曾海波Sci. Bull.：钙钛矿LED颜色漂移怎么办？

youyoucao 3年前 (2021-05-26) 2050浏览

混合卤素铅卤钙钛矿由于其带隙和发射颜色的宽可调谐性，在未来电致发光（EL）器件中展现出了广阔的应用前景。到目前为止，钙钛矿发光二极管（PeLEDs）已经取得了重大进展，尤其是红光和绿光EL器件，但是显著的EL漂移现象，即所谓的颜色漂移，仍然是混合卤素PeLEDs不可避免的挑战，严重阻碍钙钛矿在固态照明和高清显示领域的商业化。蓝光作为光电子发光器件的关键成员，蓝光PeLEDs在效率尤其是EL稳定性方面正面临着双重挑战。

南京理工大学曾海波教授等人提出了一种普适性的氢键键合的胺基掺杂策略，稳定了混合卤素蓝光PeLEDs的发射光谱，同时提升了器件效率及工作稳定性。相关成果以“Stabilizing electroluminescence color of blue perovskite LEDs via amine group doping”为题，发表在著名期刊Science Bulletin上。

本文要点：

1. 选取胍（GA）和甲脒（FA）作为胺基（−NH2）掺杂源，胺基能够与钙钛矿晶格上的卤素形成N−H∙∙∙X（X= Cl或Br）相互作用，理论和实验研究表明，该胺基掺杂策略增加了卤素离子的迁移能垒，从而抑制卤素离子的迁移。

2. 胺基阳离子进一步提升了钙钛矿的结晶性能，降低了钙钛矿的缺陷态密度，促进了辐射复合发光。

3. 最终，氢键键合的蓝光PeLEDs展现出稳定的发光颜色（不变的EL峰位）和提高的外量子效率（从1.3%（基准器件）提升至3.02%（GA）和4.14%（FA））。

图1. Br/Cl混合蓝光PeLEDs的颜色漂移现象。基于（a）CsPbBr1.5Cl1.5 QDs，（b）CsPbBr2Cl QDs和（c）CsPbBr1.8Cl1.2多晶薄膜的蓝光器件在不同电压下的EL光谱。（d-f）对应于（a-c）中器件的CIE色坐标，以及器件在部分电压下的发光图像。

图2. N−H∙∙∙X掺杂策略稳定蓝光钙钛矿QDs发光颜色。（a）N−H∙∙∙X掺杂策略抑制CsPbBrxCl3-x QDs离子迁移的示意图。带有−NH2的掺杂阳离子被引入钙钛矿晶格中，在N−H掺杂剂和Pb−X晶格之间形成N−H∙∙∙X氢键，可以抑制卤离子的迁移，从而稳定颜色漂移。（b）含与不含N−H∙∙∙X的钙钛矿QDs和相应掺杂剂在C=N伸缩振动频率区域的FTIR光谱。（c）N−H伸缩振动频率区域的FTIR光谱。（d）钙钛矿样品的XRD图谱。（e-g）含与不含N−H∙∙∙X的钙钛矿薄膜的电压依赖的PL光谱演变。

图3. N−H∙∙∙X掺杂策略抑制离子迁移。含与不含N−H∙∙∙Br的CsPbBr3从位点1到位点2的（a）Br迁移路径示意图，（b）迁移能垒变化和（c）迁移势垒原理图。（d）不含与（e）含N−H∙∙∙X钙钛矿的温度依赖的电导率变化。（f）依赖N−H∙∙∙X相互作用的离子迁移能垒的原理图。

图4. PeLEDs依赖于N−H∙∙∙X策略的EL稳定性机制及性能分析。（a）器件能级示意图。（b）电场下EL稳定性提升的原理图，N−H∙∙∙X掺杂抑制了离子迁移，从而稳定了带隙，最终实现了稳定的EL发射。（c）3 V电压下的归一化EL光谱，插图是相应的CIE色坐标。（d）器件的电流密度-电压-亮度特性。（e）器件的EQE-电流密度特性。

图5. 依赖于N−H∙∙∙X策略的EL和CIE特性。（a）基准，（b）GA键合和（c）FA键合的器件在不同电压下的EL光谱。（d-f）是对应于（a-c）的CIE色坐标，插图显示了EL的颜色演变。

图6. N−H∙∙∙X策略对PeLEDs的EL漂移的影响。（a-c）归一化的EL与电压和波长的等高线图，其中白线为EL峰值，黑色虚线之间的距离为EL FWHM。（d-e）恒定电流下EL光谱随时间的演变。

该研究工作通过引入胺基基团并在混合卤素蓝光钙钛矿中形成氢键来抑制卤素离子的迁移，在提高发光器件效率的同时，极大地抑制了EL器件的颜色漂移（与基准器件随着电压从3 V升高到7 V产生的15 nm红移相比，相同条件下胺基掺杂器件几乎不发生光谱红移）。总之，该工作所提出的策略可以为高性能且光谱稳定蓝光PeLEDs的实现提供一种有效的解决途径，并可拓展应用于其它类型的PeLEDs中。

文章信息：

Fengjuan Zhang, Jizhong Song, Bo Cai, Xi Chen, Changting Wei, Tao Fang, Haibo Zeng. Stabilizing electroluminescence color of blue perovskite LEDs via amine group doping. Science Bulletin, 2021, https://doi.org/10.1016/j.scib.2021.04.033

本文由Science Bulletin期刊编辑投稿。

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