基于添加剂和少铅的红光钙钛矿电致发光器件的研究

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有机-无机杂化钙钛矿因具有双载流子传输、高缺陷容忍度、结构易修饰和制备工艺简单等优势在近几年内发展迅猛,利用钙钛矿材料作为发光层制备的发光二极管(LightEmitting Diodes,LEDs)也在近五年内连续取得了突破性的进展。钙钛矿LED在红光和绿光方面均取得了超过20%的外量子效率(External Quantum Efficiency,EQE),蓝光钙钛矿LED的EQE也已经达到了12%。但将其作为商业化的显示屏幕,还有很大的空间需要提升。基于此,本论文分别从两方面着重研究了红光钙钛矿LED的发光性能:添加剂钝化钙钛矿晶粒来改善钙钛矿光电性能;利用锌部分取代铅来降低有毒重金属铅的含量。具体如下:(1)为了提高红光钙钛矿LED的发光效率,调控钙钛矿的薄膜形貌和晶粒尺寸尤为重要。本论文首次选择乙胺碘(Ethylamine Iodic,EAI)作为有机添加剂,将其掺入三维钙钛矿前驱体溶液中。有机添加剂EAI可以有效抑制钙钛矿大晶粒生长,同时降低缺陷态密度,利用简单的溶液加工技术和分子尺度自组装工艺制备了光致发光量子效率(Photoluminescence Quantum Yield,PLQY)达到28%的高质量钙钛矿薄膜。基于此,我们得到了启亮电压为2.7 V、发光峰为680 nm、CIE(Commission Internationale de l′Eclairage)坐标为(0.71,0.28)、EQE为7%的深红光钙钛矿LED。添加剂工程可以促使钙钛矿生长致密且减小晶粒尺寸,提高量子限域效应,有助于高效钙钛矿LED的制备。(2)为了将钙钛矿材料向环境友好型发展,当务之急是降低内部固有的有毒元素铅的含量同时保持钙钛矿自身的光电性能。为了能让元素化合价相匹配,地球上含量颇丰且无毒无害的锌元素被作为降低铅毒性的替代品。经过系统地测试表征,我们发现晶体结构中原子半径更小的锌元素部分取代铅元素会使钙钛矿晶粒收缩,但是并不影响钙钛矿内部的结构。此外,利用锌元素部分替代铅元素的钙钛矿薄膜的PLQY达到了45.2%,最终得到了EQE为9.5%的纯红光钙钛矿LED,这也是目前报道的准二维少铅红光钙钛矿LED中的最高性能。因此,同价元素锌的部分取代兼顾了钙钛矿的结构和光电性能,为低毒/无毒高效钙钛矿LED的发展提供一定的指导。
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