葡萄糖作钝化剂的绿光多晶薄膜钙钛矿发光二极管_董建华.pdf

第 44 卷 第 2 期2023年 2 月Vol.44 No.2Feb.,2023发光学报CHINESE JOURNAL OF LUMINESCENCE葡萄糖作钝化剂的绿光多晶薄膜钙钛矿发光二极管董建华1，卢璐1，金旭东1，卢琦晴1，苗艳勤1，2*，赵敏1，3（1.太原理工大学 新材料界面科学与工程教育部重点实验室，山西 太原030024；2.山西浙大新材料与化工研究院，山西 太原030024；3.兴县经开区铝镁新材料研发有限公司，山西 兴县033600）摘要：金属卤化物钙钛矿发光二极管具有颜色可调、色纯度高、光谱稳定性好等优点，成为近年来的研究热点。溶液加工的多晶薄膜钙钛矿发光二极管制备工艺简单且成本低，但结晶过程中容易形成缺陷，进而影响器件性能。本文提出采用低成本的葡萄糖作为钝化剂，制备多晶薄膜钙钛矿发光二极管，葡萄糖的加入有效抑制了器件中缺陷诱导非辐射复合损失。在葡萄糖浓度为 0.2 molL-1时，缺陷钝化效果最佳，器件的最大亮度达到 11 840 cdm-2，最大电流效率为 7.89 cdA-1，光谱稳定性及色纯度好，且表现出较好的重复性。本文为多晶薄膜钙钛矿发光二极管中缺陷的钝化提供了简单而有效的方法。关键词：钙钛矿发光；多晶薄膜；葡萄糖；缺陷钝化中图分类号：O482.31；TN312.8 文献标识码：A DOI：10.37188/CJL.20220297Green Polycrystalline Perovskite Films with Glucose as Passivator for Light-emitting DiodesDONG Jianhua1，LU Lu1，JIN Xudong1，LU Qiqing1，MIAO Yanqin1，2*，ZHAO Min1，3（1.Key Laboratory of Interface Science and Engineering in Advanced Materials，Ministry of Education，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China；2.Shanxi-Zheda Institute of Advanced Materials and Chemical Engineering，Taiyuan 030024，China；3.Xingxian Economic Development Zone Aluminum Magnesium New Material Research and Development Company Limited，Xingxian 033600，China）*Corresponding Author，E-mail：Abstract：Metal-halide perovskite light-emitting diodes have become a research hotspot in recent years，for they have the advantages of tunable emission color，high color purity and excellent spectral stability.Solution processed polycrystalline thin film perovskite light-emitting diodes have simple and low-cost preparation process，but it is easy to form defects in the crystallization process，which will affect the performance of the device.In this work，low-cost glucose is used as passivation agent to prepare polycrystalline thin film perovskite light-emitting diodes.The addition of glucose can effectively inhibit the trap-assisted nonradiative recombination loss in the devices.When the glucose concentration was 0.2 mol L-1，the maximum brightness of the device reached 11 840 cd m-2，the maximum current efficiency was 7.89 cd A-1.Our devices have excellent spectral stability，color purity and repeatability.This work provides a simple and effective method for the passivation of defects in polycrystalline thin film perovskite light-emitting diodes.Key words：perovskite light-emitting；polycrystalline thin film；glucose；defects passivation文章编号：1000-7032（2023）02-0328-09收稿日期：20220814；修订日期：20220831基金项目：山西科技创新人才团队项目（202204051001013）；山西省基础研究项目（20210302123115）；山西浙大新材料与化工研究院基础研究项目（2021SXFR007）；吕梁市高层次人才重点研发计划项目（2021RC218）Supported by Science and Technology Innovation Talent Team Project of Shanxi Province（202204051001013）；Fundamental Research Program of Shanxi Province（20210302123115）；ShanxiZheda Institute of Advanced Materials and Chemical Engineering（2021SXFR007）；Key Research and Development Program of Highlevel Scientific and Technological Talents in Lvliang City（2021RC28）第 2 期董建华，等：葡萄糖作钝化剂的绿光多晶薄膜钙钛矿发光二极管1引言金属卤化物钙钛矿发光二极管（Perovskite light-emitting diodes，PeLEDs）具有颜色可调、色纯度高、器件效率高以及光谱稳定性好等优点，成为近年来的研究热点1。通过调控化学组成或晶粒尺寸，可以实现对钙钛矿材料的带隙调控，从而实现不同颜色单色光发射，达到整个可见光谱全覆盖2。钙钛矿材料的发射光谱半峰宽窄，通常不超过 40 nm，可以获得高纯度的单色光。高光致荧光量子产率是实现高性能电致发光器件的先决条件，经过一定的后处理工艺改性，钙钛矿薄膜的光致荧光量子产率可以超过 90%3-4。在不同驱动电压下，PeLEDs的电致发光光谱发射峰位基本保持不变，表现出优异的光谱稳定性。可通过溶液法加工及钙钛矿发光材料合成工艺相对简单的特性，使得 PeLEDs 的制备成本相对较低。所以，自2014 年剑桥大学 Friend 课题组首次报道室温下钙钛矿电致发光以来5，PeLEDs 的研究成果层出不穷，在不同单色光以及白光领域均取得了重大进展。外量子效率（External quantum efficiency，EQE）是衡量 PeLEDs 性能的关键指标，目前绿光和红光 PeLEDs 的 EQE 均已超过 23%4,6-7，蓝光和白光相对较低，但也分别达到 13.8%8和 12.2%9。EQE 的不断提高使得 PeLEDs 在显示与照明领域表现出巨大的应用潜力。尽管近年来 PeLEDs发展迅速，但依然存在着一些亟待解决的问题。如器件暴露在空气氛围时，水氧作用致使器件迅速退化；高电流密度时，EQE 下降严重，即效率滚降严重；电驱动下，部分离子会逃逸出钙钛矿晶格，在电场作用下发生定向移动等。尤其是在电驱动下，卤素离子发生迁移产生的未成键的铅离子很容易俘获注入器件的电荷，形成非辐射复合缺陷。钙钛矿发光层缺陷的存在导致光致荧光量子产率下降，进而降低器件的 EQE。针对晶体缺陷问题，已经有大量钝化策略被报道。如通过调控 CsPbBr3前驱体溶液化学组分，形成第二相 Cs4PbBr6，由于两相晶格常数接近，匹配度高，可以形成异质结有效钝化缺陷10-11。通过将有机添加剂引入钙钛矿晶界形成壳层，用钝化剂包覆晶粒，可以钝化晶粒表面缺陷，进而提高器件性能12-13。通过调整前驱体溶液的化学组分，使卤素含量超过 Pb 与卤素的化学计量比，富卤素化学 环 境 可 以 减 少 钙 钛 矿 析 晶 过 程 中 缺 陷 的 形成14。根据酸碱电子理论，未成键的 Pb2+最外层轨道缺两个电子，具有 Lewis 酸的特征具有接受电子的能力。因此，引入可以提供孤电子对的Lewis 碱填充 Pb2+空置轨道钝化钙钛矿中的非辐射复合缺陷是提高 PeLEDs性能有效可行的方法。近年来，相关研究工作已经报道了与 Pb2+形成配位键进行钝化钙钛矿中非辐射复合缺陷的 Lewis碱，有羟基（OH）15-18、醚键（COC）6,19-20、羧酸（COOH）21-23、酯（COO）24、氨基（NH2）25-27和氧化膦（P=O）28-31等。但上述这些 Lewis碱中，大部分有机小分子或聚合物存在合成路线复杂、制备成本高等问题。基于此，本文采用制备工艺成熟、成本低廉、具有多羟基醛结构的葡萄糖做钝化剂，其分子中每一个碳原子均连接有 Lewis 碱官能团（羟基或羰基）。将葡萄糖按比例引入钙钛矿前驱体溶液中，制备的钙钛矿薄膜缺陷钝化效果明显。采用其制备的绿光 PeLEDs 具有低启亮电压（3.0 V），且实现了高发光亮度（最大亮度达到 11 840 cd m-2）、高光谱稳定性和高色纯度。2实验2.1实验试剂本文所用的溴化铯（CsBr，99.9%）、甲基溴化胺（MABr，99.5%）和氟化锂（LiF，99.9%）均采购于西安宝莱特光电科技有限公司。溴化铅（PbBr2，99.999%）、D-无水葡萄糖和二甲基亚砜（DMSO,99.7%,with molecular sieves）采购于上海麦克林试剂公司。B3PyMPM 购于上海瀚丰化工科技有限公司。聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸（PEDOT PSS AI4083）购于德国贺利氏公司。所有试剂未进一步处理，直接使用。2.2前驱体制备将 1.064 g（5 mmol）CsBr 和 1.835 g（5 mmol）PbBr2置于研钵中进行研磨 20 min，得到浅黄色固体粉末。将得到的浅黄色粉末、MABr 及无水葡萄糖按比例（0.5 mol L-10.5 mol L-1x mol L-1,x=00.3）溶于 DMSO，氮气氛围室温搅拌 12 h 得到浅绿色悬浊液，待沉淀静置于底部后，用 0.22 m孔径聚四氟乙烯疏水滤头过滤上清液，以备使用。2.3器件制备将图案化氧化铟锡（ITO）导电玻璃（20 mm329第 44 卷发光学报30 mm）依次用丙酮、洗涤剂、去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗，每步 20 min；然后将清洗后的 ITO玻璃基片置于 50 烘箱中烘干，以备使用。在制备各功能层前，先将 ITO 基片在紫外臭氧环境中处理 15 min；然后在空气氛围旋涂