西安交大吴朝新Adv. Mater.: 钙钛矿LED普适性器件结构：“绝缘层-钙钛矿-绝缘层”（IPI）

【引言】

近年来，钙钛矿材料由于其易合成、低成本、高吸收系数、载流子扩散距离长等优势，在光伏领域掀起研究热潮，成为炙手可热的“明星材料”。此外，钙钛矿材料还具有高色纯度，高荧光量子产率以及易于实现全光谱发光，使其同时展现出在电致发光，显示领域的应用优势。目前为止，所有的钙钛矿LED都是沿用了传统的有机电致发光（OLED）和聚合物电致发光（PLED）的器件结构。由于有机发光分子荧光寿命较短，一般在OLED与PLED器件中发光层与空穴、电子传输层间的荧光淬灭可以忽略。然而，一般而言钙钛矿材料的荧光寿命要远远大于与传统的有机电致发光小分子和聚合物材料，因而在沿用OLED与PLED的器件结构中，在钙钛矿材料与电子、空穴传输层之间会发生严重的荧光淬灭。更由于钙钛矿材料本身特有的成膜结晶特性，与有机分子薄膜不同，钙钛矿薄膜存在表面粗糙度大，易于出现孔洞等问题，这些问题将引起钙钛矿电致发光器件漏电流升高，热效应明显，导致器件效率降低和器件寿命缩短。因而，寻找一种适合钙钛矿材料的荧光和结晶动力学特性发光特性的发光二极管结构意义重大。

【成果简介】

西安交通大学电信学院吴朝新教授团队提出了一种钙钛矿半导体普适的器件结构：“绝缘层-钙钛矿-绝缘层”（IPI），即将钙钛矿发光层置于一对超薄LiF绝缘层之间。IPI结构的原理是基于量子力学领域的量子隧道效应。实验表明，相比于传统电致发光器件结构，IPI结构大大抑制了漏电流，提高了空穴注入，增强了辐射复合，增加了器件效率，延长了器件寿命。和基于传统器件结构的钙钛矿发光器件相比，基于IPI结构钙钛矿发光器件的电流效率从0.64cd/A增加到20.3cd/A，外量子效率从0.174%增加到5.53%，器件效率上升了30倍。此外，相比于传统结构器件，基于全无机钙钛矿的IPI结构器件，钙钛矿薄膜在经过反溶剂熏蒸后持续点亮时间长达96小时，是传统结构器件寿命的24倍。以上结果表明，IPI结构不仅有利于器件效率的提升，而且有利于器件寿命的延长。论文中表明，IPI结构适合MAPbBr₃、FAPbBr₃，CsPbBr₃，以及CsSnBr₃等，有望成为未来钙钛矿发光二极管的通用普适性器件结构。

该项研究工作以题目为“A Strategy for Architecture Design of Crystalline Perovskite Light‐Emitting Diodes with High Performance”近日发表于国际顶级期刊Advanced Materials（IF=19.791）上。该论文第一作者为课题组17级博士生时一斐，吴朝新教授作为唯一通讯作者，西安交通大学为第一作者单位。参与此项工作的还有剑桥大学卡文迪许实验室Guangru Li博士，剑桥大学材料科学与冶金学系郗凯博士和 Giorgio Divitini博士。

【图文导读】

图1 以FAPbBr₃和MAPbBr₃ 作为发光层的IPI结构器件示意图

(a)基于FAPbBr₃的IPI器件结构SEM截面图; (b)IPI器件结构示意图；(c)基于MAPbBr₃的IPI器件结构SEM截面图; (d)ITO/LiF/ FAPbBr₃样品的SEM图; (e) IPI器件结构能级图; (f) ITO/LiF/ MAPbBr₃样品的SEM图；（g）基于FAPbBr₃的IPI器件EL光谱；（h）空气中点亮的IPI结构器件；（i）基于MAPbBr₃的IPI器件EL光谱

图2 传统结构器件与IPI结构器件对比  

(a)ITO/PEDOT:PSS/钙钛矿/Bphen/LiF/Al；（b）ITO/PEDOT:PSS/PVK/钙钛矿/Bphen/LiF/Al；(c) ITO/LiF/钙钛矿/LiF/Bphen/LiF/Al (IPI结构); (d-f)基于FAPbBr₃的三种结构器件性能对比；(g-i）基于MAPbBr₃的三种结构器件性能曲线对比；(j-n) 基于CsPbBr₃的传统结构器件和IPI结构器件以及经过反溶剂（氯苯）熏蒸过钙钛矿薄膜的IPI结构器件性能曲线和器件寿命对比；(o)一个持续点亮的基于CsPbBr₃的IPI结构器件照片。

图3 IPI结构机理解释

ITO/PEDOT:PSS/钙钛矿/Bphen/LiF/Al结构泄漏电流示意图；(b)IPI结构增强辐射复合示意图；(c-d) ITO/PEDOT:PSS/ FAPbBr₃样品的AFM和c-AFM图；（e-f）ITO/LiF/ FAPbBr₃/LiF样品的AFM和c-AFM图；（c′-f′）对应于(c-f)图中虚线的形貌和电流分布曲线；(g) 器件A中PE 区域存在较大注入势垒；(h)器件C中 PE′区域存在较小空穴注入势垒；(i)器件C中P′区域抑制了漏电流。

图4 IPI结构样品荧动力学表征

(a)瞬态荧光寿命曲线；(b)PL荧光光谱曲线。六种样品分别是： Glass/ITO/LiF/FAPbBr₃/LiF/Bphen；

Glass/ITO/LiF/FAPbBr₃；

Glass/ITO/LiF/FAPbBr₃/Bphen；  

Glass/ITO/PEDOT:PSS/PVK/FAPbBr₃；

Glass/ITO/PEDOT:PSS/FAPbBr₃；

Glass/ITO/FAPbBr₃。

文献链接：A Strategy for Architecture Design of Crystalline Perovskite Light‐Emitting Diodes with High Performance (Adv. Mater., 2018, doi: 10.1002/adma.201800251)

【团队介绍】

西安交通大学吴朝新教授团队主要研究新型功能材料的“光-电”与“电-光”物理机制及其器件应用如太阳能电池与发光二极管等。主页：http://zhaoxinwu.gr.xjtu.edu.cn。该工作得到国家自然基金委面上课题（编号11574248），科技部国家重点研发专项（编号2016YFB0400702），陕西省自然科学基本研究计划（编号2016JM6072），教育部博士后面上项目（编号20130201110065），以及陕西省国际合作项目（编号2015KW-008）的支持。

本文由西安交通大学吴朝新教授团队供稿。

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