[发明专利]有机-无机混合钙钛矿纳米晶体及其制备方法

说明书

本文描述了有机‑无机钙钛矿纳米颗粒组合物。在一些实施方式中，纳米颗粒组合物包含有机‑无机钙钛矿纳米晶体的层，该有机‑无机钙钛矿纳米晶体包含与尺寸不能并入到钙钛矿晶体结构的八面体角位置的配体结合的表面。

政府权利声明

本发明是由海军研究局(Office of Naval Research)授予的授权号N00014-17-1-2005和由国防高级研究计划署(Defense Advanced Research Projects Agency)(DARPA)授予的授权号D15AP00093之下的政府资助完成的。本政府拥有本发明的某些权利。

相关申请数据

本申请要求享有2016年4月22日提交的美国临时专利申请序列号62/326,3123的根据5U.S.C.§119(e)的优先权，其全部内容通过引证结合于本文中。

技术领域

本发明涉及金属卤化物钙钛矿组合物，并且具体涉及有机-无机金属卤化物钙钛矿纳米颗粒及其制备方法。

背景技术

近年来，基于有机-无机混合钙钛矿半导体的光伏发电取得了实质性进展。在光伏发电之外，钙钛矿因为其可调的带隙、高色纯度和低材料成本，作为其他光电子应用，如发光二极管(LED)和激光的新兴材料，也受到广泛深入研究。

然而，钙钛矿纳米晶体的传统溶液合成方法对于器件应用具有三个主要缺点。首先，合成方法是复杂的，通常需要通过洗涤和离心进行几个循环的纯化。另外，在溶液中合成胶体纳米晶体需要长而绝缘的配体(如油胺和油酸)。这种配体会覆盖纳米晶体表面并降低器件性能。最后，获得均匀、致密的胶体纳米晶体膜是困难的。这是因为纳米晶体悬浮液在低浓度(约0.5mg/ml)下就会饱和，并且在膜形成期间，大幅度聚结或甚至转变成体相，损害膜均匀性并阻碍无针孔膜的形成。已经提出了一些替代的“原位”合成方法，其中钙钛矿纳米晶体可以在膜制备期间形成于聚合物基质内。然而，基于钙钛矿-聚合物基质的LED却遭受了大电阻率和注入势垒导致的高导通电压和低功率效率。

发明内容

鉴于这些缺点，本文描述了有机-无机钙钛矿纳米晶体组合物，其在一些实施方式中提供了对于混合卤化物体系的膜形成和相关排放特性的增强和对光诱导和/或偏置诱导的旋节线分解(spinodal decomposition)途径的抗性。本文还提供了原位制备有机-无机金属卤化物钙钛矿纳米晶体层或膜的方法。

在一个方面中，纳米颗粒组合物包含有机-无机钙钛矿纳米晶体的层，有机-无机钙钛矿纳米晶体包含与不能并入钙钛矿晶体结构的八面体角位置的尺寸的配体关联的表面。在一些实施方式中，有机-无机钙钛矿纳米晶体是式ABX_3-zY_z的纳米晶体，其中A是有机阳离子，B是选自由过渡金属，IVA族元素和稀土元素组成的组的元素，而X和Y是独立地选自VIIA族的元素，其中0≤z3。因此，有机-无机钙钛矿纳米晶体可以是单卤化物或混合卤化物组合物。在混合卤化物组合物的一些实施方式中，有机-无机钙钛矿纳米晶体是式Me_1-yA_yBX_3-zY_z的纳米晶体，其中Me是碱金属阳离子或碱土金属阳离子，A是有机阳离子，B是选自由过渡金属，IVA族元素和稀土元素组成的组的元素，而X和Y独立地选自VIIA族的元素，其中0y1且其中0≤z3。如本文进一步描述的，一层或多层有机-无机钙钛矿纳米晶体可以用作包括光伏器件和发光二极管(LED)的各种电子器件的光活性层。

在另一方面中，提供了纳米颗粒分散体。在一些实施方式中，纳米颗粒分散体包含连续相和分散于连续相中的纳米颗粒相，纳米颗粒相包含含有与不能并入钙钛矿晶体结构的八面体角位置的尺寸的配体结合的表面的有机-无机钙钛矿纳米晶体。