JP6709443B2 - Compound having a layered perovskite structure - Google Patents

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Description

本発明は、層状ペロブスカイト構造を有する化合物、その製造方法、及びその使用に関する。 The present invention relates to a compound having a layered perovskite structure, a method for producing the same, and its use.

近年、ペロブスカイト構造を有する金属ハロゲン化物が、様々な用途で注目されている。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、CH3NH3PbI3を挙げることができ、この例において、AサイトのカチオンはCH3NH3 +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面体を形成している。3次元構造のみからなるペロブスカイト構造は、一般式としてABX3等で表される。ペロブスカイト構造を有することで、材料中での電荷の移動や、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ことが知られている。 In recent years, metal halides having a perovskite structure have attracted attention for various applications. The compound having a perovskite structure is composed of cations of A site and B site and anion of X site. An example of such a compound is CH 3 NH 3 PbI 3, in which the cation at the A site is CH 3 NH 3 + , the cation at the B site is Pb 2+ and the anion at the X site. is I -, the corresponding. The cation at the B site is bound to the anion at the X site in hexacoordinate, forming a symmetric or asymmetric octahedron. The perovskite structure consisting of only a three-dimensional structure is represented by ABX 3 or the like as a general formula. It is known that having a perovskite structure is advantageous in moving charges in a material and extending the life of excited carriers (such as electrons and holes) due to light.

非特許文献1では、CH3NH3PbI3が100℃程度の低温で製造でき、太陽電池などの用途として有用な材料であることが記載されている。製造を低エネルギーで実施できる観点、装置を簡易にできる観点、及び形態を薄膜とする際には薄膜を堆積する基板への耐熱の必要性を緩和できる観点から、低温でペロブスカイト構造を有する化合物を製造できることは重要である。 Non-Patent Document 1 describes that CH 3 NH 3 PbI 3 can be produced at a low temperature of about 100° C. and is a useful material for applications such as solar cells. A compound having a perovskite structure at a low temperature is selected from the viewpoint that production can be performed with low energy, the device can be simplified, and the heat resistance of the substrate on which the thin film is deposited can be relaxed when the film is formed into a thin film. Being able to manufacture is important.

非特許文献2には、100℃程度の加熱温度で製造した、ホルムアミジニウムカチオン(CHNHNH3 +)、鉛カチオン(Pb2+)、及びヨウ素アニオンからなる化合物は、六方晶の結晶構造であることが記載されている。 In Non-Patent Document 2, a compound composed of a formamidinium cation (CHNHNH 3 + ), a lead cation (Pb 2+ ), and an iodine anion produced at a heating temperature of about 100° C. has a hexagonal crystal structure. Is described.

非特許文献3には、100℃程度の加熱温度で製造した、セシウムカチオン(Cs+)、鉛カチオン(Pb2+)、及びヨウ素アニオンからなる化合物CsPbI3は、斜方晶の結晶構造であることが記載されている。 In Non-Patent Document 3, a compound CsPbI 3 composed of a cesium cation (Cs + ), a lead cation (Pb 2+ ) and an iodine anion produced at a heating temperature of about 100° C. has an orthorhombic crystal structure. Is described.

非特許文献4には、Aサイトに炭素鎖の長い(例えば、炭素数4の)有機分子カチオンを含むことで、層構造(2次元構造)をペロブスカイト構造に導入することができ、3次元構造と2次元構造とを周期的に含む、2次元−3次元構造も形成することができることが記載されている。例えば、AサイトのカチオンがC49NH3 +及びCH3NH3 +、BサイトのカチオンがPb2+、XサイトのアニオンがI-である、(C49NH32(CH3NH3)Pb27が開示されている。また、層状構造を含むことで、励起子の束縛エネルギーが大きくなること、及びバンドギャップが大きくなることが記載されている。特に、層間距離が大きくなることで、バンドギャップがより大きくなることが記載されている。 In Non-Patent Document 4, a layer structure (two-dimensional structure) can be introduced into a perovskite structure by including an organic molecular cation having a long carbon chain (for example, having 4 carbon atoms) at the A site, and a three-dimensional structure can be introduced. It is described that a 2D-3D structure can also be formed, which periodically includes a 2D structure and a 2D structure. For example, (C 4 H 9 NH 3 ) 2 (where the A site cation is C 4 H 9 NH 3 + and CH 3 NH 3 + , the B site cation is Pb 2+ , and the X site anion is I −. CH 3 NH 3) Pb 2 I 7 is disclosed. Further, it is described that the inclusion of the layered structure increases the binding energy of excitons and the band gap. In particular, it is described that the band gap increases as the interlayer distance increases.

Science 2012, 338, 644.Science 2012, 338, 644. J. Phys. Chem. Lett. 2015, 6, 1249.J. Phys. Chem. Lett. 2015, 6, 1249. Nat. Chem. 2014, 5, 5757.Nat. Chem. 2014, 5, 5757. J. Am. Soc. 2015, 137, 7843.J. Am. Soc. 2015, 137, 7843.

しかしながら、非特許文献1に記載のCH3NH3PbI3は、耐熱性が十分ではない。そこで、より優れた耐熱性を有する化合物の開発が求められている。また、非特許文献1に記載のCH3NH3PbI3は励起子の束縛エネルギーが小さい。そこで、高効率な発光などに有利となる観点から束縛エネルギーの大きい化合物の開発が望まれている。 However, the heat resistance of CH 3 NH 3 PbI 3 described in Non-Patent Document 1 is not sufficient. Therefore, development of a compound having more excellent heat resistance is required. Further, CH 3 NH 3 PbI 3 described in Non-Patent Document 1 has a small exciton binding energy. Therefore, development of a compound having a large binding energy is desired from the viewpoint of being advantageous for highly efficient light emission.

非特許文献3及び4に記載の化合物は、低温ではペロブスカイト構造を形成できない。そこで、製造を低エネルギーで実施できること、装置を簡易にできること、及び薄膜にする際には基板の耐熱の必要性を緩和できる観点から、より低温でペロブスカイト構造を形成できる材料が求められている。 The compounds described in Non-Patent Documents 3 and 4 cannot form a perovskite structure at low temperatures. Therefore, materials that can form a perovskite structure at a lower temperature have been demanded from the viewpoint that manufacturing can be performed with low energy, the device can be simplified, and the heat resistance of the substrate can be relaxed when forming a thin film.

非特許文献2に記載の(C49NH32(CH3NH3)Pb27は、熱的安定性や動作安定性が十分ではない。そこで、更なる安定な材料の開発が必要とされている。 The (C 4 H 9 NH 3 ) 2 (CH 3 NH 3 )Pb 2 I 7 described in Non-Patent Document 2 has insufficient thermal stability and operational stability. Therefore, the development of more stable materials is needed.

本発明は、上記の従来技術が有する課題の少なくとも一部に鑑みてなされたものであり、低温で製造でき、励起子の束縛エネルギーが大きく、熱安定性に優れる化合物、その製造方法、及びその使用を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of at least some of the problems that the above-mentioned conventional techniques have, a compound that can be manufactured at low temperature, has a large binding energy of excitons, and is excellent in thermal stability, a manufacturing method thereof, and the same. Intended to provide use.

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、所定の方法で製造し、所定のカチオンと所定のアニオンとを含み、所定の結晶構造を有する化合物が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。 The present inventors have conducted extensive studies and experiments in order to solve the above-mentioned problems of the prior art, as a result, produced by a predetermined method, containing a predetermined cation and a predetermined anion, a compound having a predetermined crystal structure The inventors have found that the above problems can be solved and completed the present invention.

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、前記カチオンが、3種類以上のカチオンを含み、前記カチオンの5モル%以上90モル%以下が第14族元素カチオンであり、前記カチオンの5モル%以上90モル%以下が炭素数3以上20以下の有機分子カチオンAであり、前記カチオンの5モル%以上90モル%以下が第1族元素カチオンであり、前記アニオンの30モル%以上100モル%以下が第17族元素アニオンであり、前記化合物が結晶であり、前記結晶が層状ペロブスカイト構造を有し、前記層状ペロブスカイト構造における第14族元素カチオンとアニオンとによる八面体ネットワークの層数が2層以上8層以下である構造を含む、化合物。
[2]前記有機分子カチオンAがアンモニウムカチオンを含む、[1]のいずれか1つに記載の化合物。
[3]前記カチオンの10モル%以上70モル%以下が、前記第1族元素カチオンである、[1]又は[2]に記載の化合物。
[4]前記第1族元素カチオンが、セシウムカチオンである、[1]〜[3]のいずれか1つに記載の化合物。
[5]カチオンとアニオンとを含む化合物であって、前記カチオンが、3種類以上のカチオンを含み、前記カチオンの5モル%以上90モル%以下が第14族元素カチオンであり、前記カチオンの5モル%以上90モル%以下が有機分子カチオンAであり、前記カチオンの5モル%以上90モル%以下が有機分子カチオンBであり、前記アニオンの30モル%以上100モル%以下が第17族元素アニオンであり、前記化合物が結晶であり、前記結晶が層状ペロブスカイト構造を有し、前記層状ペロブスカイト構造における第14族元素カチオンとアニオンとによる八面体ネットワークの層数が2層以上8層以下である構造を含み、前記有機分子カチオンAが、炭素数が3以上20以下であり、かつ、1つのアンモニウムカチオンを有する有機分子アンモニウムカチオンであり、前記有機分子カチオンBが、ホルムアミジニウムカチオン及びアセトアミジニウムカチオンからなる群より選択される少なくとも1種のカチオンである、化合物。
]前記カチオンの10モル%以上70モル%以下が、前記有機分子カチオンBである、[5]に記載の化合物。
]前記カチオンの10モル%以上70モル%以下が、前記有機分子カチオンAである、[1]〜[6]のいずれか1つに記載の化合物。
]前記有機分子カチオンAの炭素数が4以上10以下である、[1]〜[7]のいずれか1つに記載の化合物。
]前記有機分子カチオンAの炭素鎖が直鎖のみである、[1]〜[]のいずれか1つに記載の化合物。
10]前記有機分子カチオンAの炭素鎖が芳香環を含む、[1]〜[]のいずれか1つに記載の化合物。
11]前記カチオンの10モル%以上70モル%以下が、前記第14族元素カチオンである、[1]〜[10]のいずれか1つに記載の化合物。
12]前記第14族元素カチオンが、錫カチオン又は鉛カチオンである、[1]〜[11]のいずれか1つに記載の化合物。
13]前記アニオンの55モル%以上100モル%以下が、前記第17族元素アニオンである、[1]〜[12]のいずれか1つに記載の化合物。
14]前記層状ペロブスカイト構造の前記八面体ネットワークの層数が2層以上3層以下である構造を含む、[1]〜[13]のいずれか1つに記載の化合物。
15][1]〜[14]のいずれか1つに記載の化合物の製造方法であって、前記カチオンと前記アニオンとを含む化合物前駆体を調製する工程と、前記化合物前駆体を0℃以上150℃以下の温度で加熱する工程と、を有し、前記化合物前駆体において、前記カチオンが、3種類以上のカチオンを含み、前記カチオンの5モル%以上90モル%以下が第14族元素カチオンであり、前記カチオンの5モル%以上90モル%以下が炭素数3以上20以下の有機分子カチオンAであり、前記カチオンの5モル%以上90モル%以下が第1族元素カチオン、及び/又は、ホルムアミジニウムカチオン及びアセトアミジニウムカチオンからなる群より選択される少なくとも1種のカチオンである有機分子カチオンBであり、前記アニオンの30モル%以上100モル%以下が第17族元素アニオンであり、前記加熱する工程により、前記化合物前駆体から、層状ペロブスカイト構造を有する結晶であり、前記層状ペロブスカイト構造における第14族元素カチオンとアニオンとによる八面体ネットワークの層数が2層以上8層以下である構造を形成する、製造方法。
16][1]〜[14]のいずれか1つに記載の化合物の半導体材料としての使用。
17][1]〜[14]のいずれか1つに記載の化合物の発光材料としての使用。
18][1]〜[14]のいずれか1つに記載の化合物の太陽電池材料としての使用。
19][1]〜[14]のいずれか1つに記載の化合物の太陽電池の光吸収層としての使用。
That is, the present invention is as follows.
[1] A compound containing a cation and an anion, wherein the cation contains three or more kinds of cations, and 5 mol% to 90 mol% of the cation is a Group 14 element cation, and 5 the mole% to 90 mole% or less 3 or more carbon atoms and 20 or less of the organic molecules cation a, 90 mole% 5 mole% or more of the cationic following is a alkali metal Kachio emissions, or 30 mole% of the anions 100 mol% or less is a Group 17 element anion, the compound is a crystal, the crystal has a layered perovskite structure, the number of layers of an octahedral network of the Group 14 element cation and anion in the layered perovskite structure A compound having a structure in which is 2 to 8 layers.
[2] The compound according to any one of [1], wherein the organic molecule cation A contains an ammonium cation.
[3] The compound according to [1] or [2], wherein 10 mol% or more and 70 mol% or less of the cation is the Group 1 element cation.
[4] The compound according to any one of [1] to [3], wherein the Group 1 element cation is a cesium cation.
[5] A compound containing a cation and an anion, wherein the cation contains three or more kinds of cations, and 5 mol% or more and 90 mol% or less of the cation is a Group 14 element cation, and 5 Mol% to 90 mol% is an organic molecule cation A, 5 mol% to 90 mol% of the cation is an organic molecule cation B, and 30 mol% to 100 mol% of the anion is a Group 17 element. An anion, the compound is a crystal, the crystal has a layered perovskite structure, and the number of layers of an octahedral network of the group 14 element cation and anion in the layered perovskite structure is 2 or more and 8 or less. The organic molecule cation A has a structure, the organic molecule cation A is an organic molecule ammonium cation having 3 or more and 20 or less carbon atoms, and has one ammonium cation, and the organic molecule cation B is a formamidinium cation or acetamimine. A compound which is at least one cation selected from the group consisting of dinium cations.
[ 6 ] The compound according to [ 5] , wherein 10 mol% or more and 70 mol% or less of the cation is the organic molecule cation B.
[ 7 ] The compound according to any one of [ 1] to [6] , wherein 10 mol% or more and 70 mol% or less of the cation is the organic molecule cation A.
[ 8 ] The compound according to any one of [1] to [7], wherein the organic molecule cation A has 4 or more and 10 or less carbon atoms.
[ 9 ] The compound according to any one of [1] to [ 8 ], wherein the organic molecule cation A has only a straight carbon chain.
[ 10 ] The compound according to any one of [1] to [ 8 ], wherein the carbon chain of the organic molecule cation A contains an aromatic ring.
[ 11 ] The compound according to any one of [1] to [ 10 ], wherein 10 mol% or more and 70 mol% or less of the cation is the Group 14 element cation.
[ 12 ] The compound according to any one of [1] to [ 11 ], wherein the Group 14 element cation is a tin cation or a lead cation.
[ 13 ] The compound according to any one of [1] to [ 12 ], wherein 55 mol% or more and 100 mol% or less of the anion is the Group 17 element anion.
[ 14 ] The compound according to any one of [1] to [ 13 ], including a structure in which the number of layers of the octahedral network of the layered perovskite structure is 2 or more and 3 or less.
[ 15 ] The method for producing the compound according to any one of [1] to [ 14 ], wherein the step of preparing a compound precursor containing the cation and the anion, and the compound precursor at 0° C. And a step of heating at a temperature of 150° C. or lower. In the compound precursor, the cation includes three or more kinds of cations, and 5 mol% to 90 mol% of the cation is a Group 14 element. 5 mol% to 90 mol% of the cation is an organic molecular cation A having 3 to 20 carbon atoms, and 5 mol% to 90 mol% of the cation is a Group 1 element cation, and/ Alternatively, the organic molecular cation B is at least one kind of cation selected from the group consisting of formamidinium cations and acetamidinium cations, and 30 mol% or more and 100 mol% or less of the anions are Group 17 element anions. In the heating step, the compound precursor is a crystal having a layered perovskite structure, and the number of layers of the octahedral network of the group 14 element cations and anions in the layered perovskite structure is 2 or more and 8 layers. A method of manufacturing, wherein the following structure is formed.
[ 16 ] Use of the compound according to any one of [1] to [ 14 ] as a semiconductor material.
[ 17 ] Use of the compound according to any one of [1] to [ 14 ] as a light emitting material.
[ 18 ] Use of the compound according to any one of [1] to [ 14 ] as a solar cell material.
[ 19 ] Use of the compound according to any one of [1] to [ 14 ] as a light absorbing layer of a solar cell.

本発明によると、低温で製造でき、励起子の束縛エネルギーが大きく、熱安定性に優れる化合物、その製造方法、及びその使用を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the compound which can be manufactured at low temperature, the binding energy of an exciton is large, and it is excellent in thermal stability, its manufacturing method, and its use can be provided.

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 “this embodiment”) will be described in detail. The following embodiments are examples for explaining the present invention, and are not intended to limit the present invention to the following contents. The present invention can be variously modified and implemented within the scope of the gist.

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、上記カチオンが、3種類以上のカチオンを含み、そのカチオンの5モル%以上90モル%以下が第14族元素カチオンであり、上記カチオンの5モル%以上90モル%以下が、炭素数3以上20以下の有機分子カチオンAであり、上記カチオンの5モル%以上90モル%以下が第1族元素カチオン、及び/又は、炭素数が2以下かつ炭素数と窒素数との和が3以上5以下の有機分子カチオンBであり、上記アニオンの30モル%以上100モル%以下が第17族元素アニオンであり、上記化合物が結晶であり、その結晶が層状ペロブスカイト構造を有し、その層状ペロブスカイト構造における第14族元素カチオンとアニオンとによる八面体ネットワークの層数が2層以上8層以下であるペロブスカイト構造を含むものである。このように構成されているため、本実施形態の化合物は、低温で製造でき、励起子の束縛エネルギーが大きく、熱安定性に優れる。なお、本実施形態において、「熱安定性に優れる」とは、熱分解温度及び/又は熱分解開始温度がより高温であることを意味する。また、「励起子の束縛エネルギーが大きい」ことは、該化合物について、室温において励起子吸収が観察されるか否かにより判定できる。 The compound of the present embodiment is a compound containing a cation and an anion, wherein the cation contains three or more kinds of cations, and 5 mol% or more and 90 mol% or less of the cation is a Group 14 element cation, 5 mol% to 90 mol% of the cation is an organic molecular cation A having 3 to 20 carbon atoms, and 5 mol% to 90 mol% of the cation is a Group 1 element cation and/or carbon An organic molecular cation B having a number of 2 or less and a sum of carbon number and nitrogen number of 3 or more and 5 or less, 30 mol% or more and 100 mol% or less of the anion is a Group 17 element anion, and the compound is a crystal. The crystal has a layered perovskite structure, and the layered perovskite structure includes a perovskite structure in which the number of octahedral network of cations and anions of the Group 14 element is 2 or more and 8 or less. With this structure, the compound of this embodiment can be produced at a low temperature, has a large exciton binding energy, and is excellent in thermal stability. In addition, in this embodiment, "excellent in thermal stability" means that the thermal decomposition temperature and/or the thermal decomposition start temperature is higher. Moreover, "the binding energy of excitons is large" can be determined by whether or not exciton absorption is observed at room temperature for the compound.

(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、上記カチオンが、3種類以上のカチオンを含み、そのカチオンの5モル%以上90モル%以下が第14族元素カチオンであり、上記カチオンの5モル%以上90モル%以下が、炭素数3以上20以下の有機分子カチオンAであり、上記カチオンの5モル%以上90モル%以下が第1族元素カチオン、及び/又は、炭素数が2以下かつ炭素数と窒素数との和が3以上5以下の有機分子カチオンBである。このように化合物がカチオンを3種類以上含むことで、層状構造と上記八面体ネットワークの層数が複数である構造を共に含む層状ペロブスカイト構造を形成することができる。なお、層状ペロブスカイト構造とは、少なくとも後述の層間を含むペロブスカイト構造である結晶構造を意味する。
(Compound)
The compound of the present embodiment is a compound containing a cation and an anion, wherein the cation contains three or more kinds of cations, and 5 mol% or more and 90 mol% or less of the cation is a Group 14 element cation, 5 mol% to 90 mol% of the cation is an organic molecular cation A having 3 to 20 carbon atoms, and 5 mol% to 90 mol% of the cation is a Group 1 element cation and/or carbon It is an organic molecular cation B having a number of 2 or less and a sum of carbon number and nitrogen number of 3 or more and 5 or less. As described above, when the compound contains three or more kinds of cations, it is possible to form a layered perovskite structure including both the layered structure and the structure in which the octahedral network has a plurality of layers. The layered perovskite structure means a crystal structure that is a perovskite structure including at least the layers described below.

上記八面体ネットワークを形成するために更に有利となる観点から、化合物に含まれるカチオンの全量(100モル%。以下同様。)に対する第14族元素カチオンの含有量は10モル%以上であることが好ましく、15モル%以上であることがより好ましく、30モル%以上であることがさらに好ましく、40モル%以上であることが特に好ましい。また、層状構造の形成に更に有利となる観点から、化合物に含まれるカチオンの全量に対する第14族元素カチオンの含有量は80モル%以下であることが好ましく、75モル%以下であることがより好ましく、70%以下であることがさらに好ましく、65モル%以下であることが特に好ましい。 From the viewpoint of being more advantageous for forming the octahedral network, the content of Group 14 element cations relative to the total amount of cations contained in the compound (100 mol%; the same applies hereinafter) is 10 mol% or more. It is more preferably 15 mol% or more, still more preferably 30 mol% or more, and particularly preferably 40 mol% or more. In addition, from the viewpoint of further facilitating the formation of the layered structure, the content of the Group 14 element cation with respect to the total amount of cations contained in the compound is preferably 80 mol% or less, and more preferably 75 mol% or less. It is preferably 70% or less, more preferably 65 mol% or less.

第14族元素カチオンとしては、特に限定されないが、例えば、Si4+、Ge2+、Ge4+、Sn2+、Sn4+、及びPb2+が挙げられる。第14族元素カチオンと第17族元素アニオンとの八面体構造の形成により有利である観点から、第14族元素カチオンは2価のカチオンであることが好ましく、具体的には、Ge2+、Sn2+又はPb2+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、第14族元素カチオンはSn2+、又はPb2+がより好ましく、Pb2+がさらに好ましい。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く、錫カチオン又は鉛カチオンであることが極めて好ましい。第14族元素カチオンは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。 The Group 14 element cation is not particularly limited, and examples thereof include Si 4+ , Ge 2+ , Ge 4+ , Sn 2+ , Sn 4+ , and Pb 2+ . From the viewpoint of being more advantageous in forming an octahedral structure of the group 14 element cation and the group 17 element anion, the group 14 element cation is preferably a divalent cation, specifically, Ge 2+ , Sn 2+ or Pb 2+ is preferred. Further, from the viewpoint of being relatively stable against oxidation, the Group 14 element cation is more preferably Sn 2+ or Pb 2+ , further preferably Pb 2+ . In this embodiment, the Group 14 element cation particularly preferably contains at least one of a tin cation and a lead cation, and a tin cation or a lead cation is particularly preferable. The Group 14 element cations may be used alone or in combination of two or more.

本実施形態の化合物において、カチオンは、炭素数が3以上20以下の有機分子カチオンAを含む。有機分子カチオンAの炭素数が3以上20以下であることで、該化合物は一層有効かつ確実に層状構造を形成することができる。有機分子カチオンAの炭素鎖は、直鎖、分岐鎖及び環状構造のうち1つ以上を含むことができる。ここで、「直鎖」とは、分岐鎖のない炭素鎖などを含み、芳香環は含まない。より緻密に有機分子カチオンAを化合物に含ませることができる観点から、有機分子カチオンAの炭素鎖は直鎖のみであることが好ましい。また、有機分子カチオンAの熱安定性に更に有利である観点から、有機分子カチオンAの炭素鎖は芳香環を含むことが好ましい。上記八面体ネットワークの層数が複数層である構造を含む層状ペロブスカイト構造の形成により有利である観点から、有機分子カチオンAの炭素数は、4以上であると好ましく、6以上であるとさらに好ましい。一方、ペロブスカイト構造の形成により有利となる観点から、有機分子カチオンAの炭素数は、10以下であると好ましく、8以下であるとより好ましく、6以下であるとさらに好ましい。有機分子カチオンAは、結晶形成により有利である観点から、アンモニウムカチオンを含むことが好ましい。また、結晶形成により有利である観点から、有機分子カチオンAに含まれるアンモニウムカチオンの数は、1以上4以下であることが好ましく、1以上2以下であることがより好ましく、1であることが最も好ましい。有機分子カチオンAの具体例としては、例えば、プロピルアンモニウム、ブチルアンモンニウム、ペンチルアンモニウム、ヘキシルアンモニウム、ヘプチルアンモニウム、オクチルアンモニウム、ノナンアンモニウム、デカンアンモニウム、アニリン、プロピルジアンモニウム、ブチルジアンモンニウム、ペンチルジアンモニウム、ヘキシルジアンモニウム、ヘプチルジアンモニウム、オクチルジアンモニウム、ノナンジアンモニウム、及びデカンジアンモニウムが挙げられ、ペロブスカイト構造の形成により有利である観点から、プロピルアンモニウム、ブチルアンモンニウム、ペンチルアンモニウム、ヘキシルアンモニウム、ブチルジアンモンニウム、ペンチルジアンモニウム、ヘキシルジアンモニウム、ヘプチルジアンモニウム、オクチルジアンモニウム、ノナンジアンモニウム、及びデカンジアンモニウムが好ましく、プロピルアンモニウム、ブチルアンモンニウム、ペンチルアンモニウム、及びヘキシルアンモニウムがより好ましい。有機分子カチオンAは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。 In the compound of the present embodiment, the cation includes an organic molecular cation A having 3 to 20 carbon atoms. When the organic molecule cation A has 3 or more and 20 or less carbon atoms, the compound can form a layered structure more effectively and surely. The carbon chain of the organic molecular cation A may include one or more of a straight chain, a branched chain and a cyclic structure. Here, the term “straight chain” includes a carbon chain having no branched chain, and does not include an aromatic ring. From the viewpoint that the organic molecule cation A can be more densely included in the compound, the carbon chain of the organic molecule cation A is preferably only a straight chain. Further, from the viewpoint of being more advantageous to the thermal stability of the organic molecule cation A, the carbon chain of the organic molecule cation A preferably contains an aromatic ring. From the viewpoint of being more advantageous in forming a layered perovskite structure including a structure in which the octahedral network has a plurality of layers, the organic molecule cation A preferably has 4 or more carbon atoms, and more preferably 6 or more carbon atoms. .. On the other hand, the carbon number of the organic molecule cation A is preferably 10 or less, more preferably 8 or less, and further preferably 6 or less, from the viewpoint of being more advantageous in forming the perovskite structure. The organic molecule cation A preferably contains an ammonium cation from the viewpoint of being more advantageous for crystal formation. Further, from the viewpoint of being more advantageous for crystal formation, the number of ammonium cations contained in the organic molecule cation A is preferably 1 or more and 4 or less, more preferably 1 or more and 2 or less, and preferably 1. Most preferred. Specific examples of the organic molecular cation A include, for example, propylammonium, butylammonium, pentylammonium, hexylammonium, heptylammonium, octylammonium, nonanammonium, decanammonium, aniline, propyldiammonium, butyldiammonium, pentyldiammonium. Ammonium, hexyl diammonium, heptyl diammonium, octyl diammonium, nonanediammonium, and decane diammonium, from the viewpoint of being more advantageous for the formation of perovskite structure, propylammonium, butylammonium, pentylammonium, hexylammonium, Butyl diammonium, pentyl diammonium, hexyl diammonium, heptyl diammonium, octyl diammonium, nonanediammonium, and decane diammonium are preferred, and propylammonium, butylammonium, pentylammonium, and hexylammonium are more preferred. The organic molecule cation A may be used alone or in combination of two or more.

化合物に含まれるカチオンの全量に対する有機分子カチオンAの含有量は、層状ペロブスカイト構造の形成に有利である観点から、10モル%以上であることが好ましく、20モル%以上であることがより好ましく、25モル%以上であることがさらに好ましい。また、その有機分子カチオンAの含有量は、より多くの八面体ネットワーク構造の形成に有利である観点から、70モル%以下であることが好ましく、60モル%以下がより好ましく、50モル%以下がさらに好ましい。 The content of the organic molecule cation A with respect to the total amount of cations contained in the compound is preferably 10 mol% or more, more preferably 20 mol% or more, from the viewpoint of being advantageous in forming the layered perovskite structure. It is more preferably 25 mol% or more. The content of the organic molecule cation A is preferably 70 mol% or less, more preferably 60 mol% or less, and 50 mol% or less from the viewpoint of being advantageous in forming more octahedral network structure. Is more preferable.

本実施形態において、化合物のカチオンのうち5モル%以上90モル%以下は、第1族元素カチオン、及び/又は、炭素数が2以下かつ炭素数と窒素数との和が3以上5以下の有機分子カチオンBである。化合物のカチオンが、所定量の第1族元素カチオンを含むことは、層状ペロブスカイト構造に上記八面体ネットワークの層数が複数層である構造を含ませること、熱安定性の向上、及び動作安定性の向上の観点から重要である。なお、本実施形態において、「動作安定性に優れる」とは、相転移温度が0℃以上の範囲でより高温であることを意味する。動作安定性に優れることは、示差走査熱量計などにより評価することができる。また、化合物のカチオンが、所定量の炭素数が2以下かつ炭素数と窒素数との和が3以上5以下の有機分子カチオンBを含むことは、化合物の層状ペロブスカイト構造により多層の八面体ネットワーク構造を含ませること、熱安定性の向上、結晶性の向上、及びc軸配向性の向上の観点から重要である。化合物のカチオンは、第1族元素カチオン及び炭素数が2以下かつ炭素数と窒素数との和が3以上5以下の有機分子カチオンBのいずれか一方を含んでもよく、両方を含んでもよいが、それらの合計の含有量は、上述と同様の観点から、化合物に含まれるカチオンの全量に対して、5モル%以上であり、10モル%以上であると好ましく、14モル%以上であるとより好ましく、18モル%以上であると更に好ましい。それらの合計の含有量は、化合物の層状向上の形成に更に有利である観点から、化合物に含まれるカチオンの全量に対して、90モル%以下であり、80モル%以下であると好ましく、70モル%以下であるとより好ましく、60モル%以下であるとさらに好ましい。
なお、本実施形態における有機分子カチオンAと有機分子カチオンBとは、互いにその構造が異なるものである。
In the present embodiment, 5 mol% or more and 90 mol% or less of the cations of the compound are group 1 element cations and/or have a carbon number of 2 or less and a sum of carbon number and nitrogen number of 3 or more and 5 or less. It is an organic molecular cation B. The fact that the cation of the compound contains a predetermined amount of Group 1 element cation means that the layered perovskite structure has a structure in which the octahedral network has a plurality of layers, the thermal stability is improved, and the operation stability is improved. Is important from the perspective of improving. In the present embodiment, “excellent in operational stability” means that the phase transition temperature is higher in the range of 0° C. or higher. The excellent operational stability can be evaluated by a differential scanning calorimeter or the like. In addition, the fact that the cation of the compound contains a predetermined amount of the organic molecular cation B having a carbon number of 2 or less and the sum of the carbon number and the nitrogen number of 3 or more and 5 or less means that the compound has a layered perovskite structure to form a multilayer octahedral network. It is important from the viewpoint of including a structure, improving thermal stability, improving crystallinity, and improving c-axis orientation. The cation of the compound may include any one or both of a Group 1 element cation and an organic molecular cation B having a carbon number of 2 or less and a sum of the carbon number and the nitrogen number of 3 or more and 5 or less. From the same viewpoint as described above, the total content thereof is 5 mol% or more, preferably 10 mol% or more, and preferably 14 mol% or more with respect to the total amount of cations contained in the compound. More preferably, it is more preferably 18 mol% or more. The total content thereof is 90 mol% or less, preferably 80 mol% or less, with respect to the total amount of cations contained in the compound, from the viewpoint of being more advantageous for forming the layered improvement of the compound, 70 It is more preferably at most mol%, and even more preferably at most 60 mol%.
The organic molecular cation A and the organic molecular cation B in the present embodiment have different structures.

化合物に含まれるカチオンの全量に対する第1族元素カチオンの含有量は、化合物により多層の八面体ネットワークを含ませること、熱安定性の向上、動作安定性の向上、及び、凹凸の小さな薄膜形成に更に有利である観点から、10モル%以上であることが好ましく、14モル%以上であることがより好ましく、18モル%以上であることがさらに好ましい。その第1族元素カチオンの含有量は、化合物の層状構造の形成に更に有利である観点から、70モル%以下であることが好ましく、60モル%以下であることがより好ましく、50モル%以下であることがさらに好ましい。第1族元素カチオンとしては、具体的には、ナトリウムカチオン、カリウムカチオン、ルビジウムカチオン、及びセシウムカチオンが挙げられる。化合物に上記八面体ネットワークの層数が複数層である構造を含ませること、熱安定性の向上、動作安定性の向上、及び結晶性の向上により有利である観点から、第1族元素カチオンは、ルビジウムカチオン、又はセシウムカチオンであると好ましく、セシウムカチオンであるとより好ましい。第1族元素カチオンは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。 The content of Group 1 element cations with respect to the total amount of cations contained in the compound is such that the compound contains a multi-layered octahedral network, the thermal stability is improved, the operation stability is improved, and a thin film with small irregularities is formed. From the viewpoint of being more advantageous, it is preferably 10 mol% or more, more preferably 14 mol% or more, and further preferably 18 mol% or more. The content of the Group 1 element cation is preferably 70 mol% or less, more preferably 60 mol% or less, and 50 mol% or less from the viewpoint of being more advantageous in forming the layered structure of the compound. Is more preferable. Specific examples of the Group 1 element cations include sodium cations, potassium cations, rubidium cations, and cesium cations. From the viewpoint that the compound is advantageous in that it includes a structure in which the number of layers of the octahedral network is plural, thermal stability is improved, operation stability is improved, and crystallinity is improved, the Group 1 element cation is , A rubidium cation, or a cesium cation is preferable, and a cesium cation is more preferable. The Group 1 element cations may be used alone or in combination of two or more.

化合物に含まれるカチオンの全量に対する有機分子カチオンBの含有量は、化合物により多層の八面体ネットワーク構造を含ませること、熱安定性の向上、動作安定性の向上、結晶性の向上、c軸方向への配向形成、及び太陽電池光吸収層としての太陽光エネルギー変換の向上により有利である観点から、10モル%以上であることが好ましく、14モル%以上であることがより好ましく、18モル%以上であることがさらに好ましい。その有機分子カチオンBの含有量は、化合物の層状構造の形成に更に有利である観点から、70モル%以下であることが好ましく、60モル%以下であることがより好ましく、50モル%以下であることがさらに好ましい。有機分子カチオンBは、炭素数と窒素数との和が3以上5以下であることが、熱安定性の向上、動作安定性の向上、結晶性の向上、及びc軸方向への配向の形成により有利となる観点から重要である。熱安定性の向上、動作安定性の向上、結晶性の向上、及びc軸方向への配向形成などにより有利となる観点から、有機分子カチオンBの炭素数と窒素数との和は、3以上4以下であることが好ましく、3であることがより好ましい。有機分子カチオンBの炭素数は、化合物により多層の八面体ネットワーク構造を含ませること、熱安定性の向上、動作安定性の向上、結晶性の向上、及びc軸方向への配向形成に有利である観点から、1であることがさらに好ましい。また、有機分子カチオンBの窒素数は、化合物により多層の八面体ネットワーク構造を含ませる観点から、1以上4以下であることが好ましく、2以上3以下であることがより好ましく、2であることがさらに好ましい。有機分子カチオンBは、化合物に上記八面体ネットワークの層数が複数層である構造を含ませること、熱安定性の向上、動作安定性の向上、結晶性の向上、及びc軸方向への配向形成により有利である観点から、アンモニウムカチオンを含むことが好ましい。有機分子カチオンBとして、具体的には、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、及びグアニジウムカチオンが挙げられ、ホルムアミジニウムカチオンがとりわけ好ましい。有機分子カチオンBは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。 The content of the organic molecule cation B with respect to the total amount of cations contained in the compound is such that the compound contains a multi-layered octahedral network structure, the thermal stability is improved, the operation stability is improved, the crystallinity is improved, and the c-axis direction is increased. From the viewpoint of being advantageous in the formation of the orientation of the solar cells and the improvement of the solar energy conversion of the solar cell light absorption layer, it is preferably 10 mol% or more, more preferably 14 mol% or more, and 18 mol%. It is more preferable that the above is satisfied. The content of the organic molecular cation B is preferably 70 mol% or less, more preferably 60 mol% or less, and 50 mol% or less from the viewpoint of being more advantageous in forming the layered structure of the compound. It is more preferable that there is. In the organic molecule cation B, the sum of the number of carbon atoms and the number of nitrogen atoms is 3 or more and 5 or less, so that thermal stability is improved, operation stability is improved, crystallinity is improved, and orientation in the c-axis direction is formed. It is important from the viewpoint of becoming more advantageous. The sum of the carbon number and the nitrogen number of the organic molecule cation B is 3 or more from the viewpoint of being advantageous due to the improvement of thermal stability, the improvement of operation stability, the improvement of crystallinity, and the formation of orientation in the c-axis direction. It is preferably 4 or less, and more preferably 3. The carbon number of the organic molecular cation B is advantageous for inclusion of a multi-layered octahedral network structure depending on the compound, improvement of thermal stability, improvement of operation stability, improvement of crystallinity, and formation of orientation in the c-axis direction. From a certain viewpoint, 1 is more preferable. The nitrogen number of the organic molecular cation B is preferably 1 or more and 4 or less, more preferably 2 or more and 3 or less, and 2 from the viewpoint of including a multilayer octahedral network structure with a compound. Is more preferable. The organic molecular cation B includes the compound having a structure in which the number of layers of the octahedral network is plural, the thermal stability is improved, the operation stability is improved, the crystallinity is improved, and the orientation in the c-axis direction is performed. From the viewpoint of being more advantageous for formation, it is preferable to include an ammonium cation. Specific examples of the organic molecule cation B include formamidinium cation, acetamidinium cation, and guanidinium cation, and formamidinium cation is particularly preferable. The organic molecular cation B is used alone or in combination of two or more.

化合物は、そこに含まれるアニオンの全量(100モル%)に対して、第17族元素アニオンを30モル%以上100モル%以下含む。化合物が第17族元素アニオンを30モル%以上100モル%以下含むことは、低温での結晶の形成、及び半導体特性の向上に重要である。化合物に含まれるアニオンの全量に対する第17族元素アニオンの含有量は、化合物が異なる種類の第17族元素アニオンを含む場合は、それらのモル比率の総和である。低温での結晶の形成、及び半導体特性の向上により有利となる観点から、化合物に含まれるアニオンの全量に対する第17族元素アニオンの含有量は、55モル%以上であることが好ましく、65%以上であることがより好ましく、80モル%以上である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、及び塩素が挙げられる。結晶化に有利である観点から、第17族元素は、ヨウ素、又は臭素を含むことが好ましい。ハンドギャップをより小さくする観点から、第17族元素は、ヨウ素を含むことがより好ましい。結晶性を向上させる観点から、第17族元素は、臭素を含むことがより好ましい。第17族元素は1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。 The compound contains the group 17 element anion in an amount of 30 mol% or more and 100 mol% or less based on the total amount (100 mol%) of anions contained therein. It is important for the compound to contain the group 17 element anion in an amount of 30 mol% or more and 100 mol% or less to form crystals at low temperatures and improve semiconductor characteristics. When the compound contains different kinds of Group 17 element anions, the content of the Group 17 element anions with respect to the total amount of anions contained in the compound is the sum of their molar ratios. From the viewpoint of being more advantageous in forming crystals at low temperatures and improving semiconductor properties, the content of the Group 17 element anion relative to the total amount of anions contained in the compound is preferably 55 mol% or more, and 65% or more. Is more preferable and 80 mol% or more is further preferable. The specific Group 17 element is not particularly limited, but examples thereof include iodine, bromine, and chlorine. From the viewpoint of being advantageous for crystallization, the Group 17 element preferably contains iodine or bromine. From the viewpoint of further reducing the hand gap, the Group 17 element more preferably contains iodine. From the viewpoint of improving crystallinity, the Group 17 element more preferably contains bromine. The Group 17 elements may be used alone or in combination of two or more.

本実施形態において、化合物は結晶構造として複数層連なる八面体ネットワーク構造を含む層状ペロブスカイト構造を有する。化合物が、そのようなペロブスカイト構造を有することで、六方晶や斜方晶に比べ、電荷の移動に有利になる。本実施形態におけるペロブスカイト構造を有する化合物は、例えば、Aa 2b27という一般式で表され、Aサイト(Aaサイト及びAb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。そのような化合物としては、例えば、(C613NH32(CHNHNH3)Pb27が挙げられる。この化合物において、AaサイトのカチオンはC613NH3 +に、AbサイトのカチオンはCHNHNH3 +に、BサイトのカチオンはPb2+に、XサイトのカチオンはI-に、それぞれ対応する。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、8面体を形成している。この8面体構造の少なくとも一部は、隣り合う8面体構造と頂点共有している。本実施形態における層状構造とは、層間を有する構造を意味し、層間とは、BサイトのカチオンとXサイトのアニオンによる8面体構造が頂点共有していない面を有する構造を指す。また、層状ペロブスカイト構造とは、上記層状構造を有し、かつ上記8面体が連なった平面構造(以下、「8面体平面構造」という。)を有する構造を意味する。また、第14族元素カチオンとアニオンとによる八面体ネットワークとは、上記8面体平面構造が2層以上重なった構造を意味し、例えば各8面体の5つ以上が頂点共有している構造である。この結晶構造は、X線結晶構造解析や透過型電子顕微鏡像の格子像などの種々の公知の手法により評価することができる。 In this embodiment, the compound has a layered perovskite structure including an octahedral network structure in which a plurality of layers are connected as a crystal structure. Since the compound has such a perovskite structure, it is more advantageous in charge transfer than hexagonal crystals and orthorhombic crystals. The compound having a perovskite structure in the present embodiment is represented by, for example, a general formula of A a 2 A b B 2 X 7 , and the cations of the A site (A a site and A b site) and the B site, and the X site Composed of anions. Examples of such a compound include (C 6 H 13 NH 3 ) 2 (CHNHNH 3 )Pb 2 I 7 . In this compound, the cation at the A a site is C 6 H 13 NH 3 + , the cation at the A b site is CHNHNH 3 + , the cation at the B site is Pb 2+ , and the cation at the X site is I . Correspond. The cation at the B site is bound to the anion at the X site in hexacoordinate, forming an octahedron. At least a part of the octahedron structure shares the vertex with the adjacent octahedron structure. The layered structure in the present embodiment means a structure having an interlayer, and the interlayer means a structure having a face in which an octahedral structure formed by a cation at the B site and an anion at the X site does not share a vertex. The layered perovskite structure means a structure having the layered structure and a planar structure in which the octahedrons are connected (hereinafter, referred to as “octahedral planar structure”). Further, the octahedral network composed of cations and anions of the Group 14 element means a structure in which two or more layers of the octahedral planar structure are overlapped, and for example, five or more of each octahedron share a vertex. .. This crystal structure can be evaluated by various known methods such as X-ray crystal structure analysis and a lattice image of a transmission electron microscope image.

本実施形態の化合物のペロブスカイト構造において、Aaサイトは有機分子カチオンA、Abサイトは第1族元素カチオン及び/又は有機分子カチオンB、Bサイトは第14族元素カチオン、Xサイトは第17族元素アニオンであることが好ましい。化合物における層状ペロブスカイト構造の層間距離は、層状ペロブスカイト構造の形成に有利である観点から、8Å以上40Å以下であることが好ましい。本実施形態において、層状ペロブスカイト構造に含まれる上記八面体ネットワークの層数が複数層である構造は、上記8面体平面構造が2層以上5層以下重なった構造を含むと好ましい。励起子の束縛エネルギーがより大きく、かつバンドギャップがより小さく、キャリアの移動により有利となるためには、8面体平面構造が2層以上5層以下重なった構造であると好ましい。励起子の束縛エネルギーを更に大きくする観点から、層状ペロブスカイト構造に含まれる上記八面体ネットワークの層数が複数層である構造は、8面体平面構造が4層以下重なることが好ましく、3層以下重なることがより好ましく、2層重なることがさらに好ましい。 In the perovskite structure of the compound of the present embodiment, A a site is an organic molecular cation A, A b site is a Group 1 element cation and/or organic molecular cation B, B site is a Group 14 element cation, and X site is a 17th group. It is preferably a group element anion. The interlayer distance of the layered perovskite structure in the compound is preferably 8 Å or more and 40 Å or less from the viewpoint of being advantageous in forming the layered perovskite structure. In the present embodiment, it is preferable that the structure in which the octahedral network included in the layered perovskite structure has a plurality of layers includes a structure in which the octahedral planar structure is overlapped by two or more layers and five or less layers. In order that the binding energy of excitons is larger, the band gap is smaller, and carrier movement is more advantageous, it is preferable that the octahedral planar structure has two or more layers and five or less layers. From the viewpoint of further increasing the binding energy of excitons, in the structure in which the octahedral network included in the layered perovskite structure has a plurality of layers, it is preferable that the octahedral planar structure has four or less overlapping layers, and three or less overlapping layers. It is more preferable that the two layers are overlapped.

太陽光には可視光域の光(>400nm)が多く含まれており、太陽光の有効利用のためには、化合物のバンドギャップが小さいことが有利である。そのような観点から、化合物のバンドギャップは、3.00eV以下であると好ましく、2.80eV以下であるとより好ましい。一方、光起電力をより大きくできること、透過した光をより有効に利用できること、及び、波長が同じ励起光を照射した際の発光波長によるエネルギー損失がより小さくなる観点から、化合物のバンドギャップは、1.80eV以上が好ましく、2.00eV以上がより好ましい。 A large amount of visible light (>400 nm) is included in sunlight, and it is advantageous that the compound has a small band gap for effective use of sunlight. From such a viewpoint, the band gap of the compound is preferably 3.00 eV or less, and more preferably 2.80 eV or less. On the other hand, from the viewpoint that the photovoltaic power can be made larger, the transmitted light can be used more effectively, and the energy loss due to the emission wavelength when the excitation light having the same wavelength is irradiated is smaller, the band gap of the compound is It is preferably 1.80 eV or higher, more preferably 2.00 eV or higher.

本実施形態において、熱分解温度及び/又は熱分解開始温度がより高温であることは、種々の公知の手法により評価することができ、例えば、重量減少から評価することができる。また、熱分解温度及び熱分解開始温度は、それぞれ、重量減少が5質量%となる温度、及び、1質量%となる温度として求めることができる。 In this embodiment, the higher thermal decomposition temperature and/or higher thermal decomposition start temperature can be evaluated by various known methods, for example, the weight reduction. Further, the thermal decomposition temperature and the thermal decomposition start temperature can be determined as a temperature at which the weight loss is 5% by mass and a temperature at which the weight loss is 1% by mass, respectively.

本実施形態の化合物は、様々な形態をとりうるが、取り扱いがより容易である観点から、固体粉末や薄膜の形態であることが好ましく、積層構造により有利である観点から、薄膜の形態であることがより好ましい。 The compound of this embodiment may take various forms, but it is preferably in the form of a solid powder or a thin film from the viewpoint of easier handling, and in the form of a thin film from the viewpoint of being more advantageous in the laminated structure. Is more preferable.

化合物の結晶子径は、1nm以上500nm以下であることが好ましい。結晶性向上により有利である観点から、結晶子径は5nm以上がより好ましく、10nm以上がさらに好ましい。凹凸の小さな薄膜とするためにより有利である観点から、結晶子径は200nm以下が好ましく、100nm以下がより好ましい。 The crystallite size of the compound is preferably 1 nm or more and 500 nm or less. From the viewpoint of being more advantageous for improving the crystallinity, the crystallite size is more preferably 5 nm or more, further preferably 10 nm or more. The crystallite diameter is preferably 200 nm or less, and more preferably 100 nm or less, from the viewpoint of being more advantageous for forming a thin film having small irregularities.

(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。特に、低温条件で上記八面体ネットワークの層数が複数層である構造、及び層状ペロブスカイトを製造できる観点から、その製造方法は、化合物の製造方法であって、カチオンとアニオンとを含む化合物前駆体を調製する工程と、その化合物前駆体を0℃以上150℃以下の温度で加熱する工程とを有し、上記化合物前駆体において、カチオンが3種類以上のカチオンを含み、カチオンの5モル%以上90モル%以下が第14族元素カチオンであり、カチオンの5モル%以上90モル%以下が炭素数3以上20以下の有機分子カチオンAであり、カチオンの5モル%以上90モル%以下が第1族元素カチオン、及び/又は、炭素数が2以下かつ炭素数と窒素数との和が3以上5以下の有機分子カチオンBであり、アニオンの30モル%以上100モル%以下が第17族元素アニオンであり、上記加熱する工程により、化合物前駆体から、層状ペロブスカイト構造を有する結晶であり、層状ペロブスカイト構造における第14族元素カチオンとアニオンとによる八面体ネットワークの層数が2層以上8層以下である構造を形成する製造方法であると好ましい。すなわち、当該製造方法は、カチオンとアニオンとを含む化合物であって、上記カチオンが、3種類以上のカチオンを含み、そのカチオンの5モル%以上90モル%以下が第14族元素カチオンであり、上記カチオンの5モル%以上90モル%以下が炭素数3以上20以下の有機分子カチオンAであり、上記カチオンの5モル%以上90モル%以下が第1族元素カチオン、及び/又は、炭素数が2以下かつ炭素数と窒素数との和が3以上5以下の有機分子カチオンBであり、上記アニオンの30モル%以上100モル%以下が第17族元素のアニオンである化合物前駆体を、0℃以上150℃以下の温度で加熱することにより、層状ペロブスカイト構造を有し、その層状ペロブスカイト構造が2層以上8層以下の上記八面体ネットワークの層数が複数層である構造の結晶を形成する工程を含むことが好ましい。化合物前駆体に、所定のカチオン及びアニオンを含ませることは、層状ペロブスカイト構造を形成するために、重要となる。なお、本実施形態の化合物前駆体において、上記第14族元素カチオン以外のカチオンは、いわゆる対カチオンに相当する。
(Method for producing compound)
The method for producing the compound of the present embodiment is not particularly limited, and for example, it may be carried out by using a predetermined raw material described below and passing through predetermined steps. In particular, from the viewpoint that a structure in which the number of layers of the octahedral network is a plurality of layers under low temperature conditions and a layered perovskite can be produced, the production method is a method for producing a compound, and a compound precursor containing a cation and an anion. And a step of heating the compound precursor at a temperature of 0° C. or higher and 150° C. or lower, wherein the compound precursor has 3 or more kinds of cations and 5 mol% or more of the cations. 90 mol% or less is a Group 14 element cation, 5 mol% or more and 90 mol% or less of the cation is an organic molecular cation A having 3 to 20 carbon atoms, and 5 mol% or more and 90 mol% or less of the cation is A group 1 element cation and/or an organic molecular cation B having a carbon number of 2 or less and a sum of the carbon number and the nitrogen number of 3 or more and 5 or less, and 30 mol% or more and 100 mol% or less of the anion is Group 17 It is an element anion and is a crystal having a layered perovskite structure from the compound precursor by the heating step, and the number of layers of the octahedral network of the group 14 element cation and anion in the layered perovskite structure is 2 or more and 8 layers. The manufacturing method for forming the following structure is preferable. That is, the manufacturing method is a compound containing a cation and an anion, wherein the cation contains three or more kinds of cations, and 5 mol% or more and 90 mol% or less of the cation is a Group 14 element cation, 5 mol% to 90 mol% of the cation is an organic molecular cation A having 3 to 20 carbon atoms, and 5 mol% to 90 mol% of the cation is a group 1 element cation and/or a carbon number. Is an organic molecular cation B having a sum of carbon number and nitrogen number of 2 or less and 3 or more and 5 or less, and 30 mol% or more and 100 mol% or less of the anion is a compound precursor of the Group 17 element, By heating at a temperature of 0° C. or higher and 150° C. or lower, a crystal having a layered perovskite structure and having a layered perovskite structure having two or more layers and eight or less layers of the octahedral network is formed. It is preferable to include the step of It is important for the compound precursor to contain predetermined cations and anions in order to form a layered perovskite structure. In the compound precursor of this embodiment, cations other than the group 14 element cations correspond to so-called counter cations.

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カチオン元素を含む物質、及び構成するアニオン元素を含む物質が好ましい。特に、本実施形態の化合物の製造方法は、上記化合物前駆体を調製する工程が、非プロトン性極性溶剤と、上記対カチオンと、第14族元素カチオンと、第17族元素アニオンとを含む溶液であって、第17族元素アニオンと第14族元素カチオンとのモル比(第17族元素アニオン/第14族元素カチオン)が0.1以上10以下である溶液を調製する工程と、得られた溶液から溶剤を除去する工程とを有することが好ましい。 As a raw material of the compound of the present embodiment, a substance containing a cation element constituting the compound and a substance containing an anion element constituting the compound are preferable. In particular, in the method for producing the compound of the present embodiment, the step of preparing the compound precursor is a solution containing an aprotic polar solvent, the counter cation, a Group 14 element cation, and a Group 17 element anion. And a step of preparing a solution in which the molar ratio of the group 17 element anion and the group 14 element cation (group 17 element anion/group 14 cation) is 0.1 or more and 10 or less. And removing the solvent from the solution.

上記化合物について、具体的には、ハロゲン化金属、塩基とハロゲン化水素との塩などを原料とすることが好ましい。上記ハロゲン化金属を構成するハロゲン種は、新IUPACの周期表における第17族元素が好ましく、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、臭素及び塩素が挙げられ、化合物の結晶化に有利である観点から、ヨウ素及び臭素が好ましい。化合物のハンドギャップをより小さくする観点から、第17族元素はヨウ素であることより好ましい。結晶性を向上させる観点から、第17族元素は臭素であることがより好ましい。第17族元素は、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。 Specifically, it is preferable to use a metal halide, a salt of a base and hydrogen halide, or the like as a raw material for the above compound. The halogen species constituting the metal halide is preferably a Group 17 element in the new IUPAC periodic table, and specific Group 17 elements are not particularly limited, and examples thereof include iodine, bromine and chlorine. From the viewpoint of being advantageous for crystallization of the compound, iodine and bromine are preferable. From the viewpoint of reducing the hand gap of the compound, the Group 17 element is more preferably iodine. From the viewpoint of improving crystallinity, the Group 17 element is more preferably bromine. The Group 17 elements may be used alone or in combination of two 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、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、及びホルムアミジン・臭化水素塩が挙げられ、これらがさらに好ましい。当該塩は、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。 Specific examples of the salt of the above base and hydrogen halide include, but are not limited to, formamidine hydrogen chloride, formamidine hydrogen iodide, formamidine hydrogen bromide, acetamidine hydrogen chloride. , Acetamidine/hydrogen iodide, acetamidine/hydrobromide, guanidine/hydrogen chloride, guanidine/hydrogen iodide, guanidine/hydrobromide, etc., formamidine/hydrochloric acid salt, form Amidine/hydrogen iodide salts and formamidine/hydrobromide salts are mentioned, and these are more preferable. The said salt is used individually by 1 type or in combination of 2 or more types.

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、蒸着法及び固相法が挙げられる。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、上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、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ことが好ましい。その非プロトン性有機溶剤のなかでは、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、及びγブチロラクトンが好ましく、化合物の形成に有利である観点から、DMF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. Methods that do not use solvents include, but are not limited to, vapor deposition and solid phase methods. 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 crystallizing by removing the solvent from a solution in which the above raw materials are dissolved in the solvent. Is preferred. That is, the method for producing a compound according to the present embodiment, a substance containing the above-mentioned predetermined cation and anion, a step of dissolving a solution in an aprotic organic solvent to obtain a solution, and a step of removing the solvent from the solution It is preferable to include. In the above, it is preferable to use an aprotic organic solvent as the solvent from the viewpoint of being advantageous in dissolving the Group 14 element halide, which is a suitable raw material for the compound. Among the aprotic organic solvents, specifically, dimethylformamide (hereinafter referred to as DMF), dimethylsulfoxide, and γ-butyrolactone are preferable, and DMF is more preferable from the viewpoint of being advantageous in forming a compound.

上記溶液は、化合物に含まれる対カチオンと、第14族元素カチオンと、第17族元素アニオンとを含むことが好ましい。第17族元素アニオンと第14族元素カチオンとのモル比(第17族元素カチオン/第14族元素カチオン)は、0.1以上10以下であることが好ましく、0.5以上8以下であることがより好ましく、1以上5以下であることがさらに好ましい。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有する化合物の製造方法がとりわけ好ましい。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、及び、貧溶媒と接触又は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。 The solution preferably contains a counter cation contained in the compound, a Group 14 element cation, and a Group 17 element anion. The molar ratio of the group 17 element anion and the group 14 element cation (group 17 element cation/group 14 element cation) is preferably 0.1 or more and 10 or less, and 0.5 or more and 8 or less. It is more preferable that it is 1 or more and 5 or less. Particularly preferred is a method for producing a compound, which further comprises a 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, and examples thereof include a step of removing the solvent by evaporation by heating, and a step of removing the solvent which is a good solvent by contacting or mixing with the poor solvent.

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、スプレー法及び液相反応法が挙げられる。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。貧溶媒としては、例えば、ジエチルエーテル、アセトニトリル及びトルエンが挙げられる。 Methods for immobilizing raw materials for producing the compound, for example, a method for producing a compound in a thin film form include, but are not limited to, a spin coating method, a spray method and a liquid phase reaction method using a solution. The spin coating method is preferable from the viewpoint that there is little risk of ignition of the solution and/or the adjustment of the preparation method is easy. From the viewpoint of removing excess solvent and promoting nucleation, it is preferable to use a poor solvent for crystal formation. Examples of the poor solvent include diethyl ether, acetonitrile and toluene.

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。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。また、化合物の純度をより高くできる観点から、不活性雰囲気中で調製することが好ましい。 The atmosphere for producing the compound is not particularly limited and can be prepared, for example, in the air or an inert atmosphere. From the viewpoint of easier preparation, it is preferably prepared in the atmosphere. In addition, it is preferable to prepare the compound in an inert atmosphere from the viewpoint of increasing the purity of the compound.

(用途)
本実施形態の化合物は、半導体材料として使用することができる。本実施形態における半導体材料としては、例えば、バンドギャップが2eV以下である材料が挙げられる。
(Use)
The compound of this embodiment can be used as a semiconductor material. Examples of the semiconductor material in the present embodiment include materials having a band gap of 2 eV or less.

本実施形態の化合物は、他の用途に用いることもできる。具体的には、電子若しくは正孔又はイオンを伝導する材料、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が挙げられる。より具体的には、発光材料、太陽電池材料、太陽電池の光吸収層、光センサー、光触媒、イオン伝導材料、導電性材料、圧電素子、及びパワーデバイスが挙げられる。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。該化合物は、励起子の束縛エネルギーがより大きい観点から、発光材料としての使用が好ましい。化合物は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。さらに、特定波長の光を利用できる観点から、化合物は、光センサーとして利用することが好ましい。 The compound of this embodiment can also be used for other purposes. Specifically, a material that conducts electrons, holes, or ions, a material that utilizes generation of photoexcited carriers by light absorption, and a material that utilizes light emission by recombination thereof can be given. More specifically, examples thereof include a light emitting material, a solar cell material, a solar cell light absorption layer, an optical sensor, a photocatalyst, an ion conductive material, a conductive material, a piezoelectric element, and a power device. The ion in this embodiment refers to a cation or an anion that constitutes the material. From the viewpoint that the binding energy of excitons is larger, the compound is preferably used as a light emitting material. The compound is preferably a compound for the light absorption layer of a solar cell from the viewpoint of being able to absorb light having a wavelength contained in sunlight. Further, the compound is preferably used as an optical sensor from the viewpoint of being able to use light of a specific wavelength.

本実施形態の化合物は、優れた発光特性を有するため、該化合物を含む発光素子などに適用することが好ましい。本実施形態の化合物は、発光のストークスシフトを小さくできる、発光量子収率を大きくできるなどの特徴と相俟って、好適に発光材料として使用できる。 Since the compound of this embodiment has excellent light emitting characteristics, it is preferably applied to a light emitting device or the like containing the compound. The compound of the present embodiment can be preferably used as a light emitting material in combination with the features that the Stokes shift of light emission can be reduced and the light emission quantum yield can be increased.

本実施形態の化合物は、優れた光吸収特性を有するため、太陽電池セルに含ませると好ましく、特に、太陽電池セルに備えられる光吸収層が該化合物を含むと好ましい。このような化合物の使用によると、さらに、光電流密度、開放電圧、及びフィルファクターの少なくとも一つを向上させることで、当該化合物が有する光吸収特性と相俟って太陽光変換効率を向上させることができる。 The compound of the present embodiment has excellent light absorption properties, and thus is preferably contained in the solar battery cell, and particularly preferably, the light absorption layer provided in the solar battery cell contains the compound. The use of such a compound further improves at least one of photocurrent density, open circuit voltage, and fill factor, thereby improving the solar conversion efficiency in combination with the light absorption property of the compound. be able to.

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各種物性及び反応条件は、以下に示す方法により測定及び設定した。 Hereinafter, the present embodiment will be described more specifically with reference to specific examples and comparative examples. However, the present embodiment is not limited to these examples and comparative examples unless the gist of the present embodiment is exceeded. Absent. Various physical properties and reaction conditions in Examples and Comparative Examples described later were measured and set by the following methods.

(結晶構造)
化合物の結晶構造は、X線回折装置(製品名「SmartLab」、リガク社製)を用いて測定したCuα線による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であるかは、PbカチオンとIアニオンによる八面体が頂点共有している構造において、Pbカチオンとヨウ素アニオンとによる面間の回折に由来する、2θ=14〜15°の回折ピークにより判定した。また、層状構造を有するか否かの判定は、該化合物のXRDパターンに、2θ=11°(d=8Å)よりも低角度の回折ピークを有する場合は層状構造ありと判定し、そのような回折ピークを有しない場合は層状構造なしと判定した。第14族元素カチオンとアニオンとによる八面体ネットワーク数は、最低角度の回折ピークのd値が、21〜25°である場合は2層であると判定した。結晶子径は、回折ピークの半値幅からシェラー式により算出することで求めた。
(Crystal structure)
The crystal structure of the compound was evaluated from the X-ray diffraction (XRD) pattern by Cu α-ray measured using an X-ray diffractometer (product name “SmartLab”, manufactured by Rigaku Corporation). In particular, whether the structure is a perovskite structure is a diffraction peak at 2θ=14 to 15°, which is derived from the inter-plane diffraction by the Pb cation and the iodine anion in the structure in which the octahedron by the Pb cation and the I anion share a vertex. It was judged by. Further, it is determined whether or not the compound has a layered structure, when the XRD pattern of the compound has a diffraction peak at an angle lower than 2θ=11° (d=8Å), it is determined that the compound has a layered structure. When it did not have a diffraction peak, it was determined that there was no layered structure. The number of octahedral networks formed by group 14 cations and anions was determined to be two layers when the d value of the diffraction peak at the lowest angle was 21 to 25°. The crystallite size was calculated by the Scherrer formula from the half width of the diffraction peak.

(励起子吸収)
励起子吸収の評価は、該化合物の室温における吸収スペクトルを紫外可視近赤外分光計(製品名「UV−PC3100」、SHIMADZU社製)を用いて測定し、その吸収スペクトルが励起子吸収を有するか否かにより、判定した。室温にて励起子吸収を有する場合は励起子の束縛エネルギーが大きく、有しない場合は励起子の束縛エネルギーが小さいことを意味する。
(Exciton absorption)
The exciton absorption is evaluated by measuring the absorption spectrum of the compound at room temperature using an ultraviolet-visible near-infrared spectrometer (product name “UV-PC3100”, manufactured by SHIMADZU), and the absorption spectrum has exciton absorption. It was judged whether or not. When it has exciton absorption at room temperature, it means that the binding energy of excitons is large, and when it does not have it, the binding energy of excitons is small.

(熱分解開始温度)
化合物の熱分解開始温度は、示差熱熱重量同時測定装置(製品名「TG−DTA7200」、SIIナノテクノロジー社製)を用いた熱重量測定にて、昇温速度10(C/minの条件で測定を行った。重量減少が1質量%となった温度を熱分解開始温度、5質量%となった温度を熱分解温度とした。
(Pyrolysis start temperature)
The thermal decomposition start temperature of the compound was determined by thermogravimetric measurement using a differential thermogravimetric simultaneous measurement device (product name “TG-DTA7200”, manufactured by SII Nanotechnology Inc.) at a heating rate of 10 (C/min). The measurement was carried out, and the temperature at which the weight loss was 1% by mass was taken as the thermal decomposition start temperature and the temperature at which the weight loss was 5% by mass was taken as the thermal decomposition temperature.

(相転移温度)
化合物の相転移温度は、示差走査熱量計(製品名「DSC7020」、SIIナノテクノロジー社製)により評価した。昇温速度及び降温速度を10(C/minに設定した。0℃以上で観測される、最も低温の相転移温度を相転移温度とした。
(Phase transition temperature)
The phase transition temperature of the compound was evaluated by a differential scanning calorimeter (product name “DSC7020”, manufactured by SII Nanotechnology Inc.). The temperature raising rate and the temperature lowering rate were set to 10 (C/min. The lowest phase transition temperature observed at 0° C. or higher was defined as the phase transition temperature.

(ペロブスカイト形成温度)
化合物のペロブスカイト形成温度は、ペロブスカイト構造を形成した化合物について、製膜した温度とした。
(Perovskite formation temperature)
The perovskite formation temperature of the compound was the temperature at which the compound having the perovskite structure was formed.

下記に示すとおり、実施例1〜4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 4 and Comparative Example 1 were prepared and their physical properties were evaluated.

(実施例1)
溶剤としてDMFを用い、これに0.5Mのヘキシルアミン・ヨウ化水素塩と、0.25Mのホルムアミジン・ヨウ化水素塩と、0.5Mのヨウ化鉛とを溶解させて、溶液1を得た。基板として石英板を用い、溶液1をその基板に200μL滴下した。その後、3000rpmで30秒間スピンコートし、乾燥させることで基板上に薄膜サンプルを得た。サンプルの結晶構造及び吸収スペクトルを評価した。また、基板上のサンプルを粉末として回収し、熱重量測定、及び示差走査熱量測定を行った。評価した結果を表1に示す。
(Example 1)
Using DMF as a solvent, 0.5M hexylamine hydrogen iodide salt, 0.25M formamidine hydrogen iodide salt, and 0.5M lead iodide were dissolved to prepare solution 1. Obtained. A quartz plate was used as a substrate, and 200 μL of the solution 1 was dropped on the substrate. Then, a thin film sample was obtained on the substrate by spin coating at 3000 rpm for 30 seconds and drying. The crystal structure and absorption spectrum of the sample were evaluated. In addition, the sample on the substrate was collected as powder, and thermogravimetric measurement and differential scanning calorimetry were performed. The evaluation results are shown in Table 1.

(実施例2)
溶剤としてDMFを用い、これに0.5Mのヘキシルアミン・ヨウ化水素塩と、0.25Mのヨウ化セシウムと、0.5Mのヨウ化鉛とを溶解させて、溶液2を得た。溶液1に代えて溶液2を用いた以外は実施例1と同様に操作を行った。評価した結果を表1に示す。
(Example 2)
Using DMF as a solvent, 0.5M hexylamine/hydrogen iodide salt, 0.25M cesium iodide, and 0.5M lead iodide were dissolved to obtain solution 2. The same operation as in Example 1 was carried out except that Solution 2 was used instead of Solution 1. The evaluation results are shown in Table 1.

(比較例1)
溶剤としてDMFを用い、これに0.5Mのヘキシルアミン・ヨウ化水素塩と、0.25Mのメチルアンモニウム・ヨウ化水素塩と、0.5Mのヨウ化鉛とを溶解させて、溶液3を得た。溶液1に代えて溶液3を用いた以外は実施例1と同様に操作を行った。評価した結果を表1に示す。
(Comparative Example 1)
DMF was used as a solvent, 0.5M hexylamine hydrogen iodide salt, 0.25M methylammonium hydrogen iodide salt, and 0.5M lead iodide were dissolved therein to prepare solution 3. Obtained. The same operation as in Example 1 was performed except that Solution 3 was used instead of Solution 1. The evaluation results are shown in Table 1.

Figure 0006709443
Figure 0006709443

実施例1及び2と比較例1とを比較すると、いずれも20℃程度の低温でぺロブスカイト構造を形成し、電荷移動などに有利な化合物であることがわかる。なお、第14族元素カチオンとアニオンとによる八面体ネットワークは、実施例1及び2と比較例1のいずれも2層であった。また、室温にて励起子吸収も観測されたことから、本実施形態に係る化合物は、励起子について束縛エネルギーの大きな材料とすることができ、発光材料などとして有利になることがわかる。 Comparing Examples 1 and 2 with Comparative Example 1, it is understood that all of them are compounds that form a perovskite structure at a low temperature of about 20° C. and are advantageous for charge transfer and the like. The octahedral network formed by the cations and anions of the Group 14 element was two layers in each of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1. In addition, since exciton absorption was also observed at room temperature, it can be seen that the compound according to this embodiment can be used as a material having a large binding energy for excitons, which is advantageous as a light emitting material.

実施例1及び2と比較例1との熱分解開始温度及び熱分解温度について比較すると、実施例1及び2の化合物は、比較例1の化合物よりも熱分解温度が向上し、熱安定性が改善することがわかる。また、この熱分解温度の序列は、(CHNHNH3+:ホルムアミジニウム>Cs+>(CH3NH3+:メチルアンモニウムとなった。このことから、熱安定性は、上記八面体ネットワークの層数が複数層である構造のAbサイトカチオンの沸点のみによるわけではなく、形成した結晶の立体的安定性や、Abサイトカチオンのカチオン性などの静電的安定性の兼ね合いによって決まることがわかる。 Comparing the thermal decomposition start temperature and the thermal decomposition temperature of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1, the compounds of Examples 1 and 2 have a higher thermal decomposition temperature than the compound of Comparative Example 1, and the thermal stability is higher. It turns out that it will improve. The order of the thermal decomposition temperatures was (CHNHNH 3 ) + :formamidinium>Cs + >(CH 3 NH 3 ) + :methylammonium. From this, the thermal stability does not depend only on the boiling point of the A b site cation having a structure in which the number of layers of the octahedral network is plural, but the steric stability of the formed crystal and the A b site cation It can be seen that it depends on the balance of electrostatic stability such as cationicity.

実施例2と比較例1の相転移温度を比較すると、本実施形態の化合物に係る実施例2では、相転移温度が高くなり、動作安定性に優れることがわかった。 Comparing the phase transition temperatures of Example 2 and Comparative Example 1, it was found that Example 2 relating to the compound of the present embodiment has a high phase transition temperature and is excellent in operational stability.

実施例1及び2と比較例1とを比較すると、Abサイトを炭素数と窒素数との和が3以上5以下の有機分子カチオンBとする実施例1は、ペロブスカイトの結晶子径は大きくなり、結晶性改善に有利になることがわかった。また、Abサイトを第一元素カチオンとする実施例2は、結晶子径は小さくなり、凹凸の小さな薄膜などの形成に有利であることがわかった。 Comparing Examples 1 and 2 with Comparative Example 1, in Example 1 in which the Ab site is an organic molecular cation B having a sum of carbon number and nitrogen number of 3 or more and 5 or less, the crystallite diameter of the perovskite is large. It was found that it was advantageous for improving the crystallinity. Further, it was found that Example 2 in which the Ab site is the cation of the first element has a small crystallite diameter, and is advantageous for forming a thin film having small unevenness.

本発明によると、低温で製造でき、励起子の束縛エネルギーが大きく、熱安定性に優れる化合物を提供できるので、半導体材料、より具体的には、発光材料、太陽電池の光吸収層などの太陽電池材料等の分野に産業上の利用可能性がある。 According to the present invention, it is possible to provide a compound which can be produced at a low temperature, has a large exciton binding energy, and is excellent in thermal stability. Therefore, a semiconductor material, more specifically, a light emitting material, a solar cell such as a light absorbing layer of a solar cell, can be provided. It has industrial applicability in fields such as battery materials.

Claims (19)

カチオンとアニオンとを含む化合物であって、前記カチオンが、3種類以上のカチオンを含み、
前記カチオンの5モル%以上90モル%以下が第14族元素カチオンであり、
前記カチオンの5モル%以上90モル%以下が炭素数3以上20以下の有機分子カチオンAであり、
前記カチオンの5モル%以上90モル%以下が第1族元素カチオンであり、
前記アニオンの30モル%以上100モル%以下が第17族元素アニオンであり、
前記化合物が結晶であり、前記結晶が層状ペロブスカイト構造を有し、
前記層状ペロブスカイト構造における第14族元素カチオンとアニオンとによる八面体ネットワークの層数が2層以上8層以下である構造を含む、化合物。
A compound containing a cation and an anion, wherein the cation contains three or more kinds of cations,
5 mol% to 90 mol% of the cation is a Group 14 element cation,
5 mol% to 90 mol% of the cation is an organic molecular cation A having 3 to 20 carbon atoms,
Below 90 mole% 5 mole% or more of the cation is an alkali metal Kachio down,
30 mol% or more and 100 mol% or less of the anions are Group 17 element anions,
The compound is a crystal, and the crystal has a layered perovskite structure,
A compound comprising a structure in which the number of layers of an octahedral network formed by cations and anions of a Group 14 element in the layered perovskite structure is 2 or more and 8 or less.
前記有機分子カチオンAがアンモニウムカチオンを含む、請求項1に記載の化合物。 The compound of claim 1, wherein the organic molecular cation A comprises an ammonium cation. 前記カチオンの10モル%以上70モル%以下が、前記第1族元素カチオンである、請求項1又は2に記載の化合物。 The compound according to claim 1 or 2 , wherein 10 mol% or more and 70 mol% or less of the cation is the Group 1 element cation. 前記第1族元素カチオンが、セシウムカチオンである、請求項1〜のいずれか1項に記載の化合物。 The alkali metal cation, a cesium cation, a compound according to any one of claims 1-3. カチオンとアニオンとを含む化合物であって、前記カチオンが、3種類以上のカチオンを含み、 A compound containing a cation and an anion, wherein the cation contains three or more kinds of cations,
前記カチオンの5モル%以上90モル%以下が第14族元素カチオンであり、 5 mol% to 90 mol% of the cation is a Group 14 element cation,
前記カチオンの5モル%以上90モル%以下が有機分子カチオンAであり、 5 mol% or more and 90 mol% or less of the cation is the organic molecule cation A,
前記カチオンの5モル%以上90モル%以下が有機分子カチオンBであり、 5 mol% or more and 90 mol% or less of the cation is the organic molecular cation B,
前記アニオンの30モル%以上100モル%以下が第17族元素アニオンであり、 30 mol% or more and 100 mol% or less of the anions are Group 17 element anions,
前記化合物が結晶であり、前記結晶が層状ペロブスカイト構造を有し、 The compound is a crystal, and the crystal has a layered perovskite structure,
前記層状ペロブスカイト構造における第14族元素カチオンとアニオンとによる八面体ネットワークの層数が2層以上8層以下である構造を含み、 The layered perovskite structure includes a structure in which the number of layers of an octahedral network formed by group 14 element cations and anions is 2 or more and 8 or less,
前記有機分子カチオンAが、炭素数が3以上20以下であり、かつ、1つのアンモニウムカチオンを有する有機分子アンモニウムカチオンであり、 The organic molecule cation A is an organic molecule ammonium cation having a carbon number of 3 or more and 20 or less and having one ammonium cation,
前記有機分子カチオンBが、ホルムアミジニウムカチオン及びアセトアミジニウムカチオンからなる群より選択される少なくとも1種のカチオンである、化合物。 The compound, wherein the organic molecular cation B is at least one cation selected from the group consisting of formamidinium cation and acetamidinium cation.
前記カチオンの10モル%以上70モル%以下が、前記有機分子カチオンBである、請求項5に記載の化合物。 The compound according to claim 5 , wherein 10 mol% or more and 70 mol% or less of the cation is the organic molecule cation B. 前記カチオンの10モル%以上70モル%以下が、前記有機分子カチオンAである、請求項1〜6のいずれか1項に記載の化合物。 The compound according to any one of claims 1 to 6 , wherein 10 mol% or more and 70 mol% or less of the cation is the organic molecule cation A. 前記有機分子カチオンAの炭素数が4以上10以下である、請求項1〜7のいずれか1項に記載の化合物。 The compound according to any one of claims 1 to 7, wherein the organic molecule cation A has 4 to 10 carbon atoms. 前記有機分子カチオンAの炭素鎖が直鎖のみである、請求項1〜のいずれか1項に記載の化合物。 The carbon chain of the organic molecules cation A is only linear compound according to any one of claims 1-8. 前記有機分子カチオンAの炭素鎖が芳香環を含む、請求項1〜のいずれか1項に記載の化合物。 The carbon chain of the organic molecules cation A is an aromatic ring, a compound according to any one of claims 1-8. 前記カチオンの10モル%以上70モル%以下が、前記第14族元素カチオンである、請求項1〜10のいずれか1項に記載の化合物。 To 70 mol% 10 mol% or more of the cations, the a Group 14 element cationic compound according to any one of claims 1 to 10. 前記第14族元素カチオンが、錫カチオン又は鉛カチオンである、請求項1〜11のいずれか1項に記載の化合物。 The Group 14 element cation, tin cation or lead cation, a compound according to any one of claims 1 to 11. 前記アニオンの55モル%以上100モル%以下が、前記第17族元素アニオンである、請求項1〜12のいずれか1項に記載の化合物。 The 100 mol% 55 mol% or more of anionic or less, the a group 17 element anionic compound according to any one of claims 1 to 12. 前記層状ペロブスカイト構造の前記八面体ネットワークの層数が2層以上3層以下である構造を含む、請求項1〜13のいずれか1項に記載の化合物。 Including the octahedral layer number of the network is three layers or less than the two-layer structure of the layered perovskite structure compound according to any one of claims 1 to 13. 請求項1〜14のいずれか1項に記載の化合物の製造方法であって、
前記カチオンと前記アニオンとを含む化合物前駆体を調製する工程と、
前記化合物前駆体を0℃以上150℃以下の温度で加熱する工程と、を有し、
前記化合物前駆体において、前記カチオンが、3種類以上のカチオンを含み、前記カチオンの5モル%以上90モル%以下が第14族元素カチオンであり、前記カチオンの5モル%以上90モル%以下が炭素数3以上20以下の有機分子カチオンAであり、前記カチオンの5モル%以上90モル%以下が第1族元素カチオン、及び/又は、ホルムアミジニウムカチオン及びアセトアミジニウムカチオンからなる群より選択される少なくとも1種のカチオンである有機分子カチオンBであり、前記アニオンの30モル%以上100モル%以下が第17族元素アニオンであり、
前記加熱する工程により、前記化合物前駆体から、層状ペロブスカイト構造を有する結晶であり、前記層状ペロブスカイト構造における第14族元素カチオンとアニオンとによる八面体ネットワークの層数が2層以上8層以下である構造を形成する、製造方法。
A process for the preparation of a compound according to any one of claims 1-14,
Preparing a compound precursor containing the cation and the anion,
Heating the compound precursor at a temperature of 0° C. or higher and 150° C. or lower,
In the compound precursor, the cation contains three or more kinds of cations, 5 mol% to 90 mol% of the cation is a Group 14 element cation, and 5 mol% to 90 mol% of the cation is An organic molecular cation A having 3 to 20 carbon atoms, 5 mol% to 90 mol% of said cation being a Group 1 element cation and/or a formamidinium cation and an acetamidinium cation An organic molecular cation B which is at least one kind of cation selected , and 30 mol% or more and 100 mol% or less of the anion is a Group 17 element anion,
By the heating step, the compound precursor is a crystal having a layered perovskite structure, and the number of layers of the octahedral network of the group 14 element cations and anions in the layered perovskite structure is 2 or more and 8 or less. A manufacturing method of forming a structure.
請求項1〜14のいずれか1項に記載の化合物の半導体材料としての使用。 Use as a semiconductor material of a compound according to any one of claims 1-14. 請求項1〜14のいずれか1項に記載の化合物の発光材料としての使用。 Use as a light emitting material of a compound according to any one of claims 1-14. 請求項1〜14のいずれか1項に記載の化合物の太陽電池材料としての使用。 Use as a solar cell material of a compound according to any one of claims 1-14. 請求項1〜14のいずれか1項に記載の化合物の太陽電池の光吸収層としての使用。 Use as a light absorbing layer of a solar cell of a compound according to any one of claims 1-14.
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