我国学者与海外合作者在钙钛矿LED领域取得新进展

【字体: 时间:2021年12月09日 来源:国家自然科学基金委员会

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  在国家自然科学基金项目(批准号:51802102)等资助下,华侨大学发光材料与信息显示研究院、材料科学与工程学院魏展画教授团队与多伦多大学电子与计算机工程系Edward H. Sargent教授团队合作,在钙钛矿LED领域取得新进展。研究成果以“组分分布调控制备高效低维钙钛矿LED (Distribution control enables efficient reduced-dimensional perovskite LEDs) ”为题,于2021年11月25日在线发表于《自然》(Nature)期刊上。论文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-021-03997-z 。

  低维金属卤化物钙钛矿材料具有量子限域效应,激子结合能较大,不易产生非辐射复合,发光效率较高,在太阳能电池和发光二极管 (LED) 等领域有着广阔的应用前景。但是,要开发应用于LED的高效、稳定的低维金属卤化物钙钛矿材料还面临着两大挑战:一是缺陷态的存在,会致使形成非辐射复合中心,导致离子迁移,不利于器件的发光效率、稳定性;二是多相混合量子阱的形成,会导致在光、电激发下,能量从宽带隙量子阱向窄带隙量子阱传递,产生耗散,不利于器件的发光效率、色纯度。

  该研究团队共同提出低维金属卤化物钙钛矿的表面钝化—阱宽调控策略,以提高低维钙钛矿LED器件的性能。如图1所示,常规实验中,PEA+有机阳离子的无序、快速扩散导致缺陷中心和杂乱维度的量子阱结构的产生。该研究使用TPPO和TFPPO分子中的P=O键与钙钛矿前驱体薄片发生P=O:Pb2+相互作用,有效地调控了结晶过程,减少了缺陷中心的产生。此外,TFPPO中丰富的F基团可以和PEA+有机阳离子相互作用,起到原料缓释和延缓结晶生长的作用,最终形成维度均一的高质量钙钛矿发光薄膜。如图2所示,这种薄膜具有均匀、致密的表面形貌,发光波长517 nm,发光半峰宽仅20 nm,光致发光效率接近100%。所制备的绿光LED器件外量子效率高达25.6%,在7200 cd m-2亮度下运行寿命达到2小时,远超目前报道的同类器件,未来有望应用于新型显示和照明等领域。

图1 三种钙钛矿发光薄膜的成膜过程示意图,其中PEA表示苯乙基铵盐,TPPO表示三苯基氧化膦,TFPPO表示三(4-氟苯基)氧化膦

图2 (a)钙钛矿LED器件的结构示意图、截面透射电镜图和能级结构示意图;(b)三种钙钛矿LED器件对应的电流-电压曲线、亮度-电压曲线和外量子效率-亮度曲线;(c)三种钙钛矿LED器件的外量子效率统计分布图;(d)三种钙钛矿的单电子和单空穴器件的电流-电压曲线;(e)基于TFPPO处理的钙钛矿LED器件的工况寿命曲线。

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