Adv. Mater. 显著提高杂化钙钛矿发光二极管性能的电极夹层及界面处理

18734575340 8年前 (2016-08-19) 5804浏览

【成果简介】

自从Chondroudis和Mitzi首次报道有机-无机杂化钙钛矿发光二极管在室温下的电致发光以来，Cho等人通过纳米钉扎法将钙钛矿发光二极管的电流效率提升至42.9cd A-1。致密堆积的CH3NH3PbBr3薄膜的制备是发光二极管器件性能优异的重要参数，然而，许多在制备杂化钙钛矿电池时能有效改善多晶钙钛矿薄膜表面形貌的方法对发光二极管器件的CH3NH3PbBr3 薄膜的制备并不适用。近来有报道称将CH3NH3PbI3晶体或多晶薄膜在室温下即时暴露在甲胺（MA)气氛中可以在基底上形成液态CH3NH3PbI3•xMA层。

台湾国立成功大学的Tzung-Fang Guo（通讯作者）等研究人员用更适合做电极夹层的NiOx层取代了常用的PEDOT:PSS空穴传输层，并采用一种条件温和的气-固反应成功地对CH3NH3PbBr3薄膜进行了处理，显著提高了钙钛矿薄膜的质量、结晶度和光致发光性能。该项研究报道的基于CH3NH3PbBr3的高效杂化发光二极管亮度超过70000cd m−2，发光效率大于15cd A-1，为高效钙钛矿发光二极管的设计及性能提升提供了一种简单易行的方法。

【图文导读】

图1： CH3NH3PbBr3多晶薄膜界面处理的原理示意图

Step1表示CH3NH3PbBr3多晶薄膜的制备过程：Step2表示为MA-CH3NH3PbBr3气-固反应提供MA的装置。

图2：MA处理时间不同的glass/ITO/NiOx/CH3NH3PbBr3样品的扫描电子显微镜图（SEM）

（a）MA处理180s后的CH3NH3PbBr3薄膜的SEM图，此时可观察到在基底上形成了许多长方体形的大晶粒。

（b）没有经过MA处理的CH3NH3PbBr3薄膜的SEM图，即MA处理0s后的CH3NH3PbBr3薄膜的SEM图。

（c）MA处理20s后的CH3NH3PbBr3薄膜的SEM图，此时CH3NH3PbBr3多晶薄膜表面的晶界清晰可见。

（d-f）分别为MA处理60s、80s、100s后的CH3NH3PbBr3薄膜的SEM图，这三幅图片表明MA处理60s、80s、100s后基底上的薄膜呈致密堆积，且表面形貌相似。和（c）相比，（d-f）中的晶界界面不甚清晰，由此可推断气-固反应导致CH3NH3PbBr3晶体沿晶界再生长。

图3：MA处理时间不同的CH3NH3PbBr3薄膜的X-射线衍射图（XRD）

图3所示为MA处理时间不同的CH3NH3PbBr3薄膜的X-射线衍射图（XRD），由图可知，没有经过MA处理的CH3NH3PbBr3薄膜的XRD图出现(100)，(110)，(200)，(210)，(211)，(220)和(300)晶面的衍射峰，随着MA处理时间增加，(100) 和 (200)晶面的衍射峰强度增加。而(110)， (210)， (211)和(220)晶面的衍射峰对(100)和(200)晶面的相对衍射强度却随MA处理时间的增加而降低。以上结果证明经过MA处理，CH3NH3PbBr3晶体的再生长倾向于沿(100)和(200)晶面进行。此外，(100)晶面的衍射峰的半峰宽不随MA处理时间的增加而变化，表明CH3NH3PbBr3晶体的平均粒度不随MA处理时间的增加发生变化。

图4：器件结构表征

（a）组成为glass/ITO/NiOx/CH3NH3PbBr3/TPBI/LiF/Al的器件结构示意图。（b）各夹层的能级图。

图5：器件性能表征

图5（a）所示为电流密度-亮度-电压曲线（J–L–V曲线），由图可知，杂化发光二级管的器件性能随MA处理时间的增加而提升。用MA处理80s后的CH3NH3PbBr3薄膜制备的器件启亮电压低于4V，EL强度在9V时大于70 000 cd m−2，LE在8.5V时达到最大，为15.9cd A−1。当MA处理时间增加至100s后，EL强度和LE都有所下降。因此，杂化发光二极管的最优MA处理时间为80s。

图6：CH3NH3PbBr3薄膜的光致发光光谱（PL）

图6中glass/ITO/PEDOT:PSS基底上的CH3NH3PbBr3薄膜的PL强度非常低，显然PEDOT:PSS并适用于做CH3NH3PbBr3为基础的发光二级管的空穴传输材料。而与glass/ITO/PEDOT:PSS基底上的CH3NH3PbBr3薄膜的PL强度相比，glass/ITO/NiOx基底上的CH3NH3PbBr3薄膜的PL强度相对较高；而且随MA处理时间从0s增加至80s，glass/ITO/NiOx基底上的CH3NH3PbBr3薄膜的PL强度持续增强。当MA处理时间增加至100s后，glass/ITO/NiOx基底上的CH3NH3PbBr3薄膜的PL强度降低。