高效无机钙钛矿发光二极管及其透明化的研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 被引量 : 0次 | 上传用户:anran520
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金属卤化物钙钛矿材料凭借其高荧光量子效率、高色纯度、发射光谱可调以及可溶液加工等优点而成为备受瞩目的新一代发光材料,在制备低成本、大面积、柔性以及透明发光二极管(LEDs)方面具有很大的发展潜力。近几年,钙钛矿LEDs(PeLEDs)取得了惊人的进展,目前基于有机-无机杂化钙钛矿材料的PeLEDs的外量子效率(EQE)已经突破20%。相对于有机-无机杂化钙钛矿材料,全无机钙钛矿材料具有更好的导电性和环境稳定性,因此基于全无机钙钛矿材料制备的发光器件可以获得更高的发光亮度和工作寿命。然而,通过溶液法制备的全无机PeLEDs仍具有薄膜覆盖度差、结晶过程不可控、发光器件效率低等问题,因此实现高效稳定的全无机PeLEDs仍然面临挑战。鉴于此,本论文以全无机PeLEDs为研究主题,主要通过添加剂工程和界面工程对CsPbBr3基PeLEDs的效率和稳定性进行系统研究。同时深入的分析了钝化剂、界面层和钙钛矿发光层之间的相互作用,并探索了全无机PeLEDs的透明化制备,为构建高效稳定的全无机PeLEDs及透明PeLEDs提供一些有效的研究策略。取得的研究成果如下:1.有机添加剂吐温80(Tween 80)对CsPbBr3钙钛矿发光二极管性能的影响。本工作采用Tween 80作为缺陷钝化剂加入钙钛矿发光层,利用Tween 80与铅离子之间相互作用来减少铅离子空位引起的缺陷,从而降低CsPbBr3薄膜的非辐射复合效率,提高CsPbBr3薄膜的荧光量子产率和PeLEDs的发光效率。同时,Tween 80还能够促进CsPbBr3薄膜的结晶,改善CsPbBr3薄膜的表面质量,从而减少器件的漏电流和晶界缺陷。经过对Tween 80的掺杂浓度进行优化,最佳发光器件表现出2.52 V的低开启电压,24.3 cd/A的峰值电流效率(CE),EQE为7.34%,器件的最大亮度达到了20200 cd/m~2。2.乙醇胺(EA)界面层诱导CsPbBr3原位生长对PeLED性能的影响。本工作利用EA界面层诱导钙钛矿晶粒成核和生长,系统分析了EA界面层和钙钛矿发光层之间的相互作用,揭示了EA界面层诱导钙钛矿成核的机理,最终获得晶粒细小、覆盖度高的钙钛矿发光薄膜。与此同时,将Tween 80作为缺陷钝化剂加入钙钛矿发光层,抑制钙钛矿薄膜中缺陷态的形成。在EA和Tween 80的共同作用下,最佳PeLED表现出2.4 V的低开启电压,44.32 cd/A的峰值CE,EQE为12.7%,器件的最大亮度达到了50900 cd/m~2。同时,在初始亮度为100 cd/m~2的条件下,器件的工作寿命达到了4.5h。这项工作将为钙钛矿晶粒的原位形貌控制提供了有益的启示。3.多功能界面层诱导CsPbBr3晶粒有序生长对PeLEDs性能的影响。在这里,我们采用甲酰胺(FA)掺杂PEDOT:PSS作为多功能界面层,不仅可以有效促进载流子的传输,而且还能诱导钙钛矿结晶,提高钙钛矿薄膜的结晶性。经过FA处理的全无机钙钛矿发光二极管同时实现了高亮度和高效率,器件的峰值EQE为9.61%,器件的最大亮度达到了185000 cd/m~2。进一步通过引入Tween 80作为钙钛矿薄膜的钝化剂,有效减少钙钛矿薄膜的缺陷态并限制离子迁移,器件效率进一步提高,获得的全无机PeLEDs的EQE为15.02%,最大亮度为115000cd/m~2,在初始亮度为1000 cd/m~2的条件下,器件的工作寿命为182.5分钟。我们的这项工作为实现高效率、高亮度和和超长工作寿命的全无机PeLEDs提供了简单而有效的策略。4.高效全无机PeLEDs透明化的研究。钙钛矿材料凭借高荧光量子效率和高色纯度,在未来透明显示领域具有潜在的应用前景。鉴于此,我们在已经优化的高效全无机钙钛矿发光器件的基础上,采用DMD结构透明电极代替传统的全反射顶部电极,从而实现了PeLEDs的透明化制备。透明器件在绿光波段(492nm-577 nm)的平均透过率超过60%,器件两侧发光的最大亮度分别达到了34200cd/m~2和13500 cd/m~2,对应的峰值CE分别是24.1 cd/A和8.81 cd/A,总的EQE达到了10.07%。这一章的研究工作将为发展高效透明的PeLEDs提供有效的设计方案和实施方法,有助于推动新型透明显示的研究发展。
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