叶志镇院士团队《Nature Photonics》:开关可控界面反应——带来钙钛矿发光材料开发新机遇

发布者:史杨审核:史杨终审:王勇发布时间:2024-01-11浏览次数:10

    近日,Nature Photonics杂志在线发表了云顶yd222线路检测钙钛矿发光研究团队最新成果,研究人员提出了一种开关可控的氧化锌/钙钛矿界面反应的材料设计思路,充分利用氧化锌/钙钛矿的界面反应,制备出高质量CsPbI3钙钛矿薄膜,同时避免了持续界面反应带来的稳定性难题,实现了目前最高亮度、最稳定的溶液法深红光LED器件。论文通讯作者为云顶yd222线路检测叶志镇院士,金一政教授,刘杨博士;论文第一作者为我院博士生曾杰俊、孙晓悦。

    钙钛矿与钙钛矿LEDPeLED

    金属卤化物钙钛矿材料以其高缺陷容忍度、波长可调性、高外量子效率等优点成为新一代显示技术核心材料。PeLED的效率近年来取得迅猛发展,但器件稳定性仍然远远不足。开发高性能的PeLED原型器件是PeLED走向实际应用的关键一步。量子点LED使用ZnO传输层的成功经验为开发PeLED原型器件提供参考,但也存在尚未解决的问题。 

    氧化锌/钙钛矿界面反应:双刃剑

钙钛矿与ZnO的界面反应在钙钛矿太阳能电池中已有研究:碱性的ZnO层会与钙钛矿中的有机阳离子发生酸碱反应,严重影响器件的长期工作稳定性。虽然存在不可避免的负面效应,但也有有利的一面。钙钛矿结晶过程中,ZnO与前驱体/中间产物中的有机铵离子发生反应,从而改变钙钛矿薄膜的结晶动力学,有助于高质量钙钛矿薄膜的生成。

基于以上认识,研究团队设想去设计一个氧化锌/钙钛矿界面,使得界面反应在结晶阶段开启,促使高质量钙钛矿的生成;在钙钛矿结晶阶段结束后,界面反应关闭,从而避免持续的反应影响钙钛矿的长期工作稳定性,从而制备出明亮、高效、长寿命的可见光PeLED


    开关可控界面反应

氧化锌薄膜由氧化锌的氨水络合物溶液旋涂沉积而来。氧化锌氨水络合物在60 ℃下退火时脱去络合的氨,形成Zn(OH)2薄膜。在150 ℃退火后,Zn(OH)2脱水形成a-ZnO,这一过程伴随着碱性的减弱,构成了开关可控界面反应的基础。

研究人员发现,Zn(OH)2衬底与GuaI-CsPbI3钙钛矿前驱体中的Gua+离子之间的去质子反应对γ-CsPbI3的生成至关重要。将GuaI-CsPbI3前驱体旋涂在Zn(OH)2衬底上并进行退火。在后续退火过程中,钙钛矿前体与衬底反应,生成高质量γ-CsPbI3。值得注意的是,在退火的同时,Zn(OH)2除了与Gua+离子之间发生去质子反应,自身也逐渐转变为碱性较弱的ZnO,无法再继续夺取Gua+离子的质子,界面去质子反应因而被关闭。界面去质子反应的关闭带来了极佳的材料稳定性。这为后续制备PeLED器件提供基础。

PeLED器件表现

基于上述基础,研究人员设计了SnO2/ZnO双层电子传输层的新型器件结构,成功实现了高性能的PeLED型器件。该LED器件的最大亮度达到8030 cd m-2,创造了CsPbI3LED的亮度记录;在100 mA cm-2恒流条件下半衰寿命达到33.6小时,也创造了目前CsPbI3LED器件的寿命记录。

    通过将部分I替换成Br,研究人员也将该反应的策略拓展至混合卤素CsPb(I/Br)3体系,成功实现了覆盖整个深红光波段的PeLED,最长器件寿命达到了50.3 h (100 mA cm-2恒流条件下),创造了溶液工艺深红光LED的最高亮度和稳定性记录。

总结

该工作提出的“开关可控”反应思路充分利用了氧化锌/钙钛矿界面去质子反应的优势,生成了高质量的GuaI-CsPbI3钙钛矿,同时避免了持续界面反应带来的稳定性难题,大幅提升了钙钛矿材料与器件稳定性。这一策略也为新的钙钛矿光电材料与器件设计打开了新思路。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41566-023-01369-9