类二维钙钛矿光电性能及其器件研究

来源 :天津理工大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:snailswuya
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有机/无机杂化层状类二维钙钛矿材料通过有机分子和无机分子的有序自组装方式形成。其中无机组分通过较强的共价键或离子键的形式形成延伸骨架,然后将有机组分填充到框架之中与无机层形成交替结构。正是由于这种无机层与有机层交替堆叠的结构使此类材料具有多重量子阱结构,从而使其与三维钙钛矿材料相比,具有较大的激子结合能和更突出的光、电、磁等性能。此外,这类材料还有一个比较突出的优点是可以根据器件的性能要求来灵活地调控材料结构,以达到预期的结果。因此,在实际的光电应用方面,这类有机/无机杂化层状类二维钙钛矿材料具有突出的价值。本文选择以碘化铅(PbI2)作为无机组分,通过改变有机层之间的无机层数和有机阳离子来研究此类二维杂化钙钛矿材料的基本结构和光物理特性,并制备了相应的光电器件以研究材料的结构变化对于器件性能的影响。主要的研究内容如下:1、采用溶液冷却法合成了三种不同无机层数的类二维杂化钙钛矿材料:(PEA)2(MA)n-1PbnI3n+1(n=1,2,3)。通过元素分析(EA)对产物的化学成分进行分析,并利用X-射线衍射(XRD)、傅里叶红外光谱(FTIR)和扫描电镜(SEM)等测试方法对产物的微观结构和表面形貌进行了表征。2、将所合成的三种不同无机层数的类二维杂化钙钛矿材料溶于DMF中,通过旋涂的方式制备薄膜,并对其进行了XRD、紫外可见吸收谱(UV-Vis)和表面光电压谱(SPS)的表征和测试。通过分析发现,薄膜的结晶性相对固体粉状材料要强,且随着无机层数的增加其吸收峰逐渐红移、禁带宽度相应地减小,但薄膜的光电导性能则在逐渐提高。我们利用这三种材料制备了相应的光探测器件,其基本结构为:ITO/PEDOT:PSS/Perovskite/PCBM/LiF/Al。根据UV-Vis选择了特定波长的激发光对器件进行了性能测试。其中基于(PEA)2(MA)2Pb3I10的光探测器件性能最优:在0 V偏压及607nm(0.2 mW/cm2)的光照下,其光响应率为1975.0 mA/W,光探测率为3.11×1015cmHz1/2/W,开光比为3.1×105,光响应的上升和下降时间分别为5 ms/4 ms。3、将有机阳离子更换为FA+,通过一步旋涂法制备不同无机层数的类二维杂化钙钛矿(PEA)2(FA)n-1Pbn I3n+1(n=2,3,5)薄膜,并采用XRD、SEM、原子力显微镜(AFM)、UV-Vis、光致发光谱(PL)和紫外光电子能谱(UPS)等方法进行结构、薄膜形貌和光物理特性分析,发现随无机层数的增加,钙钛矿薄膜的光致发光峰逐渐红移、禁带宽度也在相应地减小。基于这三种薄膜材料,我们制备出了深红光的电致发光器件,其结构为;ITO/PEDOT:PSS/Perovskite/Bphen/LiF/Al,三个器件的电致发光(EL)峰位分别为:720nm(n=2)、745 nm(n=3)和764 nm(n=5)。最优化器件(n=2)的发光性能为:启亮电压4.2 V,最大亮度230 cd/m2,最大电流效率0.44 cd/A,CIE:(0.691,0.291)。此外,我们还根据最优化器件结构在柔性衬底上成功制备出电致发光器件,并分析了其发光机理。
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