高效钙钛矿发光二极管发光层的制备及界面调控

来源 :华北电力大学(北京) | 被引量 : 0次 | 上传用户:betty5918
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金属卤化物钙钛矿材料凭借其优异的发光效率、色纯度高、光谱可调、载流子迁移率高等特点,有望成为未来显示领域的关键发光层材料。在过去的六年里,钙钛矿发光二极管(PeLEDs)的外量子效率(EQE)已经由不足1%提升至20%。这类材料可以通过简单、低成本的溶液加工的方式直接在基底上生长出低缺陷态密度、高荧光量子产率且传输性能优异的钙钛矿薄膜。对于钙钛矿发光层的可控制备和界面层的优化对器件性能的提升起着关键的作用。鉴于此,我们探究了非化学计量比前驱体策略、添加剂工程和溶剂后处理工艺等对钙钛矿发光层的影响,同时结合了不同传输层对钙钛矿发光二极管的器件性能进行不断优化。具体工作如下:1.以有机-无机杂化钙钛矿体系为研究出发点,研究了前驱体溶液中过量的铵盐对钙钛矿发光层形貌、光学性质和晶体结构的影响。通过非化学计量比的前驱体比例,我们使用简单的一步旋涂的方法制备了完全覆盖的、高量子产率的钙钛矿薄膜,并将其作为发光层材料制备成电致发光器件。其中,基于甲胺溴化铅(MAPbBr3)的绿光PeLED器件最高亮度达到8794 cd m-2最大电流效率为5.1 cd A-1。不仅如此,通过卤素替换的策略,我们获得了一系列半峰宽(FWHM)窄、发射光谱可调的PeLED器件,各种颜色的器件亮度都超过了 100 cd m-2。除此之外,为了改善器件的稳定性,我们将非化学计量比前驱体策略应用到全无机CsPbBr3体系中。我们将传统的带有酸性的空穴注入层(HIL)聚3,4-乙撑二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)替换为氧化镍(NiOx)HIL。通过非化学计量比前驱体策略和聚合物添加剂的共同作用,在NiOx基底上制备了致密且量子产率高的多晶CsPbBr3薄膜。与PEDOT:PSS作为HIL的器件相比,基于NiOx的CsPbBr3 PeLED器件获得了 23828 cd m-2的最高亮度和9.54 cd A-1的电流效率,分别是PEDOT:PSS基器件的1.6和3.3倍。2.准二维钙钛矿中长链阳离子的引入往往会降低发光层的电荷传输性能并导致较高的启动电压。如何平衡电荷传输性能和高量子产率是制备高性能PeLED器件的关键。我们往CsPbBr3钙钛矿中引入正丁胺溴(BABr)和聚氧化乙烯(PEO),构筑了一种BA2(CsPbBr3)n-1PbBr4-PEO复合膜。其中,BABr能够插入到三维钙钛矿中,形成准二维钙钛矿结构,PEO能够钝化和保护钙钛矿。然后对钙钛矿薄膜进行异丙醇后处理,可以去除表面多余的BABr而不降低量子产率。通过对钙钛矿薄膜光学和电学性能的精确调控,我们制备的PeLED器件的亮度从191 cd m-2显著地提升到33533 cdm-2,外量子效率由1.81%提升至8.42%。接下来,我们利用BA2(CsPbBr3)n-1PbBr4-PEO复合膜的抗溶剂性,将溶液加工的ZnMgO纳米颗粒制备于钙钛矿发光层上,将酸性的PEDOT:PSS替换成NiOx,从而实现了全溶液加工的全金属氧化物传输层的PeLED,并获得了 17017 cd m-2的最高亮度和3.41 cd A-1的电流效率。3.将p型的碳量子点(CQDs)材料作为HIL,取代酸性的PEDOT:PSS HIL,制备出一种空穴注入和界面钝化双功能的HIL材料。我们的碳量子点具有高的空穴迁移率和匹配的空穴注入能级。此外,CQDs表面的羧基、氨基和羟基能够提供亲水性的表面,不仅有利于钙钛矿的生长,还可以钝化钙钛矿表面的缺陷,抑制界面的激子猝灭。基于CQDs HIL的CsPbBr3 PeLED器件的启动电压只有2.8V,亮度为25770 cd m-2,外量子效率达到13.8%。此外,基于CQDs HIL的PeLED器件显示出良好的工作稳定性和环境稳定性,为拓展碳纳米材料在光电领域的应用提供了一个崭新的思路。4.纯二维锡基钙钛矿是非铅的且比三维钙钛矿稳定,在钙钛矿光电器件领域有相当大的发展潜力。我们通过采用甲苯为反溶剂,使用苯乙基碘化胺(PEAI)作为长链阳离子制备了光滑致密的PEA2SnI4纯二维锡基钙钛矿薄膜。之后,我们用2-噻吩乙基碘化胺(TEAI)替代PEAI,制备了启动电压为2.3 V,亮度为322 cd m-2,外量子效率为0.62%的纯红光锡基PeLED器件。这是目前为止,性能最高的纯锡基红光二维PeLED器件。
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