高性能钙钛矿发光二极管的研究

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近年来,钙钛矿电致发光器件(PeLED)由于其成本低、发光色纯度高、制作工艺简单、可调谐带隙等优点而受到大家的广泛关注。目前其外量子效率已经达到14.3%,和传统的有机发光二极管(OLED)水平相当。虽然如此,但仍然存在很多亟待解决的问题。首先,器件的稳定性没有解决,且器件的亮度和效率也仍待加强。其次,目前大多数钙钛矿发光器件都只发出单一波长的单色光,而白光是复合光,若要实现白光钙钛矿发光器件,需要在发光层实现三基色的全彩发射,所以基于钙钛矿的复合白光器件目前鲜有报道。这些都是制约其商业化的关键因素。为了解决该领域的这些问题,本文以溶液法为前提,制作钙钛矿电致发光器件。首先,通过对钙钛矿发光层晶粒覆盖度以及界面载流子传输的改善,制作出了基于MAPbBr3和CsPbBr3的高效率高亮度的钙钛矿绿光器件。其次,通过简单的一步旋涂工艺制作出了理想的钙钛矿白光器件。其次下面是各章节的主要内容概述:第一章:我们首先介绍了PeLED的产生,其次介绍了钙钛矿发光二极管的基本情况,包括钙钛矿材料介绍、器件的工艺技术、最新的研究进展以及未来的发展趋势,最后简单介绍了本论文的主要研究目的及内容。第二章:我们采用了新的前驱体溶液制备方法,制作出了高质量的钙钛矿薄膜,其薄膜表面晶粒覆盖率达到100%,在提高覆盖度的同时改善载流子的注入平衡。一方面,我们通过在前驱体溶液中加入甲苯,由于MAPbBr3溶解于DMF而不溶解于甲苯,而甲苯和DMF这两种溶剂可以很好的互溶。所以,当我们在前驱体溶液中加入甲苯这种反溶解性溶剂后,可以减小钙钛矿在DMF中的溶解度,在旋涂时可以加快钙钛矿的结晶速率,提高覆盖度;另一方面,我们在前驱体溶液中加入电子传输材料TPBi和空穴传输材料PVK,通过调节这两种材料之间的比例,可以最优化的平衡电子和空穴的注入,提高器件的性能。其最佳配比的PeLED的启亮电压为2.8 V,最大亮度为7363 cd/m2,最大电流效率为9.45 cd/A。第三章:我们基于前期研究工作继续优化,在第三章最优化器件的基础上进一步提高器件的性能。具体来说,是在空穴注入层PEDOT:PSS中引入金纳米粒子(Au NPs),利用Au NPs表面等离子体局域共振效应(LSPR),加快PEDOT:PSS/MAPbBr3界面处激子的发光辐射退激速率,从而减少了该界面处的激子被附近的剩余载流子(空穴)淬灭的数量,使界面处更多的激子被用来发光,从而提高了激子的利用率。实验结果发现,在PEDOT:PSS层中加入Au NPs后,MAPbBr3钙钛矿薄膜的光致发光性能和电致发光性能都得到了明显的提高,分别为原来的2.4倍和1.5倍。其中,Au NPs修饰的PeLED的启亮电压为3.0 V,最大亮度为16050 cd/m2,最高电流效率为7.02 cd/A。第四章:我们基于CsPbBr3钙钛矿发光二极管,研究了在电子传输层1,3,5-三[(3-吡啶基)-3苯基]苯(TmPyPB)中掺杂一定比例的磷光发光材料双(4,6-苯基-N,C2)吡啶甲酰合铱(FIrpic),由于全无机钙钛矿CsPbBr3的吸收谱和FIrpic的发射谱重叠程度很高且两者之间的能级匹配度良好,两者之间可以建立很好的F?rster能量传递通道,所以可以大幅度的提高CsPbBr3/TmPyPB:FIrpic界面处的激子利用率,从而显著改善器件性能,最优化的掺杂器件的启亮电压为3.4 V,最大亮度为14363 cd/m2,最大电流效率为4.9 cd/A,与不掺杂FIrpic的标准器件相比,其亮度是原来的3.5倍,电流效率是原来的4.8倍。第五章:我们基于CH3NH3+(MA+)体系的钙钛矿发光二极管,研究了用溶液法制备的以1,3-二咔唑基苯基(mCP)和有机-无机杂化钙钛矿MAPbBr3混合膜作为发光层,制作出了一种能发射出理想白光的新型钙钛矿电致发光器件。研究发现,将小分子材料mCP以一定的质量比加入到MAPbBr3的前驱体溶液中,不仅可以有效改善膜面的覆盖度,同时器件由于mCP的引入也实现了全光谱发射,其中蓝紫光和绿光部分分别来自mCP和MAPbBr3的本征发射,而红光部分可能来自mCP和MAPbBr3之间激基复合物的发射,最终我们制作的白光PeLED的启亮电压为3.2 V,最大亮度为170 cd/m2,并且当偏压为7 V时,PeLED的CIE色坐标为(0.32,0.31),实现了理想的白光。
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