Adv. Mater. 顯著提高雜化鈣鈦礦發光二極管性能的電極夾層及界面處理

18734575340 7年前 (2016-08-19) 5131瀏覽

【成果簡介】

自從Chondroudis和Mitzi首次報道有機-無機雜化鈣鈦礦發光二極管在室溫下的電致發光以來，Cho等人通過納米釘扎法將鈣鈦礦發光二極管的電流效率提升至42.9cd A-1。致密堆積的CH3NH3PbBr3薄膜的制備是發光二極管器件性能優異的重要參數，然而，許多在制備雜化鈣鈦礦電池時能有效改善多晶鈣鈦礦薄膜表面形貌的方法對發光二極管器件的CH3NH3PbBr3 薄膜的制備并不適用。近來有報道稱將CH3NH3PbI3晶體或多晶薄膜在室溫下即時暴露在甲胺（MA)氣氛中可以在基底上形成液態CH3NH3PbI3?xMA層。

臺灣國立成功大學的Tzung-Fang Guo（通訊作者）等研究人員用更適合做電極夾層的NiOx層取代了常用的PEDOT:PSS空穴傳輸層，并采用一種條件溫和的氣-固反應成功地對CH3NH3PbBr3薄膜進行了處理，顯著提高了鈣鈦礦薄膜的質量、結晶度和光致發光性能。該項研究報道的基于CH3NH3PbBr3的高效雜化發光二極管亮度超過70000cd m?2，發光效率大于15cd A-1，為高效鈣鈦礦發光二極管的設計及性能提升提供了一種簡單易行的方法。

【圖文導讀】

圖1： CH3NH3PbBr3多晶薄膜界面處理的原理示意圖

Step1表示CH3NH3PbBr3多晶薄膜的制備過程：Step2表示為MA-CH3NH3PbBr3氣-固反應提供MA的裝置。

圖2：MA處理時間不同的glass/ITO/NiOx/CH3NH3PbBr3樣品的掃描電子顯微鏡圖（SEM）

（a）MA處理180s后的CH3NH3PbBr3薄膜的SEM圖，此時可觀察到在基底上形成了許多長方體形的大晶粒。

（b）沒有經過MA處理的CH3NH3PbBr3薄膜的SEM圖，即MA處理0s后的CH3NH3PbBr3薄膜的SEM圖。

（c）MA處理20s后的CH3NH3PbBr3薄膜的SEM圖，此時CH3NH3PbBr3多晶薄膜表面的晶界清晰可見。

（d-f）分別為MA處理60s、80s、100s后的CH3NH3PbBr3薄膜的SEM圖，這三幅圖片表明MA處理60s、80s、100s后基底上的薄膜呈致密堆積，且表面形貌相似。和（c）相比，（d-f）中的晶界界面不甚清晰，由此可推斷氣-固反應導致CH3NH3PbBr3晶體沿晶界再生長。

圖3：MA處理時間不同的CH3NH3PbBr3薄膜的X-射線衍射圖（XRD）

圖3所示為MA處理時間不同的CH3NH3PbBr3薄膜的X-射線衍射圖（XRD），由圖可知，沒有經過MA處理的CH3NH3PbBr3薄膜的XRD圖出現(100)，(110)，(200)，(210)，(211)，(220)和(300)晶面的衍射峰，隨著MA處理時間增加，(100) 和 (200)晶面的衍射峰強度增加。而(110)， (210)， (211)和(220)晶面的衍射峰對(100)和(200)晶面的相對衍射強度卻隨MA處理時間的增加而降低。以上結果證明經過MA處理，CH3NH3PbBr3晶體的再生長傾向于沿(100)和(200)晶面進行。此外，(100)晶面的衍射峰的半峰寬不隨MA處理時間的增加而變化，表明CH3NH3PbBr3晶體的平均粒度不隨MA處理時間的增加發生變化。

圖4：器件結構表征

（a）組成為glass/ITO/NiOx/CH3NH3PbBr3/TPBI/LiF/Al的器件結構示意圖。（b）各夾層的能級圖。

圖5：器件性能表征

圖5（a）所示為電流密度-亮度-電壓曲線（J–L–V曲線），由圖可知，雜化發光二級管的器件性能隨MA處理時間的增加而提升。用MA處理80s后的CH3NH3PbBr3薄膜制備的器件啟亮電壓低于4V，EL強度在9V時大于70 000 cd m?2，LE在8.5V時達到最大，為15.9cd A?1。當MA處理時間增加至100s后，EL強度和LE都有所下降。因此，雜化發光二極管的最優MA處理時間為80s。

圖6：CH3NH3PbBr3薄膜的光致發光光譜（PL）

圖6中glass/ITO/PEDOT:PSS基底上的CH3NH3PbBr3薄膜的PL強度非常低，顯然PEDOT:PSS并適用于做CH3NH3PbBr3為基礎的發光二級管的空穴傳輸材料。而與glass/ITO/PEDOT:PSS基底上的CH3NH3PbBr3薄膜的PL強度相比，glass/ITO/NiOx基底上的CH3NH3PbBr3薄膜的PL強度相對較高；而且隨MA處理時間從0s增加至80s，glass/ITO/NiOx基底上的CH3NH3PbBr3薄膜的PL強度持續增強。當MA處理時間增加至100s后，glass/ITO/NiOx基底上的CH3NH3PbBr3薄膜的PL強度降低。