基于准二维混合卤化物钙钛矿的天蓝色及钙钛矿/有机暖白色发光二极管的研究

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金属卤化物钙钛矿具有带隙可调、缺陷态容忍度高、可溶液加工等优点,广泛应用于光电领域。与三维钙钛矿相比,准二维钙钛矿具有激子结合能大、量子约束效应强、环境稳定性好等优点,是显示和固态照明的候选材料。开发高效的钙钛矿蓝色发光器件仍然具有挑战性,目前获得钙钛矿蓝色发光的主要方法是组分工程和尺寸工程:组分工程是通过改变钙钛矿薄膜中卤素阴离子(Br和Cl)的相对比例,形成混卤素钙钛矿以调整发光波长。虽然卤化物组分工程在调节发光波长方面非常有效,但是三维混卤素钙钛矿在环境中稳定性很低;在电场作用下表现出严重的卤化物相分离,会降低发光器件的外量子效率(EQE)和颜色稳定性。尺寸工程是在钙钛矿八面体无机层中嵌入适量长链胺阳离子,组成具有多重量子阱结构的准二维钙钛矿L2An-1PbnX3n+1(n是无机单元层数目),n值越小带隙越大,光谱会发生蓝移。但是n值降低会增加无机层中的非辐射复合,而且电荷传输受到了绝缘性长链胺的阻碍,从而影响器件性能。因此,结合组分和尺寸工程制备含混合卤化物的准二维钙钛矿,有望实现高效率的蓝色发光器件。在提高钙钛矿发光器件性能方面,添加剂工程已被广泛应用。本论文在准二维混合卤化物钙钛矿中掺杂次磷酸(HPA),改变钙钛矿前驱体溶液中的胶体浓度,以调节相分布,钝化缺陷,增强薄膜结晶性。另外,利用了天蓝色发光的准二维钙钛矿层和橙色发光的有机层发光叠加原理,制备了钙钛矿/有机白色发光器件。具体工作内容如下:(1)在PEA+、BA+二元长链和Br-、Cl-混合负离子的混卤素准二维钙钛矿样品中,掺杂次磷酸(HPA)与钙钛矿中Pb物质的量之比(HPA:Pb)分别为0:1、0.05:1、0.1:1和0.2:1,分别表示为0%、5%HPA、10%HPA和20%HPA样品。分析实验结果得出,相比较于0%样品,引入HPA可以有效调节相分布,钝化钙钛矿中金属Pb缺陷,增强薄膜的结晶性。将0%和10%HPA样品在405 nm的激光下持续激发30分钟,10%HPA样品光致发光强度降为初始值的76%,而0%样品降为初始值的58%,说明HPA能提高钙钛矿的PL稳定性。并且掺杂HPA样品的PL强度比0%样品大2-3倍,显著提高发光效率。(2)制作器件结构为ITO/PEDOT:PSS/Perovskite/Tm Py PB/Li F/Al的发光二极管,研究HPA浓度对器件发光效率、亮度、运行稳定性和光谱稳定性的影响。实验结果表明,0%器件的EL波长位于495 nm,在6.3 V电压下其最大亮度只有2550 cd m-2,最大外量子效率(EQE)为1.9%,掺杂10%HPA的器件发光波长位于497 nm,EQE为7.9%,在5.4 V电压下其亮度达到7300 cd m-2,分别约为0%器件的4.2和2.9倍。EL谱有轻微红移可能与HPA增强了钙钛矿结晶性有关。(3)钙钛矿/有机层白光器件受到了广泛的关注,但其性能有待进一步提高。基于掺杂10%HPA的钙钛矿天蓝色发光器件,我们制作了高效钙钛矿和有机双层叠加的白光器件。通过改变有机层厚度,可以调节器件的发光颜色。暖白光器件最大EQE为6.5%,最大亮度为2700 cd m-2,CIE色度坐标为(0.38,0.48)。结果表明堆叠钙钛矿和有机材料层是实现高效白光器件的有前途结构之一。
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