristics and being advantageous for crystallization of the compound, the content of the group 14 element cation is preferably 15 mol% or more, more preferably 20 mol%, and still more preferably 25 mol%. Moreover, from a viewpoint that many counter cations can be contained, 45 mol% or less is preferable and, as for content of a 14th group element cation, 40% or less is more preferable.
前記14族元素カチオンは、特に限定されないが、例えば、Si4+、Ge2+、Ge4+、Sn2+、Sn4+、Pb2+が挙げられ、前記第14族元素カチオンと前記第17族元素のアニオンとの八面体構造の形成に有利である観点、前記第14族元素カチオンとアニオンとの共有結合性を大きくすることで、それぞれの状態密度を広げることなどに有利である観点から、2価のカチオンであることが好ましく、具体的には、Ge2+、Sn2+、Pb2+などが好ましい。また、酸化に対して比較的安定である観点から、Sn2+、Pb2+がより好ましく、Pb2+がさらに好ましい。上記のとおり、本実施形態においては、第14族元素カチオンが、錫カチオン及び鉛カチオンの少なくとも一方を含むことが特に好ましい。 Examples of the group 14 element cation include, but are not limited to, Si 4+ , Ge 2+ , Ge 4+ , Sn 2+ , Sn 4+ , and Pb 2+ . From the viewpoint of being advantageous to the formation of the octahedral structure with the anion of the Group 17 element, and from the viewpoint of widening the density of states of each of the Group 14 element cation and the anion by increasing the covalent bondability Therefore, divalent cations are preferable, and specifically, Ge 2+ , Sn 2+ , Pb 2+ and the like are preferable. In addition, from the viewpoint of being relatively stable to oxidation, Sn 2+ and Pb 2+ are more preferable, and Pb 2+ is more preferable. As described above, in the present embodiment, it is particularly preferable that the Group 14 element cation contains at least one of a tin cation and a lead cation.
本実施形態における化合物には、含まれるカチオンうち、51モル%以上90モル%以下の、前記第14族元素カチオンかつ3周期以降の元素カチオン以外のカチオン(本明細書中、「対カチオン」とも表記する)が含まれる。このように構成されることが、層状構造を形成する観点、光吸収特性を向上させる観点、及び動作安定性を向上させる観点から重要である。前記第14族元素カチオンの配列に有利である観点から、化合物に含まれる対カチオンは、55モル%以上が好ましく、60モル%以上がより好ましい。また、前記第14族元素カチオンを多く含むことができる観点から、85モル%以下が好ましく、80モル%以下がより好ましく、75モル%以下がさらに好ましい。 The compound in the present embodiment is a cation other than the group 14 element cation and the element cation of three or more cycles among the contained cations (also referred to as “counter cation” in the present specification). Is included. Such a configuration is important from the viewpoint of forming a layered structure, the viewpoint of improving the light absorption characteristics, and the viewpoint of improving the operation stability. From the viewpoint of being advantageous to the arrangement of the Group 14 element cation, 55 mol% or more is preferable, and 60 mol% or more is more preferable. Further, from the viewpoint of being able to contain a large amount of the Group 14 element cation, 85 mol% or less is preferable, 80 mol% or less is more preferable, and 75 mol% or less is more preferable.
本実施形態において、対カチオンの91モル%以上100モル%以下が、単一種類の、炭素数が1以上2以下かつ窒素数が2以上4以下である有機分子カチオンである。このように構成されることで、該化合物は性能の均一性に優れる。特に、比較的炭素数が少なく、窒素数が多い有機カチオンの比率を増やすことで、共役の形成に有利となることから、有機分子カチオンを形成する結合の強化、及び正に帯電する部位のカチオン性の強化に有利となり、有機分子カチオン自体や該化合物の熱安定性に有利とできる。性能の均一性に優れる観点から、上記有機分子カチオンは、対カチオンのうち、95モル%以上100モル%以下が好ましく、98モル%以上100モル%以下がより好ましく、99モル%以上100モル%以下がさらに好ましい。一方、原料の精製が容易である観点から、上記有機分子カチオンの含有量は、99.999モル%以下が好ましく、99.99モル%以下がより好ましく、99.9モル%以下がさらに好ましい。前記有機分子カチオンを構成する炭素数は、有機分子カチオンを形成する結合の強化、及び正に帯電する部位のカチオン性の強化に有利となる観点から、1であることが好ましい。また、対カチオンに含まれる窒素数は、該化合物の結晶構造の形成に有利である観点から、2以上3以下であることが好ましく、2が最も好ましい。前記有機分子カチオンには、該化合物の形成に有利である観点から、アンモニウム基及び/又はアミン基を有することが好ましい。前記有機分子カチオンの具体例としては、以下に限定されないが、ホルムアミジニウムカチオン、アセトアミジニウムカチオン、グアニジウムカチオン、及びこれらの異性体などが挙げられ、該化合物の結晶構造の形成に有利である観点から、ホルムアミジニウムカチオン、グアニジウムカチオンが好ましく、ホルムアミジニウムカチオンが最も好ましい。 In the present embodiment, 91 mol% to 100 mol% of the counter cation is a single kind of organic molecular cation having 1 to 2 carbon atoms and 2 to 4 nitrogen atoms. By being configured in this manner, the compound is excellent in the uniformity of the performance. In particular, increasing the proportion of organic cations having a relatively low carbon number and a high nitrogen number is advantageous for the formation of conjugation, thus strengthening the bond that forms the organic molecular cation, and the cation of the positively charged site It is advantageous to strengthen the sex and to be advantageous to the organic molecular cation itself and the thermal stability of the compound. From the viewpoint of excellent uniformity of performance, the organic cation is preferably 95 mol% or more and 100 mol% or less, more preferably 98 mol% or more and 100 mol% or less, and more preferably 99 mol% or more and 100 mol% or less. The following are more preferable. On the other hand, from the viewpoint of easy purification of the raw material, the content of the organic molecule cation is preferably 99.999 mol% or less, more preferably 99.99 mol% or less, and still more preferably 99.9 mol% or less. The number of carbon atoms constituting the organic molecule cation is preferably 1 from the viewpoint of strengthening the bond forming the organic molecule cation and the cation enhancement of the positively charged site. In addition, the number of nitrogen contained in the counter cation is preferably 2 or more and 3 or less, and most preferably 2 from the viewpoint of being advantageous for the formation of the crystal structure of the compound. The organic molecule cation preferably has an ammonium group and / or an amine group from the viewpoint of being advantageous for the formation of the compound. Specific examples of the organic molecular cation include, but are not limited to, formamidinium cation, acetamidinium cation, guanidinium cation, and isomers thereof, and the like, for forming a crystal structure of the compound. From the viewpoint of being advantageous, formamidinium cations and guanidinium cations are preferred, and formamidinium cations are most preferred.
本実施形態において、化合物の対カチオンに、無機物カチオンを含むことができる。無機物カチオンには、金属クラスターカチオンや、単一元素カチオンが挙げられ、製造が容易である観点から、単一元素カチオンであることが好ましい。例えば、前記対カチオンに含まれる単一元素カチオンは、耐熱性に有利である観点、ぺロブスカイト構造の歪みを緩和できる観点から、化合物を構成する対カチオンのうち、1モル%以上含むことができる。ペロブスカイト構造の形成に有利である観点から、第1族元素、第2族元素、及び第3族元素からなる群より選択されるいずれかの元素が好ましく、第1族元素からなる群より選択されるいずれかの元素がより好ましい。具体的には、リチウム、カリウム、ナトリウム、ルビジウム、セシウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、スカンジウム、ランタン、セリウム、スカンジウムなどが挙げられ、ペロブスカイト構造形成に有利である観点から、リチウム、カリウム、ナトリウム、ルビジウム、セシウム、などが好ましく、ルビジウム、セシウムがさらに好ましく、セシウムが最も好ましい。 In the present embodiment, inorganic cations can be included in the counter cations of the compound. The inorganic cations include metal cluster cations and single element cations, and are preferably single element cations from the viewpoint of easy production. For example, the single-element cation contained in the counter cation can contain 1 mol% or more of the counter cations constituting the compound from the viewpoint of being advantageous to heat resistance and from the viewpoint of being able to relieve distortion of the perovskite structure. . From the viewpoint of being advantageous to the formation of the perovskite structure, any element selected from the group consisting of Group 1 elements, Group 2 elements, and Group 3 elements is preferable, and is selected from the group consisting of Group 1 elements Is more preferable. Specifically, lithium, potassium, sodium, rubidium, cesium, magnesium, calcium, strontium, barium, scandium, lanthanum, cerium, scandium and the like can be mentioned, and lithium, potassium, sodium from the viewpoint of formation of the perovskite structure Rubidium, cesium and the like are preferable, rubidium and cesium are more preferable, and cesium is most preferable.
化合物のカチオンの種類は、性能の均一性に優れる観点から、少ないことが好ましい。例えば、全カチオンのうち1種類の第14族カチオンと、1種類の対カチオンとの計2種類のみから構成される化合物であることが最も好ましい。 The number of types of cation of the compound is preferably small from the viewpoint of excellent uniformity of performance. For example, it is most preferable that the compound is constituted of only two kinds of the group 14 cation of one kind of all cations and one kind of counter cation in total.
化合物を構成するアニオンは、結晶性の向上に有利である観点から、含まれるアニオンの総量に対して、第17族元素のアニオンを30モル%以上100モル%以下含むことが好ましい。結晶性の向上に有利である観点から、55モル%以上100モル%以下含むことがより好ましく、70モル%以上100モル%以下含むことがさらに好ましく、80モル%以上100モル%以下含むことがさらに好ましい。具体的な第17族元素としては、特に限定されないが、例えば、ヨウ素、臭素、塩素、フッ素等が挙げられ、バンドギャップを小さくすることに有利である観点から、ヨウ素、臭素、塩素が好ましく、ヨウ素、臭素がより好ましく、ヨウ素がさらに好ましい。また、分子アニオンを含むことができ、具体的な分子アニオンとしては、特に限定されないが、例えば、炭素と窒素を含む分子アニオンや無機分子アニオンなどが挙げられる。具体的には、シアン化物アニオン、シアネートアニオン、チオシアネートアニオン、セレノシアネートアニオン、BF4 -アニオン、PF6 -アニオン、CF3COO-アニオンなどが挙げられる。 It is preferable that the anion which comprises a compound contains 30 mol% or more and 100 mol% or less of the anion of a group 17 element with respect to the total amount of the anion contained from a viewpoint which is advantageous to crystallinity improvement. From the viewpoint of being advantageous to the improvement of crystallinity, it is more preferable to contain 55 mol% or more and 100 mol% or less, further preferably 70 mol% or more and 100 mol% or less, and contained 80 mol% or more and 100 mol% or less More preferable. Specific Group 17 elements are not particularly limited, and include, for example, iodine, bromine, chlorine, fluorine and the like, and iodine, bromine and chlorine are preferable from the viewpoint of being advantageous in reducing the band gap, More preferred are iodine and bromine, and more preferred is iodine. Further, it may contain a molecular anion, and a specific molecular anion is not particularly limited, and examples thereof include a molecular anion containing carbon and nitrogen, an inorganic molecular anion, and the like. Specifically, cyanide anion, cyanate anion, thiocyanate anion, selenocyanate anion, BF 4 - anion, PF 6 - anion, CF 3 COO - anion and the like can be mentioned.
本実施形態の化合物の結晶構造における最大の面間隔は8Å以上30Å以下である。このような結晶構造となることで、性能の均一性に優れる。性能の均一性により優れる観点から、化合物の結晶構造における最大の面間隔は10Å以上が好ましく、12Å以上がより好ましい。また、吸収端を長波長にし、バンドギャップを小さくすることに有利である観点から、20Å以下が好ましく、15Å以下がより好ましい。化合物の結晶構造における最大の面間隔は、後述する実施例に記載の方法により測定することができる。また、例えば、後述する好ましい化合物の製造方法を採用すること等により、化合物の結晶構造における最大の面間隔を上記範囲に調整することができる。
該化合物は、電子や正孔などのキャリアの拡散に有利である観点や、バンドギャップを小さくすることに有利である観点や、光などによる励起キャリア(電子や正孔など)の長寿命化に有利である観点から、ペロブスカイト構造を有することが好ましい。ペロブスカイト構造を有する化合物は、Aサイト及びBサイトのカチオンと、Xサイトのアニオンとから構成される。そのような化合物の例としては、一般式がA2BX4を挙げることができ、この例において、例えばAサイトのカチオンはCH(NH2)2 +に、BサイトのカチオンはPb2+に、XサイトのアニオンはI-に、それぞれとして対応する。Bサイトのカチオンは、Xサイトのアニオンに6配位で結合しており、対称又は非対称な8面体を形成しており、この8面体構造は平面構造に、又は3次元構造に頂点共有している。
この結晶構造ないし結晶子径は、X線結晶構造解析や透過型電子顕微鏡像の格子像などにより評価することができる。具体的には、後述する実施例に記載の方法に基づいて評価することができる。また、上記結晶構造は、例えば、後述する好ましい化合物の製造方法に従う等により得ることができる。ペロブスカイト構造であるかの評価の方法として、例えば、Pb2+カチオンとI-カチオンとによる八面体構造の頂点共有した面間隔由来のXRDの回折角である2θ=14〜15°の回折ピークなどから判定できる。
The maximum interplanar spacing in the crystal structure of the compound of this embodiment is 8 Å or more and 30 Å or less. With such a crystal structure, the uniformity of the performance is excellent. From the viewpoint of being more excellent in uniformity of performance, the maximum interplanar spacing in the crystal structure of the compound is preferably 10 Å or more, and more preferably 12 Å or more. Further, from the viewpoint of making the absorption edge a long wavelength and reducing the band gap, 20 Å or less is preferable, and 15 Å or less is more preferable. The maximum interplanar spacing in the crystal structure of the compound can be measured by the method described in the examples described later. In addition, for example, the maximum interplanar spacing in the crystal structure of the compound can be adjusted to the above range by adopting a method for producing a preferable compound described later.
The compound is advantageous in diffusion of carriers such as electrons and holes, and advantageous in reducing the band gap, and for prolonging the life of excited carriers (electrons, holes and the like) by light and the like. From the viewpoint of being advantageous, it is preferable to have a perovskite structure. The compound having a perovskite structure is composed of cations of A site and B site and an anion of X site. Examples of such compounds may be general formula include A 2 BX 4, in this example, for example the cation of the A site is CH (NH 2) 2 +, B site cations in Pb 2+ , the anion of X site I - to correspond as respectively. The cation at the B site is six-coordinated to the anion at the X site to form a symmetric or asymmetric octahedron, and this octahedron structure is vertex-shared with a planar structure or a three-dimensional structure. There is.
The crystal structure or crystallite diameter can be evaluated by X-ray crystal structure analysis or a lattice image of a transmission electron microscope image. Specifically, it can be evaluated based on the method described in the examples described later. In addition, the above-mentioned crystal structure can be obtained, for example, according to the method for producing a preferable compound described later. As a method of evaluating whether it is a perovskite structure, for example, a diffraction peak of 2θ = 14 to 15 °, which is a diffraction angle of an XRD derived from the spacing shared by the apex of the octahedral structure by Pb 2+ cation and I − cation, etc. It can be determined from
化合物のバンドギャップは、太陽光などに多く含まれる長波長の可視光を利用できる観点から、小さいことが好ましい。特に、太陽光の利用のためには、長波長の光の利用が重要となる。具体的には、2.6eV以下が好ましく、2.5eV以下がより好ましく、2.4eV以下がさらに好ましい。一方、光励起キャリアの起電圧が小さくなる観点から、バンドギャップは、1.0eV以上が好ましく、1.2eV以上がより好ましく、1.4eV以上がさらに好ましい。 The band gap of the compound is preferably small from the viewpoint of being able to use visible light of a long wavelength, which is often contained in sunlight and the like. In particular, the use of long wavelength light is important for the use of sunlight. Specifically, 2.6 eV or less is preferable, 2.5 eV or less is more preferable, and 2.4 eV or less is more preferable. On the other hand, from the viewpoint of reducing the electromotive force of photoexcited carriers, the band gap is preferably 1.0 eV or more, more preferably 1.2 eV or more, and still more preferably 1.4 eV or more.
化合物の吸収端は、太陽光などに多く含まれる長波長の可視光を利用できる観点から、長波長であることが好ましい。特に、太陽光の利用のためには、長波長の光の利用が重要となる。具体的には、460nm以上が好ましく、480nm以上がより好ましく、500nm以上がさらに好ましく、530nm以上が最も好ましい。 The absorption edge of the compound is preferably a long wavelength from the viewpoint of being able to use visible light of a long wavelength contained in a large amount of sunlight or the like. In particular, the use of long wavelength light is important for the use of sunlight. Specifically, 460 nm or more is preferable, 480 nm or more is more preferable, 500 nm or more is more preferable, and 530 nm or more is most preferable.
本実施形態の化合物は、様々な形態をとりうるが、取り扱いが容易である観点や、積層構造に有利である観点から、粒子や薄膜の形態であることが好ましい。 The compound of the present embodiment can take various forms, but is preferably in the form of particles or a thin film from the viewpoint of easy handling and the viewpoint of being advantageous to the laminated structure.
(化合物の製造方法)
本実施形態の化合物の製造方法としては、特に限定されないが、例えば、後述する所定の原料を用い、所定の工程を経るものとすることができる。本実施形態の化合物の原料としては、該化合物を構成する元素を含む物質であれば特に限定されず、種々の物質を原料として用いることができる。特に、低温相の化合物を得ることができ、動作安定性に優れる化合物を得られる観点から、本実施形態の化合物の前駆体となる組成物であって、所定の濃度及びモル比率の前記カチオンと前記アニオンとを含む組成物を調製する工程を含むことが好ましく、さらに前記組成物を比較的低温で加熱する工程を含むことがより好ましい。より具体的には、上記組成物は、非プロトン性極性有機溶剤と、前記第14族元素カチオンと、前記有機分子カチオンと、前記第17族元素アニオンと、を含み、前記組成物における、前記第14族元素カチオンの含有量が0.05モル/L以上、3.0モル/L以下であり、前記有機分子カチオンの含有量が0.05モル/L以上3.0モル/L以下であり、前記第17族元素アニオンの含有量が0.05モル/L以上10.0モル/L以下であることが好ましい。また、前記組成物に含まれる、有機分子カチオンと第14族元素カチオンの比(有機分子カチオン/第14族元素カチオン)が1.1以上4以下であることがより好ましい。
また、本実施形態の化合物の製造方法としては、上述の組成物を0℃以上160℃以下で加熱する工程を含むことが、さらに好ましい。化合物の結晶構造に8Å以上30Å以下の層状構造を含ませるためには、前駆体に所定の濃度及びモル比率の前記カチオンと前記アニオンとを含むことが重要となる。前記所定の前駆体によれば、該化合物を0℃以上160℃以下で加熱する工程を含むことで製造できる。すなわち、動作安定性に優れるようになる。
(Method for producing compound)
Although it does not specifically limit as a manufacturing method of the compound of this embodiment, For example, it can pass through a predetermined | prescribed process using the predetermined | prescribed raw material mentioned later. The raw material of the compound of the present embodiment is not particularly limited as long as it is a substance containing an element constituting the compound, and various substances can be used as the raw material. In particular, from the viewpoint of being able to obtain a compound in the low temperature phase and obtaining a compound excellent in operation stability, it is a composition to be a precursor of the compound of the present embodiment, and is a composition having a predetermined concentration and molar ratio It is preferable to include the step of preparing a composition containing the anion, and it is more preferable to include the step of heating the composition at a relatively low temperature. More specifically, the composition comprises an aprotic polar organic solvent, the group 14 element cation, the organic molecule cation, and the group 17 element anion, in the composition The content of the cation of the Group 14 element is 0.05 mol / L or more and 3.0 mol / L or less, and the content of the organic molecular cation is 0.05 mol / L or more and 3.0 mol / L or less The content of the Group 17 element anion is preferably 0.05 mol / L or more and 10.0 mol / L or less. Further, the ratio of the organic molecular cation to the Group 14 element cation (organic molecular cation / Group 14 element cation) contained in the composition is more preferably 1.1 or more and 4 or less.
Moreover, it is more preferable that the manufacturing method of the compound of this embodiment includes the process of heating the above-mentioned composition at 0 degreeC or more and 160 degrees C or less. In order to include a layered structure of 8 Å to 30 Å in the crystal structure of the compound, it is important that the precursor contains the cation and the anion at a predetermined concentration and molar ratio. According to the said predetermined precursor, it can manufacture by including the process of heating this compound at 0 degreeC or more and 160 degrees C or less. That is, the operation stability is excellent.
上記の他、本実施形態の化合物を製造するための原料として、金属ハロゲン化物を用いることができる。金属ハロゲン化物の具体例としては、以下に限定されないが、塩化鉛、臭化鉛、ヨウ化鉛などが挙げられ、得られる本実施形態の化合物の形成に有利である観点、バンドギャップを小さくするために有利である観点から、臭化鉛、ヨウ化鉛が好ましく、ヨウ化鉛がより好ましい。 In addition to the above, metal halides can be used as raw materials for producing the compound of the present embodiment. Specific examples of the metal halide include, but are not limited to, lead chloride, lead bromide, lead iodide and the like, which are advantageous for the formation of the obtained compound of the present embodiment, and the band gap is reduced. From the viewpoint of being advantageous, lead bromide and lead iodide are preferred, and lead iodide is more preferred.
本実施形態の化合物の原料とすることが好ましい塩は、所定の酸と塩基から得ることができ、当該酸がハロゲン化水素などであり、当該塩基が炭素数1以上2以下かつ窒素数2以上4以下である有機アミンに由来する成分である塩等が挙げられる。
また、前記有機アミンに由来する成分としては、得られる本実施形態の化合物の結晶構造の形成が容易になり、性能の均一性に優れる観点から、当該有機アミンの炭素数が1であることがより好ましく、当該有機アミンの窒素数が2以上3以下であることがより好ましく、2であることが最も好ましい。
A salt preferably used as a raw material of the compound of the present embodiment can be obtained from a predetermined acid and a base, and the acid is a hydrogen halide or the like, and the base has 1 or more and 2 or less and 2 or more nitrogen atoms. The salt etc. which are components derived from the organic amine which is four or less are mentioned.
In addition, as the component derived from the organic amine, the formation of the crystal structure of the compound of the present embodiment to be obtained becomes easy, and the carbon number of the organic amine is 1 from the viewpoint of excellent uniformity of performance. The nitrogen number of the organic amine is more preferably 2 or more and 3 or less, and most preferably 2 or more.
上記塩基とハロゲン化水素との塩の具体例としては、以下に限定されないが、ホルムアミジン・塩化水素塩、ホルムアミジン・ヨウ化水素塩、ホルムアミジン・臭化水素塩、アセトアミジン・塩化水素塩、アセトアミジン・ヨウ化水素塩、アセトアミジン・臭化水素塩、グアニジン・塩化水素塩、グアニジン・ヨウ化水素塩、グアニジン・臭化水素塩、などが挙げられ、該化合物の形成が容易になる観点から、ホルムアミジン・塩化水素塩、ホルムアミジン・ヨウ化水素塩、ホルムアミジン・臭化水素塩、が好ましい。 Specific examples of salts of the above bases and hydrogen halides include, but are not limited to, formamidine hydrogen chloride, formamidine hydrogen iodide, formamidine hydrobromide, acetamidine hydrogen chloride And acetamidine hydroiodide, acetamidine hydrobromide, guanidine hydrochloride, guanidine hydroiodide, guanidine hydrobromide, and the like, which facilitates the formation of the compound. From the viewpoint, formamidine hydrochloride, formamidine hydroiodide, formamidine hydrobromide are preferable.
本実施形態の化合物は、溶剤を用いない方法、又は溶剤を用いる方法により製造することもできる。溶剤を用いない方法として、以下に限定されないが、例えば、蒸着法、固相法などが挙げられる。組成が均一な化合物を製造する観点から、本実施形態の化合物は、溶剤を用いる方法、すなわち、前記原料を溶剤に溶解させた溶液から、溶剤を除去することで結晶化させる方法で製造することが好ましい。すなわち、本実施形態に係る化合物の製造方法は、上述した所定のカチオンとアニオンとを含む物質を、非プロトン性有機溶剤に溶解させて溶液を得る工程と、当該溶液から溶剤を除去する工程と、を含むことが好ましい。上記において、本実施形態の化合物の好適な原料である第14族元素ハロゲン化物の溶解に有利である観点から、溶剤として非プロトン性有機溶剤を用いる。具体的には、ジメチルホルムアミド(以降、DMFと記す。)、ジメチルスルホキシド(以降、DMSOと記す。)、γブチロラクトンなどが好ましく、第14族元素ハロゲン化物の溶解に優れる観点から、DMF、DMSOがより好ましい。 The compound of the present embodiment can also be produced by a method using no solvent or a method using a solvent. As a method which does not use a solvent, although not limited to the following, for example, a vapor deposition method, a solid phase method and the like can be mentioned. From the viewpoint of producing a compound having a uniform composition, the compound of the present embodiment is produced by a method using a solvent, that is, a method of crystallization by removing the solvent from a solution in which the raw material is dissolved in the solvent. Is preferred. That is, the method for producing a compound according to this embodiment comprises the steps of: dissolving a substance containing the predetermined cation and anion described above in an aprotic organic solvent to obtain a solution; and removing the solvent from the solution Preferably,. In the above, from the viewpoint of being advantageous for the dissolution of the Group 14 element halide, which is a preferable raw material of the compound of the present embodiment, an aprotic organic solvent is used as the solvent. Specifically, dimethylformamide (hereinafter referred to as DMF), dimethylsulfoxide (hereinafter referred to as DMSO), γ-butyrolactone and the like are preferable, and from the viewpoint of excellent dissolution of the Group 14 element halide, DMF and DMSO are preferable. More preferable.
前記原料を用いて、該化合物の前駆体となる組成物を調製する工程を含むことが好ましい。かかる組成物としては、具体的には、非プロトン性極性有機溶剤と、前記第14族元素カチオンと、前記有機分子カチオンと、前記第17族元素アニオンと、を含み、前記組成物における、前記第14族元素カチオンの含有量が0.05モル/L以上、3.0モル/L以下であり、前記有機分子カチオンの含有量が0.05モル/L以上3.0モル/L以下であり、前記第17族元素アニオンの含有量が0.05モル/L以上10.0モル/L以下であるものなどが挙げられる。該組成物は、前記条件を満たすことで、原料の溶剤への溶解性にも優れるため、製造条件制御の必要性を緩和することや、製造する化合物の均一性を向上することができる。該化合物の性能の均一性に優れ、光吸収特性に優れ、動作安定性に優れる観点から、前記組成物に含まれる第14族元素カチオンは、0.2モル/L以上2.0モル/L以下がより好ましく、0.5モル/L以上1.5モル/L以下がさらに好ましく、前記有機分子カチオンが、0.2モル/L以上2.0モル/L以下がより好ましく、0.5モル/L以上1.5モル/L以下がさらに好ましく、前記第17族元素アニオンが0.5モル/L以上7.0モル/L以下がより好ましく、1.0モル/L以上4.0モル/L以下がさらに好ましい。また、前記原料の溶解性に優れる観点、該化合物の形成に有利である観点から、前記非プロトン性有機溶剤は、γブチロラクトン、DMF、DMSOなどが好ましい。 It is preferable to include the process of preparing the composition used as the precursor of this compound using the said raw material. Specifically, the composition includes an aprotic polar organic solvent, the group 14 element cation, the organic molecule cation, and the group 17 element anion, and the composition in the composition The content of the cation of the Group 14 element is 0.05 mol / L or more and 3.0 mol / L or less, and the content of the organic molecular cation is 0.05 mol / L or more and 3.0 mol / L or less And the content of the Group 17 element anion is 0.05 mol / L or more and 10.0 mol / L or less. Since the composition is excellent in the solubility of the raw material in the solvent by satisfying the above conditions, it is possible to alleviate the necessity of controlling the production conditions and to improve the uniformity of the compound to be produced. From the viewpoint of excellent uniformity of the performance of the compound, excellent light absorption characteristics, and excellent operation stability, the cation of Group 14 element contained in the composition is 0.2 mol / L or more and 2.0 mol / L or more. The following is more preferable, 0.5 mol / L or more and 1.5 mol / L or less is more preferable, and the organic molecular cation is 0.2 mol / L or more and 2.0 mol / L or less is more preferable 0.5 More preferably, mol / L to 1.5 mol / L, more preferably 0.5 mol / L to 7.0 mol / L of the group 17 element anion, and 1.0 mol / L to 4.0. Mole / L or less is more preferable. Further, from the viewpoint of excellent solubility of the raw material and the viewpoint of being advantageous for the formation of the compound, the aprotic organic solvent is preferably γ-butyrolactone, DMF, DMSO or the like.
性能の均一性に優れ、光吸収特性に優れ、動作安定性に優れる観点から、前記組成物に含まれる、有機分子カチオンと第14族元素カチオンの比(有機分子カチオン/第14族元素カチオン)が1.2以上4以下であることがより好ましく、1.3以上3以下であることがさらに好ましい。 The ratio of organic molecular cation to Group 14 element cation contained in the composition (organic molecule cation / group 14 element cation) from the viewpoint of excellent uniformity of performance, excellent light absorption characteristics, and excellent operation stability. Is more preferably 1.2 or more and 4 or less, and still more preferably 1.3 or more and 3 or less.
上記のように調製された溶液から溶剤を除く工程をさらに実施することで化合物を製造する方法がとりわけ好ましい。前記溶液から溶剤を除く工程としては、特に限定されないが、例えば、加熱により溶剤を蒸発除去する工程、貧溶媒と接触や混合することで、良溶媒である溶剤を除去する工程が挙げられる。 Particularly preferred is a method of producing a compound by further carrying out the step of removing the solvent from the solution prepared as described above. The step of removing the solvent from the solution is not particularly limited, but examples thereof include a step of evaporating and removing the solvent by heating, and a step of removing the solvent which is a good solvent by contacting or mixing with a poor solvent.
動作安定性に優れる観点から、前記前駆体の加熱温度は、0℃以上160℃以下であることが好ましい。反応速度に有利である観点から、前記加熱温度は、20℃以上がより好ましく、40℃以上がさらに好ましい。動作安定性に優れる観点から、140℃以下がより好ましく、120℃以下がさらに好ましい。 It is preferable that the heating temperature of the said precursor is 0 degreeC or more and 160 degrees C or less from a viewpoint which is excellent in operation | movement stability. From the viewpoint of being advantageous to the reaction rate, the heating temperature is more preferably 20 ° C. or more, and still more preferably 40 ° C. or more. From the viewpoint of excellent operation stability, 140 ° C. or less is more preferable, and 120 ° C. or less is more preferable.
該化合物を製造するための原料の固定化、例えば薄膜形態の化合物の製造方法としては、以下に限定されないが、溶液を用いた、スピンコート法、スプレー法、液相反応法などが挙げられる。溶液の引火などの危険性が少ない、及び/又は調製方法の調整が容易である観点から、スピンコート法が好ましい。また、過剰な溶媒の除去や、核生成を促進する観点から、貧溶媒を用いて結晶生成をすることが好ましい。貧溶媒は、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、クロロベンゼン、トルエンなどが挙げられる。 Immobilization of raw materials for producing the compound, for example, a method of producing the compound in the form of a thin film is not limited to the following, but may be a spin coating method, a spray method, a liquid phase reaction method or the like using a solution. The spin coating method is preferred from the viewpoint of reducing the risk of solution ignition and / or easy preparation of the preparation method. In addition, from the viewpoint of removing excess solvent and promoting nucleation, it is preferable to form crystals using a poor solvent. Poor solvents include dimethyl ether, diethyl ether, chlorobenzene, toluene and the like.
該化合物を製造する雰囲気は、特に限定されず、例えば、大気中や不活性雰囲気中で調製できるが、より簡便に調製できる観点から、大気中で調製することが好ましい。 The atmosphere for producing the compound is not particularly limited. For example, although the atmosphere can be prepared in the air or in an inert atmosphere, it is preferable to prepare in the air from the viewpoint of easier preparation.
(用途)
本実施形態の化合物は、半導体材料として利用することができる。本実施形態における半導体材料とは、価電子帯上端と伝導帯下端とのエネルギー差を有する材料などが挙げられる。
(Use)
The compound of the present embodiment can be used as a semiconductor material. Examples of the semiconductor material in the present embodiment include materials having an energy difference between the upper end of the valence band and the lower end of the conduction band.
該化合物は、他の用途に用いることもできる。具体的には、電子又は正孔又はイオンを伝導する材料や、光吸収による光励起キャリアの生成を利用する材料、及びその再結合による発光を利用する材料などであり、より具体的には、太陽電池材料用、太陽電池の光吸収層用、光センサー用、光触媒用、発光材料、イオン伝導材料、導電性材料、圧電素子、パワーデバイスなどである。本実施形態でのイオンとは、該材料を構成するカチオン又はアニオンのことを指す。太陽光に含まれる波長の光を吸収できる観点から、太陽電池の光吸収層用の化合物であることが好ましい。また、層状構造により励起子の束縛エネルギーが大きくなっているため、発光に有利である観点から、発光材料としての利用が好ましい。さらに、特定波長の光を利用できる観点から、光センサーとして利用することが好ましい。 The compounds can also be used for other applications. Specifically, materials that conduct electrons or holes or ions, materials that use the generation of photoexcited carriers by light absorption, materials that use light emission due to their recombination, etc. They are for battery materials, for light absorbing layers of solar cells, for light sensors, for photocatalysts, light emitting materials, ion conductive materials, conductive materials, piezoelectric elements, power devices and the like. The ion in this embodiment refers to the cation or anion which comprises this material. It is preferable that it is a compound for light absorption layers of a solar cell from a viewpoint which can absorb the light of the wavelength contained in sunlight. In addition, since the binding energy of excitons is increased by the layered structure, it is preferable to use as a light emitting material from the viewpoint of being advantageous for light emission. Furthermore, from the viewpoint of being able to use light of a specific wavelength, it is preferable to use it as an optical sensor.
本実施形態の化合物は、優れた光吸収特性を有するため、該化合物を含む太陽電池セル、特光吸収層に該化合物を含む太陽電池セルとして適用することが好ましく、さらに、光電流密度、開放電圧、フィルファクターの少なくとも一つを向上させることができる。さらに、当該化合物が有する光吸収特性と前記太陽電池セルとしての各パラメーターの向上と相俟って太陽光変換効率を向上させることができる。 Since the compound of the present embodiment has excellent light absorption properties, it is preferably applied to a solar battery cell containing the compound, a solar cell containing the compound in the special light absorption layer, and further, photocurrent density, open Voltage and / or fill factor can be improved. Furthermore, it is possible to improve the solar light conversion efficiency in combination with the light absorption characteristics of the compound and the improvement of each parameter as the solar battery cell.
本実施形態の化合物は、ペロブスカイト構造の(CH(NH2)2)PbI3の前駆体とすることもできる。例えば、本実施形態の化合物を165℃以上250℃以下、1分以上5時間以下で加熱することで、PbI2などの不純物の少ない、ペロブスカイト構造の(CH(NH2)2)PbI3を製造することができる。前記加熱温度は、相転移の反応速度を向上させる観点から、175℃以上が好ましく、185℃以上がより好ましく、化合物を構成する成分の過剰な分解を制御する観点から、220℃以下が好ましく、200℃以下がより好ましい。また、前記加熱時間は、十分に相転移を進行させる観点から、5分以上が好ましく、10分以上がより好ましく、化合物を構成する成分の過剰な分解を制御する観点から、2時間以下が好ましく、1時間以下がより好ましい。 The compound of the present embodiment can also be a precursor of (CH (NH 2 ) 2 ) PbI 3 having a perovskite structure. For example, by heating the compound of the present embodiment at 165 ° C. or more and 250 ° C. or less and 1 minute or more and 5 hours or less, (CH (NH 2 ) 2 ) PbI 3 having a perovskite structure with few impurities such as PbI 2 is produced. can do. The heating temperature is preferably 175 ° C. or more, more preferably 185 ° C. or more, from the viewpoint of improving the reaction rate of phase transition, and preferably 220 ° C. or less from the viewpoint of controlling excessive decomposition of components constituting the compound. 200 degrees C or less is more preferable. The heating time is preferably 5 minutes or more, more preferably 10 minutes or more, from the viewpoint of sufficiently advancing the phase transition, and preferably 2 hours or less from the viewpoint of controlling excessive decomposition of the components constituting the compound. 1 hour or less is more preferable.
(構成)
本実施形態の化合物は、キャリア移動の異方性に優れる観点から、電子輸送材と接触していることが好ましい。ここでいう電子輸送材とは、電子の有効質量の方が、正孔のものよりも小さい半導体などであり、電子の輸送に有利な材料などである。該化合物が薄膜のとき、接触面積を大きくすることで電子の移動に有利となる観点から、接触している電子輸送材も薄膜であることが好ましい。電子輸送材には、有機物や無機物を含む態様が挙げられるが、強度が高いことで、該化合物と合わせた強度が高くなる観点から、電子輸送材は無機物を含むことが好ましく、物性の調整が比較的容易である観点から、金属化合物であることがより好ましい。大気中で比較的容易に製造、及び保存できる観点から、電子輸送材は金属酸化物であることが、さらに好ましい。金属酸化物の具体例としては、以下に限定されないが、酸化チタン、酸化ニオブ、酸化タングステン、酸化錫、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化マグネシウムなどを挙げることができ、電子の有効質量が小さい観点から、酸化チタン及び酸化ニオブが好ましく、材料が豊富で安価である観点から、酸化チタンがとりわけ好ましい。電子輸送材のピンホールなどの欠陥を少なくする観点から、電子輸送材に、前駆体材料を吸着、反応させる処理を施すことが好ましい。具体的には、塩化チタン種を電子輸送材に吸着後、加水分解させ酸化チタンを結着させる処理(以降、TiCl4処理と記す。)を施すことが好ましい。
(Constitution)
It is preferable that the compound of the present embodiment is in contact with the electron transporting material from the viewpoint of being excellent in carrier transfer anisotropy. The electron transporting material referred to here is a semiconductor or the like in which the effective mass of electrons is smaller than that of holes, and is a material or the like advantageous for the transport of electrons. When the compound is a thin film, it is preferable that the electron transporting material in contact is also a thin film, from the viewpoint of increasing the contact area to be advantageous for the movement of electrons. The electron transporting material includes an embodiment containing an organic substance or an inorganic substance, but the electron transporting material preferably contains an inorganic substance from the viewpoint that the strength combined with the compound is high because the strength is high; From the viewpoint of relative ease, metal compounds are more preferable. It is more preferable that the electron transporting material is a metal oxide from the viewpoint of being relatively easy to manufacture and store in the atmosphere. Specific examples of the metal oxide include, but are not limited to, titanium oxide, niobium oxide, tungsten oxide, tin oxide, aluminum oxide, silicon oxide, magnesium oxide and the like, and from the viewpoint of a small effective mass of electrons Titanium oxide and niobium oxide are preferable, and titanium oxide is particularly preferable from the viewpoint of being abundant in materials and inexpensive. From the viewpoint of reducing defects such as pinholes of the electron transporting material, it is preferable to subject the electron transporting material to a process of adsorbing and reacting a precursor material. Specifically, it is preferable to apply a treatment (hereinafter referred to as a TiCl 4 treatment) to adsorb titanium chloride species onto an electron transport material and then hydrolyze it to bind titanium oxide.
本実施形態の化合物は、キャリア移動の異方性を有することができる観点から、正孔輸送材と接触していることが好ましい。ここでいう正孔輸送材とは、正孔の有効質量の方が電子のものよりも小さい半導体などであり、正孔の輸送に有利な材料などである。該化合物が薄膜のとき、接触面積を大きくすることで電子の移動に有利となる観点から、接触している正孔輸送材も薄膜であることが好ましい。正孔輸送材は、有機物や無機物を含むことが挙げられるが、材料が柔らかいことで、曲りによる膜の欠陥を形成しにくくなる観点から、正孔輸送材は有機物を含むことが好ましく、有機物の具体例としては、有機分子の集合体や、有機高分子が挙げられる。より具体的には、Spiro−OMeTAD、ポリ(3−ヘキシルチオフェン−2,5−ジイル)(:P3HT)、ポリ[ビス(4−フェニル)(2,4,6−トリメチルフェニル)アミン](:PTAA)、N,N−ビス(3−メチルフェニル)―N,N−ジフェニルベンジジン(:TPD)、N,N−ジ[(1−ナフチル)―N,N−ジフェニル]−1,1−ビフェニル)−4,4−ジアミン(:NPD)、トリス(4−カルバゾイル−9−イルフェニル)アミン(:TCTA)、ポリ(9−ビニルカルバゾール)(:PVK)、4,4−ビス(N−カルバゾリル)−1,1−ビフェニル(:CBP)などが挙げられ、などが挙げられ、HOMOの準位が比較的深く、p型材料とオーミックコンタクトを形成することに有利であることや、キャリア密度を高くでき、正孔の輸送に有利とできることや、起電圧を大きくできる観点から、Spiro−OMeTADが好ましい。Spiro−OMeTADはLiTFSIや酸化材を混合するなどして、ドープ処理を施したものが、導電性に優れる観点から好ましい。 The compound of the present embodiment is preferably in contact with the hole transport material from the viewpoint of being able to have carrier transfer anisotropy. The hole transport material referred to here is a semiconductor or the like in which the effective mass of the hole is smaller than that of the electron, and is a material or the like advantageous for the transport of the hole. When the compound is a thin film, it is preferable that the hole transporting material in contact is also a thin film, from the viewpoint of increasing the contact area to be advantageous for the movement of electrons. The hole transport material may include an organic substance or an inorganic substance, but the hole transport material preferably contains an organic substance from the viewpoint of making it difficult to form a film defect due to bending when the material is soft. Specific examples include aggregates of organic molecules and organic polymers. More specifically, Spiro-OMeTAD, poly (3-hexylthiophene-2,5-diyl) (: P3HT), poly [bis (4-phenyl) (2,4,6-trimethylphenyl) amine] (: PTAA), N, N-bis (3-methylphenyl) -N, N-diphenylbenzidine (: TPD), N, N-di [(1-naphthyl) -N, N-diphenyl] -1,1-biphenyl ) -4,4-diamine (: NPD), tris (4-carbazoyl-9-ylphenyl) amine (: TCTA), poly (9-vinylcarbazole) (: PVK), 4,4-bis (N-carbazolyl) And the like, and it is advantageous to form an ohmic contact with a p-type material, since the HOMO level is relatively deep. The carrier density can be increased, it can be advantageous for hole transport and, from the viewpoint of increasing the electromotive force, Spiro-OMeTAD are preferred. Spiro-OMeTAD is preferably doped with LiTFSI or an oxidizing agent, for example, from the viewpoint of excellent conductivity.
以下、具体的な実施例及び比較例を挙げて本実施形態をさらに具体的に説明するが、本実施形態はその要旨を超えない限り、これらの実施例と比較例によって何ら限定されるものではない。後述する実施例及び比較例における物性、反応条件、及び生成物の同定は、以下に示す方法により、測定及び設定した。 Hereinafter, the present embodiment will be more specifically described by citing specific examples and comparative examples, but the present embodiment is not limited at all by these examples and comparative examples as long as the gist thereof is not exceeded. Absent. Physical properties, reaction conditions, and identification of products in Examples and Comparative Examples described later were measured and set by the methods described below.
(含カチオン量と含アニオン量)
化合物に含まれる第14族カチオン量、対カチオン量及びハロゲンアニオン量は、試料をSEM−EDX(SEM:SU−70,日立製作所社製、EDX:EMAX X−max,堀場製作所社製)により評価することによって求めた。
(Cation content and anion content)
The amount of the group 14 cation, the amount of the counter cation and the amount of the halogen anion contained in the compound are evaluated by SEM-EDX (SEM: SU-70, manufactured by Hitachi, EDX: EMAX X-max, manufactured by Horiba, Ltd.) for the sample. It asked by doing.
(結晶構造)
薄膜及び粉末サンプルの結晶構造は、X線回折装置(D8・ブルカー社製)を用いて測定したX線回折(XRD)パターンから評価した。特に、ペロブスカイト構造を有していることは、I-に対し6配位のPb2+による八面体が頂点共有した構造に由来する回折ピークに帰属される2θ=14〜15°(d=6.3〜5.9Å)が存在することから評価した。結晶構造中最大d値(化合物の結晶構造における最大の面間隔)は、XRDパターンにおける最低角の回折ピークのd値から算出した。
(Crystal structure)
The crystal structures of thin film and powder samples were evaluated from X-ray diffraction (XRD) patterns measured using an X-ray diffractometer (D8, manufactured by Bruker). In particular, it has a perovskite structure, I - octahedra 2 [Theta] = 14 to 15 ° attributed to diffraction peaks derived from corner-sharing structure according Pb 2+ of 6-coordinated to (d = 6 .3 to 5.9 Å) were evaluated. The maximum d value in the crystal structure (the maximum interplanar spacing in the crystal structure of the compound) was calculated from the d value of the diffraction peak of the lowest angle in the XRD pattern.
(バンドギャップ)
各例で調製された薄膜に対して下記のように測定された吸光度を縦軸とし、横軸を波長としたグラフのベースラインと減衰曲線の接線の交点をこの材料の吸収端とし、この吸収端の波長から、下記の式からバンドギャップエネルギーを算出した。
(バンドギャップエネルギー)=1240/(吸収端の波長)
なお、薄膜の吸光度は、スペクトロフォトメーター U4100(日立製作所社製)を用いて、スキャン速度300nm/分で測定を行った。
(Band gap)
The absorbance measured as described below for the thin film prepared in each example is taken as the ordinate, and the intersection of the tangent of the attenuation curve and the baseline of the graph with the wavelength taken as the abscissa is taken as the absorption edge of this material The band gap energy was calculated from the following equation from the wavelength of the end.
(Band gap energy) = 1240 / (wavelength of absorption edge)
The absorbance of the thin film was measured using a spectrophotometer U4100 (manufactured by Hitachi, Ltd.) at a scanning speed of 300 nm / min.
(太陽電池特性評価)
作製したセルの太陽電池特性評価は、下記の装置、及び評価方法により評価した。
(Solar cell characteristics evaluation)
The solar cell characteristic evaluation of the produced cell was evaluated by the following apparatus and evaluation method.
[装置]
(疑似太陽光)
疑似太陽光は、ソーラーシミュレーター(MP−160、英弘精機社製)を用い、フォトダイオードで照射量を100mW/cm-2に調整して用いた。照射セルへの照射面積は、いずれのセルでも、0.02cm-2であった。
(直流電源)
セルに電圧印加、光電流値の評価、印加電圧の掃引操作は、ソースメーター(6242、ADCMT社製)を用いて行った。
[apparatus]
(Simulated sunlight)
The pseudo-sunlight was used by adjusting the irradiation amount to 100 mW / cm.sup.- 2 with a photodiode using a solar simulator (MP-160, manufactured by Eko Seiki Co., Ltd.). The irradiation area to the irradiation cell was 0.02 cm −2 in any cell.
(DC power supply)
The voltage application to the cell, the evaluation of the photocurrent value, and the sweep operation of the applied voltage were performed using a source meter (6242, manufactured by ADCMT).
[評価方法]
(短絡電流密度)
短絡電流は、作製したセルに電圧を印加せずに、前記疑似太陽光を照射した際に流れた光電流密度について、一枚のうち後述の作製した三か所の独立した電極構造での、平均の値から算出した。
[Evaluation method]
(Short circuit current density)
The short-circuit current does not apply a voltage to the manufactured cell, but the photocurrent density which flows when the pseudo-sunlight is irradiated, in one sheet, in the three independent electrode structures manufactured later, Calculated from the average value.
(開放電圧)
開放電圧は、前記疑似太陽光を照射した際に、電流値が0となるセルへの印加電圧について、一枚のうち後述の作製した三か所の独立した電極構造での、平均の値から算出した。
(Open voltage)
The open circuit voltage is the average value of the voltage applied to the cell at which the current value becomes 0 when irradiated with the pseudo-sunlight in the three independent electrode structures manufactured later in one sheet. Calculated.
(フィルファクター)
フィルファクター(以降、「F.F.」とも表記する。)は、前記疑似太陽光を照射しながら、印加電圧を掃引した際に、電力が最大となる値(実電力最大値)を、短絡電流密度と開放電圧を積算した値で除算した、以下の式から求めた。
(F.F.)= (実電力最大値)/((短絡電流密度)×(開放電圧))
この値について、一枚のうち後述の作製した三か所の独立した電極構造での、平均の値を実施例でのフィルファクターとした。
(Fill factor)
The fill factor (hereinafter also referred to as “F. F.”) shorts the value (maximum actual power) at which the power is maximized when the applied voltage is swept while irradiating the pseudo-sunlight. It calculated | required from the following formula which divided by the value which integrated current density and open circuit voltage.
(F.F.) = (Real power maximum value) / ((short circuit current density) × (open circuit voltage))
With respect to this value, the average value of three independent electrode structures manufactured later in one sheet was taken as the fill factor in the example.
(太陽光エネルギー変換効率)
太陽光エネルギー変換効率(以降、変換効率とも表記する。)は、以下の式から求めた。
(変換効率)=(実電力最大値(mW cm-2))/100mW cm-2
この値について、一枚のうち後述の作製した三か所の独立した電極構造での、平均の値を実施例での変換効率とした。
(Solar energy conversion efficiency)
The solar energy conversion efficiency (hereinafter also referred to as conversion efficiency) was determined from the following equation.
(Conversion efficiency) = (actual power maximum value (mW cm -2 )) / 100mW cm -2
About this value, the value of the average in three independent electrode structures produced later among 1 sheet was made into the conversion efficiency in the Example.
(光センサー機能)
光センサー機能は、作製したセルに疑似太陽光(100mW/cm-2)を照射した際に、光起電力を生じた際には光センサー機能を有するものとして「○」と、光起電力を生じなかった際には光センサー機能を有さないものとして「×」と、それぞれ評価した。
(Light sensor function)
The photo sensor function is that when the produced cell is irradiated with pseudo-sunlight (100 mW / cm -2 ), a photovoltaic power is generated and the photovoltaic power When it did not generate | occur | produce, it evaluated as "x" as what does not have an optical sensor function, respectively.
(不純物)
実施例にて調製したサンプルのXRDパターンについて、前記ペロブスカイト由来の2θ=14〜15°における回折ピークの強度に対して、2割以上の強度のペロブスカイト構造以外の化合物由来の回折ピークが存在する場合は不純物量が多いとして「×」と、存在しない場合は、不純物量が少ないとして「○」と、それぞれ評価した。
(impurities)
In the XRD pattern of the sample prepared in the example, when a diffraction peak derived from a compound other than the perovskite structure having an intensity of 20% or more exists with respect to the intensity of the diffraction peak at 2θ = 14 to 15 ° derived from the perovskite The samples were evaluated as “×” because the amount of impurities was large, and as “○” when they were not present, as the amount of impurities was small.
下記に示すとおり、実施例1〜5及び比較例1に係る薄膜を調製し、その物性の評価を行った。 As shown below, the thin films according to Examples 1 to 5 and Comparative Example 1 were prepared, and their physical properties were evaluated.
(実施例1)
ホルムアミジン・ヨウ化水素塩と、ヨウ化鉛がそれぞれ1.33M、1.0MとなるようにDMSOに溶解させた溶液(溶液1)を調製した。窒素雰囲気中、室温の石英板上に溶液1を滴下し、3000rpmで30秒スピンコートして得られた薄膜を、100℃で30分加熱した。サンプルを評価した結果を表1に示す。
Example 1
A solution (solution 1) was prepared by dissolving formamidine hydroiodide and lead iodide at 1.33 M and 1.0 M, respectively. Solution 1 was dropped on a quartz plate at room temperature in a nitrogen atmosphere, and a thin film obtained by spin coating at 3000 rpm for 30 seconds was heated at 100 ° C. for 30 minutes. The results of evaluating the samples are shown in Table 1.
(実施例2)
実施例1の溶液1の代わりに、ホルムアミジン・ヨウ化水素塩と、ヨウ化鉛がそれぞれ1.5M、1.0MとなるようにDMSOに溶解させた溶液(溶液2)を用いた以外は、実施例1と同様に調製及び評価した。サンプルを評価した結果を表1に示す。
(Example 2)
A solution (solution 2) dissolved in DMSO such that formamidine hydroiodide salt and lead iodide are respectively 1.5 M and 1.0 M instead of solution 1 of Example 1 is used. , Prepared and evaluated as in Example 1. The results of evaluating the samples are shown in Table 1.
(実施例3)
実施例1の溶液1の代わりに、ホルムアミジン・ヨウ化水素塩と、ヨウ化鉛がそれぞれ2.0M、1.0MとなるようにDMSOに溶解させた溶液(溶液3)を用いた以外は、実施例1と同様に調製及び評価した。サンプルを評価した結果を表1に示す。
(Example 3)
A solution (solution 3) dissolved in DMSO so that formamidine hydroiodide salt and lead iodide are respectively 2.0 M and 1.0 M instead of solution 1 of Example 1 is used , Prepared and evaluated as in Example 1. The results of evaluating the samples are shown in Table 1.
(実施例4)
実施例1の溶液1の代わりに、ホルムアミジン・ヨウ化水素塩と、ヨウ化鉛がそれぞれ2.5M、1.0MとなるようにDMSOに溶解させた溶液(溶液4)を用いた以外は、実施例1と同様に調製及び評価した。サンプルを評価した結果を表1に示す。
(Example 4)
A solution (solution 4) dissolved in DMSO so that formamidine hydrogen iodide salt and lead iodide are respectively 2.5 M and 1.0 M instead of solution 1 of Example 1 is used , Prepared and evaluated as in Example 1. The results of evaluating the samples are shown in Table 1.
(実施例5)
実施例1の溶液1の代わりに、ホルムアミジン・ヨウ化水素塩と、ヨウ化鉛がそれぞれ3.0M、1.0MとなるようにDMSOに溶解させた溶液(溶液5)を用いた以外は、実施例1と同様に調製及び評価した。サンプルを評価した結果を表1に示す。
(Example 5)
A solution (solution 5) dissolved in DMSO so that formamidine hydroiodide and lead iodide become 3.0 M and 1.0 M, respectively, instead of solution 1 in Example 1 is used. , Prepared and evaluated as in Example 1. The results of evaluating the samples are shown in Table 1.
(比較例1)
実施例1の溶液1の代わりに、ホルムアミジン・ヨウ化水素塩と、ヨウ化鉛がそれぞれ1MとなるようにDMSOに溶解させた溶液(溶液6)を用いた以外は、実施例1と同様に調製及び評価した。サンプルを評価した結果を表1に示す。
(Comparative example 1)
The same method as in Example 1 was used except that a solution (solution 6) in which DMSO was dissolved so that formamidine hydroiodide salt and lead iodide each become 1 M instead of solution 1 in Example 1 was used. Prepared and evaluated. The results of evaluating the samples are shown in Table 1.
実施例1〜5の結果から、得られた化合物は、いずれも、最大d値が8Å以上の結晶構造、及びバンドギャップを有する、カチオンの数が少ないことがわかり、性能の均一性に優れ、光吸収特性に優れ、動作安定性に優れ、半導体材料、例えば太陽電池材料、光センサー、発光材料などとして好適に利用できることが示された。 From the results of Examples 1 to 5, it is understood that all of the compounds obtained have a crystal structure with a maximum d value of 8 Å or more and a small number of cations having a band gap, and the uniformity of the performance is excellent. It has been shown that it is excellent in light absorption characteristics and excellent in operation stability, and can be suitably used as a semiconductor material such as a solar cell material, an optical sensor, a light emitting material and the like.
実施例1〜5及び比較例1の結果の比較から、構成するカチオン及びアニオンを所定のモル比率とすることで、最大d値が8Å以上の結晶構造を有する様になり、性能の均一性に優れるようになることが示された。また、この最大d値は、実施例1〜4のモル比率とすることでより大きくなることが示された。 From comparison of the results of Examples 1 to 5 and Comparative Example 1, by making the constituent cations and anions into a predetermined molar ratio, the maximum d value can be made to have a crystal structure of 8 Å or more, and the uniformity of performance can be obtained. It was shown that it became excellent. Moreover, it was shown that this maximum d value becomes larger by setting it as the molar ratio of Examples 1-4.
実施例1〜5及び比較例1の結果の比較から、構成するカチオン及びアニオンを所定のモル比率とすることで、吸収端は長波長になり、かつバンドギャップが小さくなることが示された。特に、本実施形態の範囲で対カチオンのモル比率を小さく、第14族カチオンのモル比率を大きくすることで、バンドギャップを小さくすることができることが示された。 From the comparison of the results of Examples 1 to 5 and Comparative Example 1, it was shown that the absorption edge has a long wavelength and the band gap is reduced by setting the constituent cations and anions to a predetermined molar ratio. In particular, it was shown that the band gap can be reduced by decreasing the molar ratio of the counter cation and increasing the molar ratio of the Group 14 cation within the range of the present embodiment.
(実施例6)
実施例3の石英板の代わりに、25mm角のFTO(フッ素ドープ酸化スズ)を堆積したガラスのFTO面上に、電子輸送材として50nmのTiO2の緻密層、さらにその上に粒子径30nmのTiO2粒子が堆積し、TiCl4処理を施した膜厚800nmの多孔質膜層が堆積された基板(TiO2/FTOガラス)を用い、溶液3を基板上に滴下後、3000rpmで30秒スピンコートして得られた薄膜を、100℃で30分加熱し、室温に冷却後、0.0059mmolのspiro−OMETAD、0.0317molのLiTFSI、0.0058mmolのCo(4−t−Butylpyridyl−2−1H−pyrazole)・3TFSI、0.195mmolのt−ブチルピリジンをクロロベンゼンに溶解させた溶液(溶液7)を滴下し、4000rpmでスピンコートし、70℃で30分間乾燥した。この上から金を、面内で等間隔かつ三か所に0.15mm2の面積で100nmの膜厚で真空蒸着することでセルを得た。このセルに疑似太陽光照射下で評価した結果を、表2に示す。
(Example 6)
Instead of the quartz plate of Example 3, on the FTO surface of a glass on which 25 mm square FTO (fluorine-doped tin oxide) is deposited, a 50 nm dense layer of TiO 2 as an electron transport material and further a particle diameter of 30 nm Using a substrate (TiO 2 / FTO glass) on which TiO 2 particles are deposited and a porous film layer with a film thickness of 800 nm which has been treated with TiCl 4 is deposited, solution 3 is dropped on the substrate, and spins for 30 seconds at 3000 rpm The thin film obtained by coating is heated at 100 ° C. for 30 minutes, and after cooling to room temperature, 0.0059 mmol of spiro-OMETAD, 0.0317 mol of LiTFSI, 0.0058 mmol of Co (4-t-Butylpyridinyl-2-yl) 1H-pyrazole) 3TFSI solution of 0.195 mmol of t-butylpyridine in chlorobenzene Dropwise 7), it was spin-coated at 4000 rpm, and dried for 30 minutes at 70 ° C.. A cell was obtained by vacuum evaporation of gold from above on the surface at equal intervals and in three places at an area of 0.15 mm 2 and a film thickness of 100 nm. The results of evaluation of this cell under pseudo-sunlight irradiation are shown in Table 2.
(比較例2)
実施例6の溶液3の代わりに溶液6を用いた以外は同様に操作を行った。結果を表2に示す。
(Comparative example 2)
The same operation was performed except that Solution 6 was used instead of Solution 3 of Example 6. The results are shown in Table 2.
実施例6の結果から、本実施形態における化合物は、光吸収層などの太陽電池材料、及び光センサーとして好適に利用できることが示された。特に、本実施形態を満たすことで、光吸収特性に優れ、性能の均一性に優れるために、太陽電池材料として、短絡電流密度や、フィルファクターについて、顕著に優れることが示された。 From the results of Example 6, it was shown that the compound in the present embodiment can be suitably used as a solar cell material such as a light absorption layer and a light sensor. In particular, it is shown that the solar cell material is remarkably excellent in the short circuit current density and the fill factor as the solar cell material because the light absorption characteristics are excellent and the performance uniformity is excellent by satisfying the present embodiment.
(実施例7)
実施例3にて調製したサンプルを窒素雰囲気中、185℃で30分加熱することで、サンプルを得た。結果を表3に示す。
(Example 7)
The sample prepared in Example 3 was heated at 185 ° C. for 30 minutes in a nitrogen atmosphere to obtain a sample. The results are shown in Table 3.
(比較例3)
実施例3にて調製したサンプルの代わりに比較例1のサンプルを用いた以外は、実施例7と同様に操作を行った。結果を表3に示す。
(Comparative example 3)
The procedure of Example 7 was repeated except that the sample of Comparative Example 1 was used instead of the sample prepared in Example 3. The results are shown in Table 3.
実施例7と比較例3を比較すると、本実施形態の化合物を185℃などの高温で加熱することで、約820nm長波長に吸収端を有するペロブスカイト構造の化合物を、不純物が少なく調製することに有利であることが示された。すなわち、本実施形態の化合物は、ペロブスカイト構造を有する化合物であって高純度のものの前駆体として、好適に使用できることが示された。 Comparing Example 7 and Comparative Example 3, by heating the compound of this embodiment at a high temperature such as 185 ° C., a compound having a perovskite structure having an absorption edge at a long wavelength of about 820 nm can be prepared with less impurities. It has been shown to be advantageous. That is, it was shown that the compound of the present embodiment is a compound having a perovskite structure and can be suitably used as a precursor of high purity.
Claims (16)
前記カチオンのうち10モル%以上49モル%以下が第14族元素カチオンであり、
前記カチオンの51モル%以上90モル%以下が対カチオンであり、ここで、当該対カチオンのうち、91モル%以上100モル%以下が、単一種類の、炭素数が1以上2以下かつ窒素数が2以上4以下である有機分子カチオンであり、
前記アニオンのうち30モル%以上100モル%以下が第17族元素アニオンであり、
前記化合物の結晶構造における最大の面間隔が8Å以上30Å以下であり、
前記有機分子カチオンの窒素数が2であり、
前記第14族元素カチオンが、鉛カチオンを含み、
前記有機分子カチオンがホルムアミジニウムカチオンを含み、
前記第17族元素アニオンがヨウ化物アニオンを含む、
化合物の薄膜形態。 A thin film form of a compound containing a cation and an anion,
10 mol% or more and 49 mol% or less of the cations are Group 14 element cations,
51 mol% or more and 90 mol% or less of the cation is a counter cation, wherein 91 mol% or more and 100 mol% or less of the counter cation is a single kind having 1 or more and 2 or less carbon atoms and nitrogen An organic molecular cation having a number of 2 or more and 4 or less,
30 mol% or more and 100 mol% or less of the anions are Group 17 element anions,
The largest surface spacing in the crystal structure of the compound is 8 Å or more and 30 Å or less,
The nitrogen number of the organic molecule cation is two,
The Group 14 element cation contains lead cation,
The organic molecular cation comprises formamidinium cation,
The Group 17 element anion comprises an iodide anion,
Thin film form of the compound.
非プロトン性極性有機溶剤と、前記第14族元素カチオンと、前記有機分子カチオンと、前記第17族元素アニオンと、を含む組成物を0℃以上160℃以下の温度で加熱する工程を含み、
前記組成物における、前記第14族元素カチオンの含有量が0.05モル/L以上3.0モル/L以下であり、前記有機分子カチオンの含有量が0.05モル/L以上3.0モル/L以下であり、前記第17族元素アニオンの含有量が0.05モル/L以上10.0モル/L以下である、化合物の薄膜形態の製造方法。 A method for producing a thin film form of the compound according to any one of claims 1 to 8, comprising
Heating the composition containing the aprotic polar organic solvent, the group 14 element cation, the organic molecule cation, and the group 17 element anion at a temperature of 0 ° C. or more and 160 ° C. or less,
The content of the group 14 element cation in the composition is 0.05 mol / L to 3.0 mol / L, and the content of the organic molecular cation is 0.05 mol / L to 3.0 The manufacturing method of the thin film form of a compound which is mol / L or less and whose content of the said 17th group element anion is 0.05 mol / L or more and 10.0 mol / L or less.
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