西安交大通過抑制離子遷移實現(xiàn)高效穩(wěn)定全無機鈣鈦礦LED

如今，鈣鈦礦材料在光伏光電研究領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注和研究。隨著綠光和近紅外發(fā)光器件的外部量子效率超過20 %，表明距離照明和顯示器中的實際應(yīng)用又邁進了一步。然而，器件穩(wěn)定性目前仍是限制發(fā)光二極管進一步發(fā)展的阻礙之一，電場作用下離子遷移對器件性能滾降的作用不可忽視。器件中離子遷移途徑分為兩類：鈣鈦礦發(fā)射層和電荷傳輸中間層之間的離子交換以及離子通過它們的滲透，以及金屬原子從電極擴散到甚至穿過電荷傳輸層的擴散。遷移會導致鈣鈦礦和中間層的缺陷形成和材料降解，以及電極腐蝕，致使器件性能迅速下降。

此外，全無機CsPbX3材料因其具有較高的光熱穩(wěn)定性，成為近年發(fā)光二極管中的明星材料。然而，其前驅(qū)材料自身溶解度較低，使得相應(yīng)薄膜容易結(jié)晶質(zhì)量低、缺陷密度高、形貌差，進而造成非輻射復合幾率升高，大大降低器件效率。這些缺陷導致的相關(guān)穩(wěn)定性問題也阻礙了無機鈣鈦礦發(fā)光二極管的穩(wěn)定性發(fā)展。

針對以上鈣鈦礦發(fā)光二極管中所存在的離子遷移以及CsPbBr3薄膜成膜質(zhì)量差的問題，吳朝新教授組研究了“insulator-perovskite-insulator”（IPI）全無機異質(zhì)結(jié)器件結(jié)構(gòu)，即雙層LiF層包裹鈣鈦礦發(fā)光層形成類三明治結(jié)構(gòu)，并結(jié)合無機半導體材料ZnS-ZnSe組合作為聯(lián)級電子傳輸層取代以往的有機半導體傳輸材料，同時實現(xiàn)了有效的載流子傳輸性和離子遷移的抑制。全無機異質(zhì)結(jié)器件結(jié)構(gòu)顯著抑制了電場誘導下鈣鈦礦層的離子遷移，并阻礙了金屬原子向發(fā)光層的擴散。另一方面，利用多元A位摻雜效應(yīng)，通過引入堿金屬離子制備出致密均勻的三元Cs/Rb/KPbBr3薄膜。此外，觀察到在預(yù)退火過程中反溶劑氛圍處理與薄膜的成膜性和光學特性密切相關(guān)，這進一步從一定程度上提高了薄膜熒光質(zhì)量。結(jié)果，優(yōu)化后的三元鈣鈦礦發(fā)光二極管的器件效率為35.15 cd A-1（EQE 11.05 %）。同時，該器件在儲存264小時后仍能保持原有EQE的90 %。在初始亮度為100 cd m-2的穩(wěn)定性測試下，器件的T50壽命超過255小時。

工作提出的全無機異質(zhì)結(jié)器件結(jié)構(gòu)為實現(xiàn)高效穩(wěn)定的鈣鈦礦發(fā)光二極管開辟了一條新的途徑。

該項研究以“Suppressing Ion Migration Enables Stable Perovskite Light-Emitting Diodes with All-Inorganic Strategy”為題近期發(fā)表于國際期刊Advanced Functional Materials (2020)（影響因子 16.836）。第一作者為課題組2016級博士生張琳；袁方博士、李璟睿特聘研究員和吳朝新教授為共同通訊作者，西安交通大學為第一作者單位和唯一通訊作者單位。該工作得到自然科學基金委項目等的支持。