[发明专利]双极性分子稳定的钙钛矿材料及光电器件

说明书

一种双极性分子稳定的钙钛矿材料及光电器件，属于光电材料与技术领域。本发明的目的是通过利用双极性分子稳定剂中的双极性基团，可间接增强金属阳离子和卤素阴离子之间的相互作用，降低钙钛矿材料中的缺陷态密度，及抑制钙钛矿材料中离子迁移的双极性分子稳定的钙钛矿材料及光电器件。本发明双极性分子稳定的钙钛矿材料的组分为D:A’subgt;2/subgt;Asubgt;n‑1/subgt;Bsubgt;n/subgt;Xsubgt;3n+1/subgt;(n=1,2,3,⋯)或D:ABXsubgt;3/subgt;，其中A’为有机胺阳离子，A为一价阳离子，B为金属阳离子，X为一价阴离子，D为双极性分子稳定剂。本发明表现为显著增强材料的热稳定性、相稳定性、荧光稳定性，并且显著提高钙钛矿材料与光电器件的工作稳定性和效率。

技术领域

本发明属于光电材料与技术领域。

背景技术

钙钛矿拥有优异的光电特性，如载流子迁移率高、载流子扩散距离长、可溶液法制备、带隙连续可调、缺陷态密度低、光谱吸收范围宽、发光效率高、光谱带宽窄等优势，目前已经在太阳能电池、发光二极管、激光、X射线探测器、场效应晶体管等诸多半导体器件领域得到广泛应用和研究。在2009年首次报道了基于钙钛矿材料的太阳能电池，这为钙钛矿材料应用于太阳能电池拉开了序幕，随后基于钙钛矿的太阳能电池得以迅速发展，当前其功率转化效率已经突破25%，且工作稳定性也已达到数千小时以上，但是其工作稳定性因钙钛矿材料制约，器件距离商用标准仍有很大差距。同时将钙钛矿材料应用于发光器件也引起了研究人员的极大兴趣，从2014年首次报导室温下工作的钙钛矿发光二极管以来，钙钛矿材料应用于发光器件领域得以迅速发展，2018年钙钛矿发光二极管的外量子效率（EQE）突破20%，目前其外量子效率已经接近30%，可媲美性能优异的无机和有机发光二极管。虽然基于钙钛矿材料的光电器件效率堪比商用的无机、有机光电器件效率，但是基于钙钛矿的发光二极管的稳定性依然很差，大部分课题组报道的钙钛矿发光二极管的T₅₀寿命（器件电致发光强度衰减至初始强度值50%的时间）仍在0.1-100 h之间，器件的工作稳定性仍具有挑战。目前面向商业化应用的发光二极管一般需要在初始辐亮度为0.2-2.1W sr^-1 m^-2的条件下保证其T₅₀寿命大于10000 h。因此，钙钛矿材料和光电器件的不稳定性是制约其商业化应用的关键挑战，因此亟需实现高稳定性、高效率的钙钛矿材料及光电器件。

发明内容

本发明的目的是通过利用双极性分子稳定剂中的双极性基团，可间接增强金属阳离子和卤素阴离子之间的相互作用，降低钙钛矿材料中的缺陷态密度，及抑制钙钛矿材料中离子迁移的双极性分子稳定的钙钛矿材料及光电器件。

本发明双极性分子稳定的钙钛矿材料的组分为D:A’₂A_n-1B_nX_3n+1 (n=1,2,3,⋯)或D:ABX₃，其中A’为有机胺阳离子，A为一价阳离子，B为金属阳离子，X为一价阴离子，D为双极性分子稳定剂，以B位为参考，D和B的摩尔比例为0%-50%；所述双极性分子稳定剂是一种分子中同时存在带正电和负电的基团或原子的一类分子材料；所述双极性分子稳定剂中含有能与钙钛矿中阴离子X和阳离子A’、 A和B形成离子键或者配位键等相互作用的原子或基团，其中带正电的原子或基团包括但不局限于N⁺，带负电的原子或基团包括但不限于SO^3-、PO^4-、COO^-、N^-、O^-。

本发明采用钙钛矿材料在钙钛矿材料的光电器件与应用，包括发光器件、太阳能电池、场效应晶体管、探测器光电器件，所述光电器件由钙钛矿材料与衬底、阳极、空穴传输层、电子传输层、阴极器件功能材料中的一种或多种组成；以及发光薄膜、荧光粉、纳米晶体、量子点、单晶、X射线闪烁体材料应用。