原位法制备高效稳定的FAPbBr3钙钛矿纳米晶及其在发光二极管中的应用

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近年来,钙钛矿材料凭借带隙可调、长的激子扩散长度和成本低等优势在显示、光伏等领域引起了极大的关注。在电致发光领域,获得稳定、高效和重复性高的钙钛矿发光材料和制备其相应的发光器件仍需要解决以下几个问题。其一,制备的钙钛矿发光层副产物多,晶粒尺寸不均一,重复性低;其二,在制备钙钛矿发光层中能耗较大,合成产率低和成本高,无法大规模制备;其三,钙钛矿材料和发光器件对光、热、湿度等稳定性差。因此,现在人们已经在把研究焦点放在改善并研发新的合成方法和钙钛矿材料体系,制备高效稳定钙钛矿晶体及其发光二极管上。针对以上问题,本论文以探索高效稳定的有机无机甲脒铅基杂化钙钛矿发光材料为中心,从优化原位法中有机配体碳链长度合成、甲脒铅基钙钛矿材料组分、以及提高钙钛矿纳米晶稳定性几个方面进行探究,主要研究内容如下:(1)优化有机胺类配体碳链长度原位制备高性能器件:使用有机胺类配体3,3-diphenylethylamine bromide(DPPA-Br)和2,2-diphenylethylamine bromide(DPEA-Br)原位制备FAPbBr3钙钛矿纳米晶及发光二极管。摸索原位法中前驱体溶液浓度和配体比例,确定最佳前驱体溶液浓度为0.2 M和配体比例为1:1:0.4。因减少配体碳链长度增加了薄膜的导电性,基于DPEA-Br配体的FAPbBr3钙钛矿发光二极管器件性能最佳且重复性高,最大器件亮度和电流效率分别为1059 cd/m2和2.59 cd/A,同比于DPPA-Br的发光器件,最大器件亮度和电流效率提升了7.9和1.69倍。此外,探究了成膜方式对薄膜质量和器件性能的影响。与一步法相比,原位法制备的薄膜结晶性高、膜层致密,其器件效率达到4.58 cd/A。(2)优化甲脒铅基钙钛矿材料体系提高器件性能:基于DPEA-Br配体原位制备的FAPbBr3与FA0.8Cs0.2Pb Br3两种钙钛矿发光器件。由于铯离子的离子半径小于甲脒离子,在光致发射光谱和XRD中出现了蓝移和小角度偏移现象。局限于Cs Br在DMF中溶解性,FA0.8Cs0.2Pb Br3最大前驱液浓度为0.15 M,溶液体系还不是很稳定,且钙钛矿成膜性差,器件重复性差,因此得出最佳甲脒铅基钙钛矿材料体系为FAPbBr3,最大电流效率为2.32 cd/A。(3)引入正辛基磷酸(OPA)钝化原位制备的FAPbBr3钙钛矿纳米晶提高其薄膜稳定性和器件性能:优化OPA浓度钝化FAPbBr3钙钛矿纳米晶表面缺陷提高其薄膜稳定性和器件效率,并对OPA-FAPbBr3钙钛矿纳米晶的光学、形貌以及器件性能进行表征。OPA中的P-OH脱掉H与钙钛矿纳米晶中游离的Pb2+配位,减少了荧光淬灭中心,使得钙钛矿纳米晶薄膜的平均寿命从42.55 ns提升到71.51 ns,荧光量子产率从17.01%提升到47.05%。以OPA-FAPbBr3钙钛矿纳米晶薄膜为发光层的器件,其最大亮度和电流效率分别从261 cd/m2,2.91 cd/A提升到了3273 cd/m2,17.70 cd/A,提升了12.5倍和6.1倍。本论文优化原位法中有机配体碳链长度合成、甲脒铅基钙钛矿材料组分以及提高钙钛矿纳米晶稳定性等几个方面进行探究,不仅原位制备出晶粒尺寸均一、膜层致密FAPbBr3钙钛矿纳米晶薄膜,还引入磷酸类配体减少钙钛矿表面缺陷和荧光淬灭中心,提高了薄膜的光学性能,成功制备出高效率Pe LEDs,为探索高效稳定的有机无机杂化钙钛矿发光材料及其发光二极管提供了可行性方案。
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