克服有机电子传输层效率瓶颈：揭示QLED中电子泄漏机制与多层界面调控策略

本文深入探讨了量子点发光器件（QLED）中有机电子传输层（ETL）效率低下的根本原因，提出通过多层ETL结构（含电子阻挡界面）有效抑制电子泄漏，实现外量子效率（EQE）的显著提升（最高达≈10%），为替代传统ZnO ETL、解决稳定性问题提供了新策略。

　　

引言

量子点发光器件（QLED）作为下一代显示技术的核心，其效率高度依赖于空穴传输层（HTL）和电子传输层（ETL）的协同作用。尽管无机材料如ZnO和TiO₂因其高电子迁移率和匹配的导带最小值（CBM）被广泛用于ETL，但其高温加工工艺和缺陷态不稳定性限制了应用。有机ETL材料虽具备低温加工和缺陷容忍度优势，但其较低的电子迁移率常被认为是导致QLED外量子效率（EQE）低下（尤其绿光和蓝光器件）的主因。然而，本研究通过系统性实验揭示，电子向HTL的泄漏才是关键限制因素。

结果与讨论

为探究电子迁移率的影响，研究团队选用两种电子迁移率差异显著的有机材料B3PYMPM（≈1.5 × 10^?5 cm²·V^?1·s^?1）和B4PYPPM（≈1.5 × 10^?4 cm²·V^?1·s^?1）作为ETL，构建绿色QLED器件（结构：ITO/PEDOT:PSS/TFB/G-QDs/ETL/LiF/Al）。出乎意料的是，低迁移率的B3PYMPM器件反而展现出更高的EQE（J < 100 mA·cm^?2时），且电致发光（EL）光谱中均检测到来自TFB HTL的≈450 nm发射带，证实电子泄漏至HTL并发生非辐射复合。

通过引入双层ETL结构（B3PYMPM/B4PYPPM，总厚度40 nm）并调控层厚比例，发现电子泄漏程度与EQE呈负相关。其中10 nm/30 nm（B3PYMPM/B4PYPPM）配置的器件表现最佳，EQE达5.41%，亮度为4150 cd·m^?2（20 mA·cm^?2），且TFB发射强度最低。进一步加入5 nm厚CBP层（LUMO=2.9 eV）形成三重ETL（CBP/B3PYMPM/B4PYPPM），成功将电子泄漏抑制至最低水平，EQE提升至≈10%，亮度达8200 cd·m^?2，创下无ZnO ETL绿光QLED的最高效率纪录。

电子仅器件（EOD）测试证实，多层ETL结构确实延缓了电子传输，但单层B3PYMPM器件的电流密度反而低于多层结构，表明电子泄漏的抑制并非单纯源于电流降低，而可能与界面空间电荷形成的电场重分布有关。瞬态电致发光（TREL）测量显示，随着ETL层数增加，TFB发射的起始时间从单层的200–300 ns延迟至三重ETL的700 ns，进一步验证了电子泄漏的减缓机制。

在红、蓝光QLED中应用三重ETL结构后，红光器件EQE达9.9%（亮度3120 cd·m^?2），与绿光性能相当且无TFB泄漏信号；蓝光器件虽EQE仅1.1–1.86%（亮度300–410 cd·m^?2），但仍优于多数同类有机ETL器件，且光谱中残留的TFB发射表明电子泄漏仍是蓝光效率的主要限制因素。

结论

本研究颠覆了传统“低电子迁移率主导有机ETL效率低下”的认知，首次明确电子泄漏至HTL是核心问题。通过多层ETL界面工程调控空间电荷分布，可协同抑制电子泄漏、促进空穴注入（HTL/QDs界面），实现电荷平衡与EQE提升。该策略适用于红、绿光QLED，为有机ETL替代ZnO提供了理论依据与技术路径，对未来QLED的稳定性优化与全彩显示应用具有重要指导意义。

实验方法

器件制备采用旋涂法（PEDOT:PSS、TFB、QDs）与真空蒸镀法（有机ETL、LiF、Al），QDs为CdZnSe/CdZnS/ZnS（红、绿）和CdZnSe/ZnSeS/ZnS（蓝）结构。性能测试涵盖J–V–L特性、EL光谱及TREL脉冲响应，所有溶液工艺均在氮气手套箱中完成。