混合阳离子绿光钙钛矿发光二极管研究

发布时间：2020-07-06 17:40

【摘要】：钙钛矿发光材料具备高荧光量子效率、窄光谱半峰宽、高载流子迁移率、低陷阱密度、可调节的发射波长、可溶液加工和低成本等优势,在发光二极管领域中备受瞩目。近期,外量子效率超过20%的高性能钙钛矿发光二极管(Perovskite Light-Emitting Diodes,简称PeLEDs)相继问世,标志着PeLEDs在器件效率方面的研究已经取得了重大突破,但稳定性问题仍然是现阶段限制PeLEDs走向实际应用的主要因素之一,因此本文的研究目标是如何提高PeLEDs的稳定性。本文通过ITO/ZnO/PVA/Cs_(0.76)FA_(0.24)PbBr_3/PVK/MoO_3/Al的倒装器件结构制备出比较稳定的绿光混合阳离子PeLEDs。其中的混合阳离子钙钛矿Cs_(0.76)FA_(0.24)PbBr_3是通过往CsPbBr_3(Cesium,简称Cs)主体掺杂少量甲脒(Formamidinium,简称FA)来制备的,具有接近数值1的容忍因子(0.96)、较少的陷阱和较高的激子结合能(59.2 meV);Cs_(0.76)FA_(0.24)PbBr_3/PVK(聚乙烯基咔唑,Poly(N-Vinylcarbazole)双膜层是采用含有PVK的氯苯反溶剂(Antisolvent,简称AS)处理旋涂中的钙钛矿一步制备的,在简化器件制备工艺的基础上进一步减少Cs_(0.76)FA_(0.24)PbBr_3膜层的陷阱,提高了Cs_(0.76)FA_(0.24)PbBr_3膜层的光致荧光(Photoluminescence,简称PL)性能和PL稳定性,直观表现为储存222天后该Cs_(0.76)FA_(0.24)PbBr_3/PVK双膜层PL强度仍然高于新鲜制备的CsPbBr_3膜层。通过上述混合阳离子策略和新型反溶剂法制备的PeLEDs,在高达10000 cd m~(-2)的初始亮度下,器件亮度衰减至初始亮度值一半的时间(The Time at Decay to Half Initial Brightness,简称T50)可达11.7 min,优于其它Cs-FA混合阳离子PeLEDs的器件寿命。该种混合阳离子绿光PeLEDs电致发光(Electroluminescence,简称EL)稳定性较好的原因主要是陷阱含量较少的Cs_(0.76)FA_(0.24)PbBr_3膜层所具备的本征PL稳定性。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB34;TN312.8
【图文】：

钙钛矿,立方晶,相结构

1.3.1 Cs-FA 混合阳离子体系的稳定性潜力影响 PeLEDs 稳定性的因素可划分为影响钙钛矿材料稳定性的因素和影响 PeLEDs器件稳定性的因素，其中影响钙钛矿材料稳定性的因素包括钙钛矿的晶体结构、环境因素（温度、气氛、光照等）以及钙钛矿纳米颗粒在溶液态和薄膜态下的稳定性问题等；PeLEDs 器件的不稳定性因素包括离子迁移、p-i-n 结的形成、电极金属的扩散、光色不稳定等[11]。当前为提高钙钛矿材料和 PeLEDs 器件的稳定性而提出的方案包括 A 位阳离子工程、采用 Ruddlesden-Popper 晶相、添加抑制离子迁移的添加剂或界面层、制备均一的钙钛矿膜层等[11]。其中 A 位阳离子工程是指采用更稳定的 A 位阳离子来替换掉铅卤钙钛矿材料中常见但相对不稳定的 A 位阳离子 MA+[11]，以改善钙钛矿材料的稳定性。而在铅卤钙钛矿的立方晶相结构 ABX3中，A 位是一价阳离子，B 位是二价铅离子，X位是卤素阴离子，如图 1-1 所示。进一步的，研究者发现采用多元的 A 位阳离子的体系，即混合阳离子体系，可以进一步改善钙钛矿系统的稳定性[15,20]。

示意图,溶剂处理,添加物,旋涂

nm 至 60 nm 厚度的 TPBi 充当电子传输层。整个流程如图 1-2 所示。同样在 2017 年，Su 等研究者将 MABr、TPBi、MABr + TPBi 这三种组合的材料分别加入由氯苯与 DMF（二甲基甲酰胺，N,N-Dimethylformamide）组成的混合溶剂中（文章及补充材料没有提及具体浓度）[41]，作为反溶剂来处理混合了少量 PVK 的 MAPbBr3，并发现添加了 MABr + TPBi 的反溶剂，可以进一步细化钙钛矿晶粒从而提高钙钛矿层覆盖率、提高钙钛矿晶粒对激子的量子限域效应，并显著延长钙钛矿层的平均激发态寿命。研究者将其中钙钛矿层形貌的改善效果归功于 TPBi 的引入，而 MABr 的作用则是抑制 MAPbBr3中 Pb 这一重金属单质的析出。本研究同样是在添加 MABr + TPBi 的反溶剂处理过的钙钛矿层上方蒸镀一层 50 nm 厚的 TPBi 作为电子传输层。从以上含有添加物的反溶剂处理在 PeLEDs 领域的研究进展可以看出，相比于传统的直接以钙钛矿的不良溶剂作为反溶剂的钙钛矿层处理方法，在不良溶剂中添加合适的有机材料后再处理钙钛矿层，可以在传统反溶剂法改善钙钛矿层形貌的基础上，进一步改善钙钛矿层形貌并提高其 PL 性能，是一种有效的提高 PeLEDs 器件性能的方法。

形貌,基板,形貌,SEM形貌

华南理工大学硕士学位论文器件测试：器件电流密度-电压-亮度（Current Density-Voltage-Luminance，简称 J-V-L）曲线数据、电流效率（CurrentEfficiency，简称 CE）曲线数据、T50 曲线数据和 EL光谱的采集，是在空气环境中（室温 22 ℃，相对湿度 60%）进行的，使用数字源表、色度计和光纤光谱仪测定并记录包封好的器件的性能数据，再用 Origin 软件进行绘制。其中电压的扫描步长为 0.2 V，电压扫描范围为 0 V 至 10 V。器件的平均性能为五个以上独立器件测试结果的平均值。2.3 实验结果与分析2.3.1 PVA 基底对 CsPbBr3膜层形貌与 PL 性能的改善作用

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