西安交大通过抑制离子迁移实现高效稳定全无机钙钛矿LED

如今,钙钛矿材料在光伏光电研究领域受到了广泛的关注和研究。随着绿光和近红外发光器件的外部量子效率超过20 %,表明距离照明和显示器中的实际应用又迈进了一步。然而,器件稳定性目前仍是限制发光二极管进一步发展的阻碍之一,电场作用下离子迁移对器件性能滚降的作用不可忽视。器件中离子迁移途径分为两类:钙钛矿发射层和电荷传输中间层之间的离子交换以及离子通过它们的渗透,以及金属原子从电极扩散到甚至穿过电荷传输层的扩散。迁移会导致钙钛矿和中间层的缺陷形成和材料降解,以及电极腐蚀,致使器件性能迅速下降。

此外,全无机CsPbX3材料因其具有较高的光热稳定性,成为近年发光二极管中的明星材料。然而,其前驱材料自身溶解度较低,使得相应薄膜容易结晶质量低、缺陷密度高、形貌差,进而造成非辐射复合几率升高,大大降低器件效率。这些缺陷导致的相关稳定性问题也阻碍了无机钙钛矿发光二极管的稳定性发展。

针对以上钙钛矿发光二极管中所存在的离子迁移以及CsPbBr3薄膜成膜质量差的问题,吴朝新教授组研究了“insulator-perovskite-insulator”(IPI)全无机异质结器件结构,即双层LiF层包裹钙钛矿发光层形成类三明治结构,并结合无机半导体材料ZnS-ZnSe组合作为联级电子传输层取代以往的有机半导体传输材料,同时实现了有效的载流子传输性和离子迁移的抑制。全无机异质结器件结构显着抑制了电场诱导下钙钛矿层的离子迁移,并阻碍了金属原子向发光层的扩散。另一方面,利用多元A位掺杂效应,通过引入碱金属离子制备出致密均匀的三元Cs/Rb/KPbBr3薄膜。此外,观察到在预退火过程中反溶剂氛围处理与薄膜的成膜性和光学特性密切相关,这进一步从一定程度上提高了薄膜荧光质量。结果,优化后的三元钙钛矿发光二极管的器件效率为35.15 cd A-1(EQE 11.05 %)。同时,该器件在储存264小时后仍能保持原有EQE的90 %。在初始亮度为100 cd m-2的稳定性测试下,器件的T50寿命超过255小时。

工作提出的全无机异质结器件结构为实现高效稳定的钙钛矿发光二极管开辟了一条新的途径。

该项研究以“Suppressing Ion Migration Enables Stable Perovskite Light-Emitting Diodes with All-Inorganic Strategy”为题近期发表于国际期刊Advanced Functional Materials (2020)(影响因子 16.836)。第一作者为课题组2016级博士生张琳;袁方博士、李璟睿特聘研究员和吴朝新教授为共同通讯作者,西安交通大学为第一作者单位和唯一通讯作者单位。该工作得到自然科学基金委项目等的支持。(来源:西安交大新闻网)

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