反溶剂温度调控技术能够实现快速成核,从而提高红细胞钙钛矿发光二极管的发光效率

《Chemical Engineering Journal》:Antisolvent temperature engineering enables rapid nucleation for efficient red perovskite light-emitting diodes

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年02月20日 来源:Chemical Engineering Journal 13.2

编辑推荐:

  陶胜|郭杰|王刚|曾淼|毛玉林|刘少辉|张吉科|李谷|庞佩元|常家乐|陈颖|于德健|郭佳|王凯阳|邢贵川教育部与澳门大学应用物理与材料工程研究所联合重点实验室,澳门999078摘要准二维(quasi-2D)钙钛矿发光二极管(PeLEDs)表现出显著的光电性能,但钙钛矿薄膜的质量和

  
陶胜|郭杰|王刚|曾淼|毛玉林|刘少辉|张吉科|李谷|庞佩元|常家乐|陈颖|于德健|郭佳|王凯阳|邢贵川
教育部与澳门大学应用物理与材料工程研究所联合重点实验室,澳门999078

摘要

准二维(quasi-2D)钙钛矿发光二极管(PeLEDs)表现出显著的光电性能,但钙钛矿薄膜的质量和PeLED的性能对由抗溶剂处理控制的结晶动力学非常敏感。然而,抗溶剂温度对准二维钙钛矿薄膜的成核和结晶过程的影响尚未得到研究。本研究系统地探讨了之前被忽视的抗溶剂温度在调节成核和结晶过程中的作用。高温抗溶剂处理能有效促进成核速率并减缓结晶速率,从而形成均匀一致的钙钛矿薄膜。成核与生长过程之间的平衡速率同时提高了结晶度和辐射复合效率。因此,在适当的温度(60°C)下进行抗溶剂处理后,准二维PeLED的最大外部量子效率(EQE)从19.2%(室温抗溶剂处理)提高到了24.2%。此外,优化后的PeLED在操作稳定性和颜色纯度上也优于其他同类产品。这种方法提供了一种简单而有效的替代方案,无需复杂的组成或界面工程,突显了热管理在高性能PeLED抗溶剂处理中的关键作用。

引言

溶液处理的准二维(quasi-2D)钙钛矿发光二极管(PeLEDs)由于其可调的发射特性、高颜色纯度(符合REC.2020 CIE色度坐标标准)和高光致发光量子产率(PLQYs)[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8],在照明和高分辨率显示技术中具有巨大潜力。在过去几十年中,PeLED的外部量子效率(EQE)从0.1%[1]显著提升到了30%以上[9], [10], [11], [12]。尤其是准二维钙钛矿薄膜具有独特的多量子阱结构,exciton结合能更高,能量传输更高效,在效率[13], [14], [15]、颜色纯度[16], [17]、可扩展生产[19], [20]和操作稳定性[21], [22]方面相比其他同类产品具有明显优势。
准二维钙钛矿薄膜通常通过旋涂工艺结合抗溶剂处理制备,这种处理可快速诱导过饱和并加速成核速率[23], [24], [25]。然而,由于前驱体组成的复杂性及对环境的高度敏感性,准二维钙钛矿薄膜的成核和结晶过程往往难以控制,导致缺陷密度较高,从而影响PeLED的性能。为了解决这一问题,研究人员采用了两种主要策略:一方面使用具有功能性基团的不同添加剂(如K+ [26]、P双键O [27]、S双键O [28]、C双键O [16], [19]、[30]、crown [31], [32]、单键F [33], [34])通过特定化学相互作用来调控钙钛矿的成核和结晶;另一方面利用外部气氛来控制准二维钙钛矿薄膜的结晶过程[12], [35]。尽管这些方法有效,但多种添加剂的复杂相互作用给工艺标准化带来了挑战,可能阻碍其未来商业化应用。
如上所述,抗溶剂处理对钙钛矿薄膜的质量至关重要。抗溶剂温度通过加速前驱体溶剂(DMF/DMSO)的挥发,从而影响钙钛矿的成核动力学,进而提高成核密度。先前研究表明,使用35°C的氯苯处理可显著提高钙钛矿太阳能电池的效率[36]。此外,对于无铅钙钛矿薄膜,高温抗溶剂处理可增加成核数量,使得薄膜更加均匀,并提高无铅钙钛矿太阳能电池的功率转换效率(PCE)[37]。目前关于抗溶剂优化的研究主要集中在3D钙钛矿太阳能电池上,尚未有研究关注准二维钙钛矿薄膜或其PeLED的性能与温度的依赖性。这一关键空白亟需通过研究抗溶剂热力学来填补。
在这里,我们提出了一种新型且有效的成核和结晶调控策略,避免了复杂添加剂的引入或界面工程。提高抗溶剂温度可以加速前驱体溶剂(DMSO/DMF)的挥发,抑制DMSO-PbI2中间相的形成,同时促进快速成核。此外,众多成核点对钙钛矿前驱体的快速消耗导致了自限的晶粒生长过程,有效限制了晶粒尺寸,防止了晶粒过度生长。这种优化的结晶过程产生了小晶粒尺寸和均匀的薄膜形态,提高了结晶度,促进了辐射复合速率,降低了非辐射复合。因此,实现了最高EQE为24.2%的高性能深红色准二维PeLED,远高于低温/室温抗溶剂处理的准二维PeLED。此外,高温抗溶剂处理在其他颜色的准二维PeLED和无退火处理的准二维PeLED中也展现出巨大潜力,为未来的大规模生产提供了一种简便且通用的方法。

章节摘录

结果与讨论

通过一步溶液旋涂方法并结合抗溶剂处理,制备了深红色准二维钙钛矿薄膜。基于我们之前的研究[17],选择了苯乙基铵溴化物(PEABr)和1-萘基甲基铵碘化物(NMAI)作为大有机阳离子,以构建具有均匀相分布的共空间钙钛矿薄膜。此外,介电常数约为6.0的乙酸乙酯(EA)也适用于此过程

结论

总结来说,我们提出了一种通用且简便的高温抗溶剂工程方法,用于提高深红色准二维PeLED的效率和操作稳定性。研究结果表明,高温抗溶剂处理可立即引发过饱和,形成大量小尺寸的成核点。随后,前驱体的消耗减缓了结晶过程,形成了致密且均匀的钙钛矿薄膜形态。

CRediT作者贡献声明

陶胜:撰写——审稿与编辑、原始草稿撰写、可视化、验证、方法论、实验设计、数据分析、概念化。郭杰:撰写——审稿与编辑、方法论、实验设计、数据分析。王刚:方法论、实验设计、数据分析。曾淼:方法论、实验设计、数据分析。毛玉林:实验设计、数据分析。刘少辉:方法论、实验设计、数据分析。张吉科:数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢澳门特别行政区科学技术发展基金(文件编号:0010/2022/AMJ、0060/2023/RIA1、0046/2025/RIB1、0148/2024/RIA2、0042/2025/R1A1、0136/2022/A3、0122/2024/AMJ、0002/2024/TFP)、澳门大学研究基金(文件编号:MYRG-GRG2023-00065-IAPME-UMDF、MYRG-GRG2024-00156-IAPME、MYRG-CRG2025-0024-IAPME、MYRG-GRG2025-00259-IAPME),以及中国国家自然科学基金(编号:62175268、62288102、22405010)的支持。
相关新闻
生物通微信公众号
微信
新浪微博

热点排行

    今日动态 | 人才市场 | 新技术专栏 | 中国科学人 | 云展台 | BioHot | 云讲堂直播 | 会展中心 | 特价专栏 | 技术快讯 | 免费试用

    版权所有 生物通

    Copyright© eBiotrade.com, All Rights Reserved

    联系信箱:

    粤ICP备09063491号