10001636_钙钛矿材料在发光器件中的应用研究-solarbe文库

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钙钛矿材料在发光器件中的应用研究黄伟郑翠翠石标陈俊帆延玲玲辛晨光杜亚雯刘琳赵颖张晓丹（南开大学光电子薄膜器件与技术研究所，天津，300071）摘要本文制备了适合发光二极管的溴基钙钛矿薄膜，并对器件结构进行创新。通过 MABr 的过量来阻止钙钛矿薄膜中铅原子缺陷的形成来获得更优质的薄膜，通过研究不同电子注入层对钙钛矿薄膜的影响，发现了 n 型纳米晶硅氧材料应用于器件中拥有优异表现，这为钙钛矿发光二极管提供了一种新的电子注入层材料。关键字n 型纳米晶硅氧；钙钛矿发光二极管 1. 研究背景与内容钙钛矿由于其带隙可在 1.17-3.0eV 连续可调，覆盖了红、绿、蓝三基色的范围，可应用于发光二极管中而受到广泛关注 [1]，其中溴基钙钛矿具有高稳定性而受到广泛研究。对于钙钛矿发光二极管，钙钛矿成膜过程中若有金属铅（Pb）原子缺陷的形成，则会引起强烈的激子淬灭，提高钙钛矿至空穴传输层的势垒，导致光致发光强度降低、降低薄膜发光寿命 [2]。因此在钙钛矿薄膜成膜过程中需防止金属铅（Pb ）原子形成。本文采用 n-i-p 型钙钛矿发光二极管结构。在 n-i-p 结构中应用到的电子注入层主要为 TiO2、ZnO，但其能级并不适当，使得发光二极管的开启电压相对较大，因此寻找更优秀的电子注入层有利于获得更高的发光效率。 2. 研究结果与讨论 2.1 MABr 过量对钙钛矿材料的影响4505050606501234PL Intesiy a.uWavelngth m 1.2 3.410530nm012034051 2103104 12.76ns13.74ns2.8sNormalized Intsiy a.u Time ns 1.2 3.49.34ns 图 1 不同比例前驱体溶液制备钙钛矿薄膜的光致发光光谱PL和时间分辨光致发光光谱（TRPL）我们制备不同 MABr 和 PbBr2 摩尔比的 DMSO 前驱体溶液制备钙钛矿薄膜，测试结果如图 1 所示。当 MABr/PbBr21 时，PL 峰值很低，说明材料内部存在大量的缺陷。随着摩尔比的提高，PL 的峰值逐渐提高，在 MABr/PbBr21.3 时达到最高，即此时钙钛矿中的缺陷减少。通过时间分辨光致发光光谱（TRPL）图可以验证此观点当 MABr/PbBr21.3 时，钙钛矿材料中缺陷最少，载流子寿命较高。 2.1 混合溶剂对钙钛矿材料的影响 4505050606501234PL Intesiy a.uWavelngth m 0DMF1 2310 1020304050 2103104 2.7ns.s21.9nNormalized Intsiy a.uTime ns 0DMF1 23 .34s 图 2 不同 DMF 含量的前驱体溶液制备钙钛矿薄膜的光致发光光谱 PL和时间分辨光致发光光谱（TRPL）我们在 DMSO 溶液中加入少量 DMF 形成混合溶剂溶解钙钛矿前驱体，旋涂制备钙钛矿薄膜。如图 2 所示，当 DMF 含量为 30时，其 PL 值明显高于其他值，说明钙钛矿薄膜中的缺陷逐渐降低。在 TRPL 图中观察到随着 DMF 含量的提高，载流子寿命有 22.34ns 逐渐提高至 24.47ns，说明钙钛矿薄膜质量逐渐提高。图 3 不同 DMF 含量的前驱体溶液制备钙钛矿薄膜的原子力显微镜（AFM）图如图 3 所示，随着 DMF 含量由 0提高至 30，钙钛矿的表面粗糙度由 5.5nm 降低至 4.1nm，当钙钛矿表面平滑时，后续制备器件旋涂的空穴注入层更平滑，有助于提高器件效率。 2.3 不同电子注入层对发光器件的影响 102304502468*XRD Intesiy a.u Theta dgr SnO2-ci x104* 图 4 不同电子注入层制备钙钛矿的 X 射线衍射（XRD）图如图 4 所示，当采用 n-nc-SiOx 作为电子注入层制备钙钛矿薄膜，其 PL 峰值相对较高，且半高宽降低至 21nm，说明此时钙钛矿中缺陷相对较少。1234567805105205 n-cSiOxLuminace d/Volatge a 1234567891020406.81.241.6 n-cSiOxCurent ficy d/A Volatge b 02468102306901250 n-cSiOxCurent dsiy mA/cVolatge 02468102.10.23.405.6 n-cSiOxEQ Volatge d 图 5 两种不同电子注入层制备的 LED 性能的比较a 电流密度- 电压，b亮度-电压，c电流效率-电压，dEQE- 电压如图 5 所示，用 n 型非晶硅氧作为电子注入层的钙钛矿 LED 的性能要明显优于用 n 型非晶硅的器件。在 n-nc-SiOx 中的电流密度能够达到 1200mA/cm2 以上，器件中的亮度最高达到 2100cd/m2，器件 EQE 值达到 0.43。 3. 结论我们通过对溴基钙钛矿前驱体中 MABr 不同比例，对前驱体溶液中 DMF 和 DMSO 的比例的调控，并以 SnO2、n-nc-Si 到 n-nc-SiOx 三种材料分别作为电子注入层，制备器件，发现以 n- nc-SiOx 为电子注入层生长的钙钛矿缺陷更少、器件效率更高，达 0.43。参考文献 [1] Tan Z K, Moghaddam R S, Lai M L, et al. Bright light-emitting diodes based on organometal halide perovskite[J]. Nature nanotechnology, 2014, 99 687-692. [2] Yantara N, Bhaumik S, Yan F, et al. Inorganic halide perovskites for efficient light-emitting diodes[J]. The journal of physical chemistry letters, 2015, 621 4360-4364. 作者简介姓名张晓丹主要研究方向无机太阳电池；钙钛矿太阳电池；催化材料；等离子体诊断和模拟通讯作者联系方式电话13820413518，Email xdzhangnankai.edu.cn 通讯地址天津市卫津路 94 号南开大学伯苓楼光电子薄膜器件与技术研究所邮政编码300071