非铅金属卤化物钙钛矿的制备及其在LED中的应用

发布时间：2020-05-14 16:43

【摘要】：金属卤化物钙钛矿材料由于其优异的光电性能如强光吸收、高荧光量子产率、可调的荧光发射、窄的半峰宽以及合成方法简单易行在过去十几年中引起了广泛的关注,尤其是在太阳能电池研究领域有望超过硅太阳能电池的光电转换效率,具有十分广阔的应用前景。另外金属卤化物钙钛矿还表现出许多优于传统纳米晶的特性,如金属卤化物钙钛矿为离子型化合物因而在低温下便可制备,同时其能带结构对缺陷具有较高的容忍度,因而即使没有经过表面钝化仍然可以实现高荧光量子产率,这些特性也为电子器件的广色域显示提供了更优的机会。然而,目前几乎所有高性能钙钛矿中都含有重金属铅,铅元素极具污染性并极易在生物体内累积,对生态环境和人类健康产生了很大的威胁。因此探索与铅卤钙钛矿光电性质相当,但毒性较低的金属卤化物钙钛矿材料是势在必行的趋势。本论文瞄准这一前沿研究方向,制备了两种高质量无铅低毒的新型钙钛矿材料,并将其作为固态荧光粉成功应用于光致发光LED装置。具体内容概括如下:1.首次在酸性水溶液中制备高荧光的二维(OCTAm)2SnX4(OCTAm为辛铵阳离子,X=Br,I)钙钛矿。合成方法简单易行,在室温大气环境下即可操作不需惰性气体保护,具有高再现性和高化学产率(80%),并且通过控制卤化物成分可实现荧光发射可调。二维(OCTAm)2SnBr4的荧光发射峰位置在600nm,固体样品显示出近100%的高荧光量子产率,超大的斯托克斯位移和超长的荧光寿命。对其进行稳定性研究,二维锡基钙钛矿在一定湿度条件的空气中储存240天荧光量子产率无明显变化,如此的高稳定性归因于A位较长的有机长链铵盐可以保护锡卤八面体层阻隔水、氧的攻击。2.合成了一种高质量的全无机CsnMnBrn+2类钙钛矿材料,可以通过改变投料比控制产物的晶体结构、物相组成和荧光性能。其中Cs3MnBr5的荧光发射峰位于522nm,具有高达82±5%的荧光量子产率。其荧光寿命呈单指数衰减,平均荧光寿命为236μs。CsMnBr3的荧光发射峰位于655nm,其荧光寿命呈双指数衰减,分别为1.418μs(93%)和18.328μs(7%)。另外,Cs3MnBr5和CsMnBr3均表现出相同的顺磁行为并且具有非常好的热稳定性。3.分别采用两种新型的荧光粉材料成功制备光致发光LED装置。二维(OCTAm)2SnBr4钙钛矿黄色荧光粉因为半峰宽较大(136 nm),可以覆盖到红光区,相比于额外添加红色荧光粉,制备LED装置更高效。将其与蓝色荧光粉和绿色荧光粉按照重量比4:1:0.15混合涂覆至紫外LED芯片上,得到色坐标为(0.33,0.31)的白光LED灯。全无机CsnMnBrn+2荧光粉以投料比为1.4:1的可作为LED中的单组分颜色转换层,无需叠加其他荧光粉材料即可得到色坐标为(0.4269,0.4955)的暖白光LED灯,解决了多组分荧光转换层中存在的自吸收和颜色不稳定的问题。
【图文】：

物钙钛矿材料按照其晶体结构可分为具有经典结构为ＡＭＸ３的３Ｄ钙钛矿，经典逡逑结构为Ａ２ＭＸ４的２Ｄ层状钙钛矿，经典结构为Ａ６ＭＸ５的１Ｄ链状钙钛矿和经典逡逑结构为Ａ４ＭＸ６的０Ｄ钙钛矿见图１．１。在典型的３Ｄ钙钛矿晶体结构中，［ＭＸ６ｆ逡逑八面体在三个维度上彼此共顶点形成一个有限三维［ＭＸ３］？网络结构，Ａ位阳离逡逑子填充在网络中心，其尺寸、形状和电荷分布对钙钛矿的结构和性能都具有关键逡逑作用。逡逑Ｆｒａｍｅｗｏｒｋ逡逑媝Ｉ凝Ａ逡逑３Ｄ逦２Ｄ逦１Ｄ逦０Ｄ逡逑Ｍａｔｅｒｉａｌ逡逑ｍｒ邋ｗ．．．邋ｔｒ逡逑３Ｄ逦２Ｄ逦１Ｄ逦ＯＤ逡逑Ｂｕｌｋ邋３Ｄ邋ｍａｔｅｒｉａｌｓ逦Ｂｕｌｋ邋ｔｏｗ－＜３ｉｍｅｎｓｉ0ｎ邋ｍａｌｅｒｉａＪｓ逦Ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｔｅｓ逡逑ｘ，ｙ．ｚ邋＞邋１００邋ｎｍ逦１邋Ｄ邋ｘ＞邋１００邋ｎｍ逦ｘ，邋ｙ，邋２邋＜邋１００邋ｎｍ逡逑２邋０邋ｘ，ｙ邋＞邋１００邋ｎｍ逡逑图１．１不同维度钙钛矿的化学结构示意图（３Ｄ，邋２Ｄ，邋ＩＤ和ＯＤ）逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋（ｔｏｐ）邋ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ邋ｆｒａｍｅｗｏｒｋｓ邋ｗｉｔｈ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｉｔｉｅｓ逡逑（３Ｄ，邋２Ｄ，邋ＩＤ，邋ａｎｄ邋ＯＤ）邋ａｎ

逡逑典型３Ｄ钙钛矿结构如图１．２ａ所示。在ＡＢＸ３晶胞中，Ａ阳离子处于顶点位逡逑置，Ｂ金属离子位于体心，，Ｘ阴离子位于面心。稳定的３Ｄ立方相钙钛矿的形成逡逑取决于容忍因子邋ｔ邋（Ｇｏｌｄｓｃｈｍｉｄｔ邋ｔｏｌｅｒａｎｃｅ邋ｆａｃｔｏｒ，邋ｔ邋）和八面体因子（ａ邋（ｏｃｔａｈｅｄｒａｌ逡逑ｆａｃｔｏｒ，邋ｐ邋），公式如下：逡逑ｔ邋Ｒａ＋Ｒｘ逡逑—

本文编号：2663647