本帖最后由 momo 于 2025-5-12 16:56 编辑
本文探讨了高性能纯红色钙钛矿LED的开发，该LED利用晶粒内异质结构来缓解效率滚降，并提高亮度和外部量子效率。
一、研究背景
金属卤化物钙钛矿是下一代发光二极管(LEDs)的有前途的发光体候选材料。纯红色钙钛矿型在纯红色钙钛矿型LEDs(PeLEDs)中同时实现高亮度和高效率是一个持续的目标。三维(3D) CsPbI3-xBrx发射体具有优异的载流子传输能力和高色纯度，这可以允许高效和超亮的纯红色像素。
二、关键问题
然而，PeLEDs的发展主要存在以下问题：1、在纯红色像素中同时实现高亮度和高效率仍然是一个挑战目前，PeLEDs在绿色和近红外区域的性能已经取得显著进展。然而，在纯红色像素中，虽然基于降维小量子点钙钛矿的材料可以实现超过20%的EQE，但这些材料的载流子迁移率较低。2、目前制造的PeLEDs仍然存在严重的效率下降问题体三维（3D）混合卤化物钙钛矿具有优异的载流子传输性能和合适的带隙，被认为是高效和明亮的纯红色像素的理想发光材料。但使用这些材料制造的PeLEDs仍然存在严重的效率下降问题，其潜在机制尚未完全清楚。
三、研究设想
有鉴于此，中科大姚宏斌、樊逢佳、林岳、胡伟及中国科学院大学郑官豪杰等人通过使用电激发瞬态吸收光谱，发现纯红色钙钛矿型LEDs效率下降是由空穴泄漏引起的。因此，作者开发了一种包含窄带隙发射极和宽带隙势垒的CsPbI3-xBrx晶粒内异质结构，以限制注入的载流子。通过在[PbX6] 4-框架中引入强键合分子来扩展3D CsPbI3-xBrx晶格，从而引入宽带隙势垒。这种策略产生了明亮高效的纯红色像素，具有24,600 cd m2的高亮度、24.2%的最大外部量子效率和低效率滚降，在22,670 cd m2的高亮度下保持10.5%的外部量子效率。技术方案：1、揭示了纯红像素发光二极管的效率衰减机制作者通过EETA技术发现，CsPbI3-xBrx PeLEDs效率下降的主要原因是空穴泄漏到PO-T2T层，而非电子泄漏。2、设计并表征了晶内三维钙钛矿异质结构作者提出通过引入PTLA分子构建异质结构来减少空穴泄漏，成功构建了异质结构，经XRD、GIWAXS、TEM和STEM等证实，显著增强了载流子限制。3、证实了异质结构设计有效减少了空穴泄漏作者通过超快瞬态吸收（TA）和光致发光（PL）测量，验证了异质结构界面的高效载流子转移，表明异质结构显著减少了空穴泄漏，提升了器件性能。4、表明异质结构设计显著提升了纯红色PeLED的性能和稳定性基于异质结构膜的纯红色PeLED表现出24.2%的峰值EQE和优异的效率下降抑制，平均T50在100 cd/m²下可达127小时，且滞后现象较少。
四、结果与讨论
1、纯红色钙钛矿发光二极管 (PeLED) 的效率滚降
纯红色钙钛矿发光二极管 (PeLED) 的效率滚降主要由空穴泄漏引起，这会导致高电流密度下的亮度和效率降低。本研究揭示了这一现象背后的机制，并提出了提升性能的解决方案。
• 效率滚降是纯红色PeLED的一个关键问题，尤其是在3D CsPbI3-xBrx发射体中。
• 通过电激发瞬态吸收 (EETA) 光谱法，确定空穴泄漏是效率滚降的主要原因。
• 研究观察到最大外部量子效率 (EQE) 为24.2%，亮度为24,600 cd m−2。
• 在高亮度 (22,670 cd m−2) 下，外量子效率 (EQE) 保持在 10.5%，表明效率滚降较小。
2、晶内异质结构的开发
为了解决效率滚降问题，研究人员开发了一种 CsPbI3-xBrx 晶内异质结构，该结构结合了宽带隙势垒，可以有效地限制注入载流子。这种创新方法增强了载流子的传输，同时最大限度地减少了泄漏。
• 晶内异质结构设计采用了窄带隙发射极和宽带隙势垒。
• 在 [PbX6]4− 框架中引入强键合分子，以在不影响载流子迁移率的情况下扩展晶格。
• 新结构可以更好地限制载流子，减少空穴泄漏并提高器件性能。
3、增强型 PeLED 的性能指标
新开发的 PeLED 在性能指标方面表现出显著的提升，展现了其在照明和显示器领域实际应用的潜力。这些器件表现出高亮度和高效率，并且效率滚降较低。
• PeLED 的峰值外量子效率 (EQE) 达到 24.2%，最大亮度达到 24,600 cd m−2。
• 器件在高亮度下仍保持 10.5% 的外量子效率 (EQE)，表明其在实际工作条件下性能卓越。
• 100 cd m−2 下的运行半衰期 (T50) 估计为 127 小时，展现出良好的稳定性。
4、对未来研究和应用的启示
研究结果凸显了晶粒内异质结构钙钛矿在开发高效、明亮且稳定的 PeLED 方面的潜力，为未来光电器件的进步铺平了道路。这项研究有望显著提升下一代发光技术的性能。
• 该研究强调了解决 PeLED 效率滚降问题对于实现商业可行性的重要性。
• 异质结构设计的成功实施有望激发对先进钙钛矿材料的进一步研究。
• 增强型钙钛矿发光二极管 (PeLED) 可在照明、显示器和其他光电设备中拥有广泛的应用。
五、实验细节
1、关键材料和制备技术
钙钛矿前驱体溶液的制备涉及特定的材料和条件，以达到所需的性能。
• CsI、CsBr、PbBr2、PbI2、DMF 和 PTLA 是无需纯化即可使用的关键材料。
• CsPbI3-xBrx 的前驱体溶液的浓度为 0.12 M，LAG 与铅的摩尔比为 17%。
• 异质结构薄膜在前驱体溶液中使用不同的 PTLA 摩尔比。
2、PeLED 制造工艺
PeLED 的制造工艺涉及多层结构和精确的工艺条件，以确保最佳性能。
• 在涂覆 PEDOT:PSS 和 PTAA 层之前，玻璃基板需要经过清洁和处理。
• 钙钛矿薄膜采用旋涂工艺，并在特定温度（80°C 和 150°C）下退火。
• 最终层包括 PO-T2T 和 LiF/铝电极，在真空条件下沉积。
3、器件性能测量技术
采用多种方法来测量 PeLED 的性能，以确保准确的特性描述。
• 使用 Keithley 2400 源表记录电流密度-电压 (J-V) 曲线。
• 使用 Ocean Optics 光谱仪采集电致发光光谱。
• 测量在室温下氮气氛围中进行。
4、先进的表征方法
采用先进的技术来分析钙钛矿薄膜的结构和光学特性。
• 透射电子显微镜 (TEM) 用于观察薄膜的形貌和结晶过程。
• 超快瞬态吸收测量可深入了解能量转移动力学。
• X 射线衍射 (XRD) 和掠入射e角X射线散射（GIWAXS）表征相变。
5、理论计算与模拟
密度泛函理论（DFT）计算用于理解钙钛矿材料的电子特性。
• 总能量计算优化原子位置和晶胞形状。
• 吸附能计算评估钙钛矿晶格内官能团的稳定性。
• 态密度计算提供对电子结构的洞察。
6、PeLED性能概述
PeLED的最新进展表明其效率和稳定性显著提升。
• 据报道，异质结构CsPbI3-xBrx薄膜的最大外量子效率（EQE）为24.2%。
• 多项研究报告显示，不同钙钛矿成分和结构的效率从14.1%到28.7%不等。
• 通过创新材料和制造技术，PeLED的性能不断提升。
六、展望
总之，作者通过电激发瞬态吸收光谱发现纯红色钙钛矿LED效率下降源于空穴泄漏。为此，开发了CsPbI3-xBrx晶粒内异质结构，引入宽带隙势垒，显著提升了器件性能，实现了24,600 cd/m²的高亮度和24.2%的最大外部量子效率。
七、参考文献
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