《Frontiers of Optoelectronics》期刊近日发表了华侨大学发光材料与信息显示研究院魏展画教授课题组撰写的有关钙钛矿发光二极管的论文,该研究论文的第一作者是严传钟。他们通过钙钛矿前驱体组分的逐级精确调控来制备得到高质量的钙钛矿薄膜,提高了器件的性能,为钙钛矿发光二极管的性能提升提供了新的思路。

Composition engineering to obtain efficient hybrid perovskite light-emitting diodes

Chuanzhong YAN, Kebin LIN, Jianxun LU, Zhanhua WEI

Front. Optoelectron.. 2020, 13 (3): 282-290.

 

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研究背景

钙钛矿材料因其具有高载流子迁移率、高缺陷容忍度、能带可调控等优势,备受国内外研究学者的关注。钙钛矿材料在太阳能电池应用中已经取得了极大地研究进展,钙钛矿太阳能电池的认证效率已经超过25%。除此之外,钙钛矿材料还可作为发光材料用于制备发光二极管。钙钛矿发光二极管具有制备成本低、可溶液法制备、色纯度高等优点,其外量子效率(EQE)已经突破了20%。

在众多的钙钛矿材料中,CH3NH3PbBr3(MAPbBr3)是常见的绿光发射材料。然而,纯的MAPbBr3组分的钙钛矿薄膜通常存在表面覆盖率低、结晶度差等缺点,导致器件工作时漏电流大,非辐射复合严重,进而降低器件性能。针对这些问题,魏展画团队提出了一种逐级组分调控优化钙钛矿薄膜质量的策略。

内容简介

魏展画团队首先在MAPbBr3溶液中添加适量的CH3NH3Br(MABr)来减少薄膜的孔洞,随后通过掺杂CsBr以提高晶体结晶性并钝化非辐射复合缺陷。基于(MA)(1-x)CsxPbBr3发光层的Pe-LEDs和未处理的MAPbBr3基Pe-LEDs相比,EQE提升了数十倍,最高达到6.97%。

图文导图

图1 钙钛矿组分的逐级调控

图2 过量MABr来提高钙钛矿薄膜质量和相关器件性能。(a)器件电流效率分布图;(b)PL图谱;(c)MAPbBr3(PbBr2:MABr=1:1.0)和(d)MAPbBr3-excess(PbBr2:MABr=1:1.1)薄膜的SEM图像;(e)XRD图谱;(f)亮度-电流密度-电压曲线。

如图2(b)和(c),MAPbBr3(PbBr2:MABr=1:1.0)薄膜存在荧光弱,孔洞多等劣势,造成器件性能低。研究者通过在钙钛矿前驱体中添加稍微过量的MABr,减少了薄膜的孔洞,降低了器件的电流密度,使得器件的性能得到了一定的提升。

图3 掺杂CsBr来提高钙钛矿薄膜质量。(a)CsBr掺杂的MAPbBr3的结构示意图;(b)PL图谱;(c)钙钛矿薄膜的(αhν)2-photon energy曲线;(d)XRD图谱;(e)(100)和(200)峰的XRD放大谱图。

为进一步提高钙钛矿的薄膜质量,作者在钙钛矿前期优化的基础上继续引入CsBr, 发现CsBr掺杂能够使光致发光发生蓝移,这主要是由于Cs+取代了部分MA+,进而使Pb-Br6八面体扭曲引起的。同时,Cs+进入MAPbBr3晶格中在XRD图谱中得到了验证。

图4 钙钛矿薄膜的SEM图像。(a)MAPbBr3-excess;(b)MAPbBr3-excess:CsBr = 1:0.4;(c)MAPbBr3-excess:CsBr = 1:0.8;(d)MAPbBr3-excess:CsBr=1:1.2

如图4,随着CsBr掺杂比例的增加,钙钛矿薄膜的晶粒尺寸也随之增大。这与之前的许多工作报道相似,研究人员认为在大晶粒的钙钛矿非辐射复合缺陷较少,因此,大晶粒尺寸的钙钛矿薄膜有利于载流子的传输。

图5 器件的性能。(a)器件结构示意图;(b)器件能级结构示意图;(c)电流密度-电压曲线;(d)亮度-电压曲线;(e)电流效率分布图;(f)电致发光光谱。

该团队通过先后通过MABr和CsBr逐级组分调控来减少薄膜的孔洞,提高晶体结晶性并钝化非辐射复合缺陷。最终,基于(MA)(1-x)CsxPbBr3发光层的Pe-LEDs和未处理的MAPbBr3基Pe-LEDs相比,EQE提升了数十倍,最高达到6.97%。

PI简介

魏展画,华侨大学发光材料与信息显示研究院副院长,材料科学与工程学院教授、博士生导师,2019年入选国家百千万人才工程计划,获得“有突出贡献中青年专家”荣誉称号。2011年7月于厦门大学化学系,取得学士学位;2015年8月毕业于香港科技大学化学系,取得博士学位,其导师为杨世和教授;2015年9月至2016年5月间在新加坡南洋理工大学数理学院从事博士后研究,合作导师为熊启华教授。2016年5月加入华侨大学材料科学与工程学院,课题组的主要研究方向是能源光电材料,特别是钙钛矿电致发光器件和钙钛矿太阳能电池等,已在NatureJournal ofAmerican Chemical SocietyEnergy & Environmental ScienceAngewandte Chemie International Edition等高水平期刊上发表研究论文40余篇。