高效稳定的钙钛矿LED性能研究

发布时间：2020-04-19 03:02

【摘要】：在过去十年里,金属卤化物钙钛矿材料由于其优越的光学和电学性能,如光吸收强、大范围带隙可调、非辐射复合的几率低、载流子迁移率高和载流子扩散长度长等优点引起了科学研究者的广泛关注。现在钙钛矿太阳能电池已经取得了22.7%的认证效率,可以和传统的硅太阳能电池相媲美。钙钛矿材料除了在光伏领域有广泛的应用外,还由于其具有制备工艺简单、颜色纯度高(发光光谱的半峰宽在20 nm左右)和荧光量子产率高(在溶液中纳米晶的PLQY能够接近90%)等优点使得钙钛矿材料在发光二极管方面也有着广阔的应用前景。本论文主要探讨了钙钛矿薄膜和器件的制备以及器件性能的研究。使用一步法制备了高质量的钙钛矿薄膜,并用其作为钙钛矿LED发光层的材料探究了最优的制备条件,并成功地制备了高效率的器件。另外,本论文探究了钙钛矿LED稳定性差的原因,比较了不同制备条件下的钙钛矿的稳定性并发现了两种提高器件稳定性的办法。本文的主要内容如下:1.制备发光层和注入层的材料并组装成了钙钛矿LED:首先,三维的钙钛矿基的LED中,使用Csi-xMAxPbBr3作为发光层材料,ZnO或者ZnMgO作为电子传输层材料,CBP作为空穴注入层材料。然后,用长链的胺基的卤化物添加到三维钙钛矿的前驱体溶液中制备了晶粒较小薄膜平整的准二维的钙钛矿PEA2PbBr4·[Csi-xMAxPbBr3]n-1薄膜。最后,用制备的高质量准二维钙钛矿薄膜作为发光层,PEDOT:PSS作为空穴注入层,TBPi作为电子注入层,成功地制备了准二维基钙钛矿LED。2.在两种不同钙钛矿性能优化方面:在三维钙钛矿LED方面,首先制备了一系列不同厚度的CBP、Cs1-xMAxPbBr3和ZnMgO的器件来平衡电子空穴的注入,通过这种方法可以很好地优化器件的性能。其次,用能级更合适的ZnMgO代替ZnO减小电子的注入势垒并用PVP钝化了 ZnMgO表面减小了漏电流。最终,制备了亮度为26000 cd/m2,电流效率为8.67cd/A的器件。在准二维钙钛矿LED方面,从电子注入层、空穴注入层、钙钛矿发光层等方面来优化了器件性能。首先用PSS-Na掺杂改性修饰PEDOT:PSS能够使其价带顶的位置降低了 0.2eV,减小空穴注入的势垒提高了空穴注入效率,获得了更高性能的器件。然后,通过优化了 TBPi和LiF的厚度,调节电子的注入进一步优化器件性能。在研究钙钛矿层时,从钙钛矿厚度、退火工艺和成分等几个方面详细地讨论了对性能的影响。最终在n=5时(PEA2PbBr4·[Cs1-xMAxPbBr3]n-1),制备了高效率的钙钛矿LED,且电路效率达到60.2 cd/A,外量子效率EQE达到18.5%,是目前文献报道钙钛矿方面的最高效率。另外,用PVP钝化了界面缺陷态从而减少了器件界面处的非辐射复合的中心。3.关于器件稳定性的研究:主要比较了不同条件制备或者成分对器件稳定性的影响并分析了不稳定性的原因。最终获得了两种有效提高器件稳定性的办法:Al2O3支架层和PVK的掺杂。而且,在用Al2O3作为支架层的时候,能够使器件稳定性时间达到2个小时以上。
【图文】：

钙钛矿,杂化,钙钛矿结构,晶格结构

图１．１杂化钙钛矿的晶格结构１３］逡逑本论文研究的杂化钙钛矿材料是具有ＡＢＸ３的组成通式的简单钙钛矿结构，逡逑如图１．１所示Ａ位置通常代表的是有机的阳离子基团，如ＭＡ＋邋（ＣＨ３ＮＨ３＋），逡逑ＦＡ＋邋（ＣＨ（ＮＨ２）２＋）等或者是无机的金属阳离子Ｃｓ＋等；通常用二价的金属阳离子如逡逑Ｐｂ２４、Ｓｎ２＋、Ｂｉ２＋或者Ｍｎ２＋等代替Ｂ位置；占据Ｘ位置的是卤素元素的离子，包逡逑括ＣＴ、Ｂｒ或者ｒ。通常钙钛矿结构是由Ｂ位置的元素和Ｘ位置的卤素形成的逡逑ＢＸ６八面体（Ｂ处在八面体内部、Ｘ处在八面体顶角）堆积形成的，Ａ处在八个逡逑八面体堆积形成的间隙中。为了形成更加稳定的立方相钙钛矿结构，Ａ、Ｂ和Ｘ逡逑的离子半径Ｒａ、Ｒｂ和Ｒｘ要满足容忍因子ｔ和八面体因子0，其中ｔ和0满足的范逡逑围是０．８１３公￡１．１０７，０．４４２分切．８９５＋８１，否则将会形成四方相或者正交相钙钛矿结逡逑构，，其中ｔ和0满足关系式如（Ｉ－丨）和（１－２）。逡逑２逡逑

钙钛矿,载流子扩散,束缚能,发光层

ｓｒ〗．ｎｍ）；邋（）（ｓｒ３迁移率约１０００邋ｃｍ２ＶＷ对于ＣｓＰｂＢＤ的纳米晶电子迁移率为ＩＳＯＯｃｎｒＶＶ１远逡逑高于Ｓｉ的１０００ｃｍＷ）［ｌ９＿２ｌ１；邋（５）激子束缚能小，通过实验测定，在钙钛矿材料逡逑屮的激子束缚能只有几个电子伏特［２２］；邋（６）载流子扩散长度长（ＣＨ３ＮＨ？ＰｂＩ３薄膜的逡逑载流子扩散长度就超过１００邋ｎｍ）而且具有双极性载流子输运特性因此，用逡逑钙钛矿材料作为发光层制备钙钛矿ＬＥＤ邋（Ｐｅ－ＬＥＤ）具有非常深远的研究价值和广逡逑阔的应用前景。逡逑１．２．２钙钛矿ＬＥＤ的工作原理逡逑ＬＥＤ邋（Ｌｉｇｈｔ－Ｅｍｉｔｔｉｎｇ邋Ｄｉｏｄｅ）屮文名称叫发光二极管，是？种能够将电能转化逡逑成光能的半导体发光器件。最早在１９６２年，人们就开始用ＩＵ－Ｖ族化合物，如砷逡逑化镓、氮化镓、磷化镓等半导体村料制备ＬＥＤ的器件。而钙钛矿ＬＥＤ是指用钙逡逑钛矿材料作为发光层时制备的ＬＥＤ器件，其结构和Ｉ：作原理如图１．２所示［２７〗。逡逑
【学位授予单位】：湖北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM914.4;TN312.8

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