基于乙基溴化胺的天蓝色层状及绿色钙钛矿发光器件研究

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有机金属卤化物钙钛矿由于具有溶液可加工性、发光量子产率高、激子结合能大和带隙可调性等优良特性,在发光领域得到了广泛的研究。目前,钙钛矿发光器件研究主要集中在绿光和红光器件上,蓝光器件作为显示器件不可或缺的组成部分,研究工作还比较少。在蓝色发光器件中,一种是采用Cl-或Br-/Cl-混合阴离子高带隙钙钛矿材料作为发光层,器件的外量子效率较低;另一种则是采用制备低维钙钛矿结构如量子点和量子片,利用量子尺寸效应来提高激子束缚能并使发光光谱蓝移。本论文主要研究合成甲基胺(CH3NH3Br)和乙基胺(C2H5NH3Br)混合阳离子钙钛矿材料来制备发光材料,通过调节甲基胺和乙基胺之间的摩尔比例来制备蓝色发光器件,提高钙钛矿蓝色发光器件的外量子效率,使器件的发光效率和稳定性均得到提高。在此基础上,通过进一步精细调节混合阳离子之间摩尔比例,以提高绿色发光器件的外量子效率和功率效率。同时,为了进一步提高器件效率和器件寿命,本论文利用钝化剂苯基甲胺(PMA)降低器件样品的缺陷密度和抑制水分的进入,研究有无钝化剂(PMA)对发光器件的外量子效率、PL瞬态寿命以及光致发光量子产率的影响。本论文主要研究了基于乙基溴化胺(EAPbBr3)材料的天蓝色层状钙钛矿发光器件及高效率绿色发光器件,主要包括以下几个方面:(1)制备(MABr+EABr)和PbBr2摩尔比例固定为1:1.5,其中MABr和EABr摩尔比例分别是1:1和1:1.3的样品。相较于CH3NH3PbBr3样品,1:1的钙钛矿的样品衍射图与其非常相似,表明Pero有限地掺入了EA阳离子,但1:1钙钛矿样品衍射峰强度降低,半峰宽变宽,这反映1:1的钙钛矿样品的结晶度降低;1:1.3的钙钛矿样品衍射峰相对于C2H5NH3PbBr3的衍射峰向更高的方向移动,这与不同尺寸的MA和EA阳离子有关。1:1的钙钛矿样品晶粒尺寸减小,这可能是由于大基团溴化胺对晶体生长具有阻碍作用,并且这与XRD测量结果相一致。研究结果显示,1:1.3的钙钛矿样品的晶粒尺寸随着EABr摩尔比例增大而增大,这是由于MABr的配位作用,在前驱体溶液中形成了小的胶粒。通过原子力显微镜测量样品,所有样品均表现出相对光滑连续的形貌,样品的均方根粗糙度值随着乙基溴化铵(EABr)的加入先是从9.5纳米降低到7.7纳米,然后随着EABr摩尔含量的进一步增加而增加到12.3纳米。AFM测量结果与扫描电子显微镜测量结果一致。由于乙基溴化铵的有效钝化作用,等摩尔乙基溴化铵的加入使发光强度提高了5倍,有利于提高绿色钙钛矿发光器件的外量子效率(EQE)。值得关注的是,蓝色层状钙钛矿发光器件在100 cd/m2下的最大EQE为2.6%,功率效率为1 lm/w,比以前报道的类似器件有了很大的改进。(2)制备甲基胺和乙基胺混合阳离子钙钛矿材料,进一步研究PbBr2/(MABr+EABr)摩尔比为1:1.2,MABr/EABr摩尔比分别为1:0,5:1,2:1和1:2。与MAPbBr3相比,5:1,2:1和1:2样品(100)衍射峰逐渐向小角度方向移动,反映有效引入较大的EA阳离子至三维钙钛矿晶格导致晶格常数增加,(100)衍射峰峰值减小,1:2样品(100)衍射峰发生劈裂反映加入高浓度EABr导致材料在一定程度上发生相分离。样品的发光波长可以通过改变阳离子摩尔比例进行调节。制备的器件结构为ITO-PSS:PEDOT-Pero-TmPyPB-CsF-AL。采用该结构制备的绿色发光器件2:1的最大外量子效率为6.9%,功率效率为23 lm/W,色度为(0.175,0.768)。(3)在PbBr2/(MABr+EABr)摩尔比例为1:1.2,MABr/EABr摩尔比例2:1的绿色发光器件的基础上进行进一步的优化,研究添加钝化剂PMA的含量对2:1绿色发光样品器件性质的影响,分析器件的薄膜表面形貌(SEM)、晶体结构(XRD)、光致发光(PL)和电致发光(EL)等性质的影响。比较钝化剂PMA比例为0.01%对2:1器件效率以及性能的改善,以及电流、电压和亮度之间的变化。通过SEM可以看出,随着钝化剂PMA含量的增加,pero样品的晶粒尺寸减小。添加钝化剂PMA的pero与2:1的pero样品的XRD衍射图相似。我们比较添加钝化剂PMA和无钝化剂的原器件的电流、亮度、光致发光等测量结果,添加钝化剂PMA比原器件的发光量子产率提高至53.92%,电流变小,器件发光效率显著提高近1.5倍。这可能与器件的缺陷密度降低和抑制水分的进入有关,通过进一步限制电荷移动,从而提高辐射复合效率。制备的器件结构为ITO-PSS:PEDOT-Pero-PMA-TmPyPB-CsF-AL。添加钝化剂PMA的2:1器件发光器件最好约为42.5cd A-1。最大荧光量子产率为52.94%及最大外量子效率为11.36%。
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