有机无机杂化钙钛矿成膜优化、晶界钝化及其在发光二极管中应用的研究

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有机无机杂化钙钛矿具有颜色纯度高(半峰宽~20nm)、发光带隙可调、制备简单、成本低廉等优势,未来有望被应用于光电转化领域,包括照明、显示以及能量转化等。近几年,钙钛矿器件发展势头迅猛,无论是太阳能电池还是发光二极管,其效率都已经接近商业化应用的标准。但是在应用过程中,钙钛矿材料依然存在不少问题,如成膜不平整导致器件漏电流偏高、材料稳定性差导致器件使用寿命短等。为解决这些问题,本论文选取了有机无机杂化钙钛矿MAPbBr3作为研究对象,在前驱体溶液中掺入石墨烯量子点,旨在改善薄膜成膜性、钝化薄膜晶界、优化薄膜发光性能。本论文主要分为以下三个部分:有机无机杂化钙钛矿成膜优化、钙钛矿薄膜晶界钝化及其在发光二极管(LED)中的应用。该论文运用了多种表征设备,包括荧光光谱仪(PL)、紫外分光光度计(UV-VIS)、X射线衍射仪(XRD)、原子力显微镜(AFM)和发光器件测试系统等测试设备来表征薄膜的形貌、成分、晶相、光学性能以及器件的电学性能。具体内容如下:(1)钙钛矿成膜优化。溶液法旋涂制备的钙钛矿发光层存在成膜不致密、覆盖率低、缺陷多的现象,这些会导致电致发光器件的电子层和空穴层直接接触,最终会引发器件漏电流高、效率低等问题。因此,调整钙钛矿晶粒的尺寸、提高薄膜覆盖率,从而促进成膜是优化钙钛矿光电器件性能的第一步。在本论文中,选用了甲苯作为反溶剂,DMSO作为前驱体溶剂,并调整了前驱物浓度。其中,反溶剂可以优化成膜提高覆盖率,而前驱物浓度会影响发光层的晶粒大小以及成膜厚度。具体地,通过在0.65~2.6 mmol/ml的范围内调整Pb离子的浓度,并结合反溶剂的使用,利用光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)等仪器筛选出最佳浓度(0.65mmol/ml)以及最佳的甲苯滴加条件。(2)利用石墨烯量子点钝化发光薄膜晶界处的缺陷,提升光学性能。钙钛矿晶粒尺寸缩小会导致薄膜中晶界面积的增加并出现大量缺陷。这些缺陷会形成非辐射复合中心,降低钙钛矿薄膜的辐射复合效率。通过引入石墨烯量子点,在钙钛矿结晶的过程中,石墨烯量子点被生长中的晶粒推至晶界处,通过石墨烯量子点表面丰富的含氧官能团,有效地钝化晶界处的缺陷。另一方面,石墨烯量子点增加了成核位点,增加了晶粒数量,从而降低了晶粒的平均尺寸。同时,通过原子力显微镜的验证,加入石墨烯量子点可以使钙钛矿薄膜的成膜性提高,粗糙度降低。并且经过优化后,石墨烯量子点修饰的最优浓度为4mg/ml。通过测试光致发光光谱(PL)以及时间分辨光致发光光谱(TRPL),验证了加入石墨烯量子点不仅可以增强钙钛矿薄膜的荧光强度和荧光寿命,还提高了存储稳定性和热稳定性。(3)MAPbBr3有机无机杂化钙钛矿薄膜在发光二极管中的应用。为实现钙钛矿材料及其相关应用的高效发光,要同时优化其中的发光材料和器件的各层能级,包括正负极、空穴传输层(HTL)、电子传输层(ETL)等。各层能级之间所引发的势垒差会直接影响载流子的有效传输。本论文中,选取了聚3,4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)作为空穴传输层,1,3,5-三(1-苯基-1H-苯并咪唑-2-基)苯(TPBi)作为电子传输层,正极和负极分别为氧化铟锡(ITO)和铝。在实验中,通过调控旋涂PEDOT:PSS的转速和钙钛矿前驱体的浓度,优化了薄膜的覆盖率和粗糙度,提高了电流效率。
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