论文部分内容阅读
开发高效率,低功耗,低成本的半导体发光技术是缓解当前能源危机的有效手段。钙钛矿材料以其优异的光电性能受到了研究者们的极大关注,有望应用于新一代发光技术。自2014年首次报道钙钛矿电致发光器件以来,钙钛矿发光器件的研究飞速发展,目前所报道的最高外量子效率已超过20%,但是钙钛矿发光器件效率和稳定性的协同提高依然是未被解决的棘手问题。目前,钙钛矿发光器件稳定性差的主要原因在于钙钛矿材料自身的稳定性较差,易受到温度,湿度,氧气,电场等因素的影响。通过对钙钛矿材料的维度进行调控可以有效增强钙钛矿材料自身稳定性,因此对钙钛矿配体工程的研究是实现发光器件效率和稳定性协同提高的有效途径。本论文关注于钙钛矿材料配体工程的研究,通过对不同配体在钙钛矿材料中作用的研究,设计出高荧光量子效率,高稳定性的钙钛矿薄膜,从而制备出高性能的钙钛矿发光器件。主要包括以下具体的工作:（1）准二维无机CsPbBr3钙钛矿高稳定性发光器件相对于有机-无机杂化钙钛矿材料,全无机钙钛矿具有更好的稳定性,但是如何制备高性能的无机钙钛矿薄膜发光器件却是一个难题。本文开发了一种准二维CsPbBr3钙钛矿薄膜发光器件的制备方案,再结合以无机Cs4PbBr6表面包覆方法,得到高荧光量子效率的无机钙钛矿薄膜,基于此薄膜制备的发光器件在蓝绿色光区的外量子效率达到了4.51%,在该光谱区域超过了同类其他方法制备器件的效率。此外,在对器件更进一步的稳定性的研究中我们发现,相对与有机无机杂化体系和仅有准二维钙钛矿体系的发光器件,基于该新结构的器件的稳定性有了巨大的提升。（2）基于Dion-Jacobson结构的高稳定性有机无机杂化钙钛矿发光器件在钙钛矿电池中,Dion-Jacobson结构钙钛矿器件表现出了更好稳定性,但在发光器件的应用中却鲜有报道。本文研究了对苯二甲胺（BAB）作为钙钛矿薄膜结晶过程中的调控配体对最终形成的钙钛矿结构的影响,实验分析验证了Dion-Jacobson结构的钙钛矿薄膜的产生,并研究了基于此结构的钙钛矿在发光器件方面的应用。通过DFT计算分析,我们首先预言了Dion-Jacobson钙钛矿结构相对于传统的Ruddlesden-Popper钙钛矿结构具有更高的分解能,为我们制备高稳定性的钙钛矿发光器件提供了理论指导。通过对结晶过程的分析,我们成功制备了具有Dion-Jacobson结构的钙钛矿薄膜,基于Dion-Jacobson结构钙钛矿的发光器件的工作寿命超过100小时,与基于Ruddlesden-Popper结构钙钛矿的发光器件相比,寿命几乎提高了两个数量级,这是目前报道的有机-无机杂化钙钛矿发光器件的最长寿命。另外,我们对工作器件的薄膜稳定性进行原位跟踪,发现Dion-Jacobson结构钙钛矿薄膜在电场下连续运行后仍保持良好。此外,通过薄膜组分结构的优化,我们构建了梯度能级结构的钙钛矿量子阱薄膜,实现了最大外量子效率为5.20%及最高辐射强度为88.5 W sr-1 m-2的钙钛矿发光器件。（3）低温制备非晶SnOx用于高性能钙钛矿光电器件传输层材料是钙钛矿光电器件研究的基础,与器件的效率和稳定性密切相关。本文发展了一种新型中间体合成策略用于低温制备非晶态SnOx电子传输层,通过对电子传输层前驱体合成过程中溶剂及反应条件的选择我们得到了形貌完美且电学性质优异的非晶态电子传输层。在该传输层的基础上,我们制备了钙钛矿电池及发光器件。对于电池器件,由于非晶SnOx良好的传输性能,我们在以MAPbI3和FA0.85MA0.15PbI3为活性层的器件中分别得到18.7%和20.4%的光电转换效率,且器件在氮气手套箱中经过日光灯连续照射4800小时,依然可以保持最初效率的85%;对于发光器件,我们以层状PEA2MAn-1PbnI3n+1钙钛矿作为发光层,可得到辐射强度达23.8 W Sr-1 m-2,外量子效率为3.05%的发光器件。光电器件的制备使我们更加确信基于新方法制备的非晶SnOx有巨大的研究前景,为低温、简便制备电子传输层提供了一种全新的思路。（4）基于配体工程的高效钙钛矿量子点发光器件钙钛矿量子点的表界面缺陷和内部晶格缺陷为我们制备高性能发光器件带了很大的障碍;此外,极差的空气稳定性也为我们的应用研究带来了诸多不便。本文通过对表面配体及钝化处理的研究,发现通过合理的配体工程的设计,便可以实现钙钛矿量子点的光电性能及稳定性的巨大提升。本文中我们首先研究了双齿配体IDA对钙钛矿量子点的表面进行配体交换的影响,然后基于该配体交换的量子点制备了钙钛矿量子点发光器件,IDA配体处理的量子点器件表现出了更高效的激子辐射复合,最终发光器件的效率有了超过200%的巨大提升。在此工作的基础上,我们进一步研究钙钛矿量子点的缺陷对器件性能的影响,这里通过引入含卤的配体OAMCl来对量子点进行后处理,并结合器件能带结构设计方案,我们得到红光效率超过9%及蓝光效率超过2.2%的高效钙钛矿量子点发光器件。该工作旨在阐明,对钙钛矿量子点的缺陷进行深入的研究,找到钝化方案是提高钙钛矿量子点发光器件性能的有效途径。