采用不同缺陷钝化方法提高钙钛矿发光器件的效率

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最近几年,钙钛矿材料作为能源和材料领域最热门的研究方向之一,广泛应用在太阳能电池、发光二极管、光电探测器、激光等领域,其发展令人瞩目。这得益于钙钛矿材料具有良好的光吸收性,更少的非辐射性复合,方便的溶液加工制备方法,较低的载流子陷阱密度和较高的缺陷容忍等特点。钙钛矿薄膜中的缺陷复合是影响器件效率和稳定性的主要因素之一,可以通过采用引入添加剂来钝化钙钛矿薄膜中的本征缺陷。或者采用界面修饰的方法可以有效地降低钙钛矿薄膜中的缺陷,从而提高钙钛矿发光器件中的辐射复合效率和器件的稳定性。本文主要研究了采用1,3,5-三(1-苯基-1H-苯并咪唑-2-基)(TPBi)溶液后处理对MAPbBr3钙钛矿薄膜的晶体结构,表面形貌,光物理以及载流子传输特性的影响。结果表明,MAPbBr3钙钛矿晶粒大小并没有随着TPBi浓度的增加发生明显的变化,X射线晶体衍射表明,MAPbBr3钙钛矿样品在15.0°,30.2°和46.1°位置出现衍射峰,来源MAPbBr3钙钛矿立方晶体结构的(100),(200)和(300)晶面。而经TPBi溶液处理的样品除了出现上述衍射峰之外,还在21.4°,34.2°,37.3°,43.4°位置出现衍射峰,这些分别代表MAPbBr3晶体(110),(210),(122),(220)的生长取向。为探究TPBi后处理对钙钛矿薄膜缺陷态密度的影响,测量钙钛矿薄膜的瞬态寿命,未经处理的MAPbBr3钙钛矿薄膜的平均发光寿命为13.33 ns,而采用浓度为1 mg/ml的TPBi溶液处理的MAPbBr3薄膜平均发光寿命为49.05 ns,MAPbBr3/蒸镀TPBi薄层样品的平均发光寿命为17.37 ns,实验结果表明,后处理TPBi溶液能够更有效钝化钙钛矿薄膜表面和晶界的缺陷,提高激子复合的速率,改善薄膜的质量。比较了MAPbBr3和氯苯洗过MAPbBr3/TPBi样品的特性,表明氯苯清洗不能完全去除表面和晶界中的TPBi,这些TPBi对空穴的运输存在阻碍作用。研究有机添加剂TPBi浓度对器件发光亮度、发光效率和电致发光光谱稳定性的影响,使用CB快速结晶的样品发光效率为19.7 cd/A,EQE为5%。而使用TPBi溶液后处理的样品,发光效率为39.2 cd/A,EQE为9.9%,使用TPBi溶液来对钙钛矿薄膜进行后处理可以使得器件的发光效率提高2倍。我们研究了四亚甲基二胺溴酸盐1,4-diaminobutane hydrobromide(BDADBr)准二维钙钛矿的表面形貌、晶体结构、光物理、以及制备的相应器件电致发光特性。相比较于MAPbBr3钙钛矿薄膜,引入BDADBr双胺分子的准二维钙钛矿薄膜的晶粒变小,这是由于BDADBr分子由于尺寸限制无法进入[PbBr6]4-晶格结构,限制了晶体的生长。MAPbBr3钙钛矿样品在14.9°,21.2°,30.1°,33.8°,37.0°和43.1°位置出现了衍射峰,分别来源于MAPbBr3立方晶体的(100),(110),(200),(210),(112),(220)晶面。MABr:BDADBr摩尔比为2:1的准二维钙钛矿材料的衍射峰位于9.0°,12.3°,16.7°,18.0°,27.1°和28.9°,来自于低维钙钛矿晶体的(0k0)晶面,n代表无机层中[PbBr6]4-单元层的数目。2:1钙钛矿薄膜的正面与背面具有接近的PL谱,实验结果表明不同n值的相分布的较均匀,引入BDADBr材料后钙钛矿薄膜的荧光强度增强。制成的薄膜PL的最大波长蓝移30-40 nm,并且在引入四亚甲基二胺溴酸盐之后,钙钛矿的光致发光量子产率、光照稳定性、环境稳定性都得到了增强。最后相应的天蓝色钙钛矿发光二极管EQE为1.0%,效率为1.6 cd/A。
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