高性能钙钛矿发光二极管的研究

摘要

近年来，钙钛矿电致发光器件（PeLED）由于其成本低、发光色纯度高、制作工艺简单、可调谐带隙等优点而受到大家的广泛关注。目前其外量子效率已经达到14.3%，和传统的有机发光二极管（OLED）水平相当。虽然如此，但仍然存在很多亟待解决的问题。首先，器件的稳定性没有解决，且器件的亮度和效率也仍待加强。其次，目前大多数钙钛矿发光器件都只发出单一波长的单色光，而白光是复合光，若要实现白光钙钛矿发光器件，需要在发光层实现三基色的全彩发射，所以基于钙钛矿的复合白光器件目前鲜有报道。这些都是制约其商业化的关键因素。为了解决该领域的这些问题，本文以溶液法为前提，制作钙钛矿电致发光器件。首先，通过对钙钛矿发光层晶粒覆盖度以及界面载流子传输的改善，制作出了基于MAPbBr3和CsPbBr3的高效率高亮度的钙钛矿绿光器件。其次，通过简单的一步旋涂工艺制作出了理想的钙钛矿白光器件。其次下面是各章节的主要内容概述:　　第一章:我们首先介绍了PeLED的产生，其次介绍了钙钛矿发光二极管的基本情况，包括钙钛矿材料介绍、器件的工艺技术、最新的研究进展以及未来的发展趋势，最后简单介绍了本论文的主要研究目的及内容。　　第二章:我们采用了新的前驱体溶液制备方法，制作出了高质量的钙钛矿薄膜，其薄膜表面晶粒覆盖率达到100%，在提高覆盖度的同时改善载流子的注入平衡。一方面，我们通过在前驱体溶液中加入甲苯，由于MAPbBr3溶解于DMF而不溶解于甲苯，而甲苯和DMF这两种溶剂可以很好的互溶。所以，当我们在前驱体溶液中加入甲苯这种反溶解性溶剂后，可以减小钙钛矿在DMF中的溶解度，在旋涂时可以加快钙钛矿的结晶速率，提高覆盖度；另一方面，我们在前驱体溶液中加入电子传输材料TPBi和空穴传输材料PVK，通过调节这两种材料之间的比例，可以最优化的平衡电子和空穴的注入，提高器件的性能。其最佳配比的PeLED的启亮电压为~2.8V，最大亮度为~7363cd/m2,最大电流效率为~9.45cd/A。　　第三章:我们基于前期研究工作继续优化，在第三章最优化器件的基础上进一步提高器件的性能。具体来说，是在空穴注入层PEDOT:PSS中引入金纳米粒子（AuNPs），利用AuNPs表面等离子体局域共振效应（LSPR），加快PEDOT:PSS/MAPbBr3界面处激子的发光辐射退激速率，从而减少了该界面处的激子被附近的剩余载流子（空穴）淬灭的数量，使界面处更多的激子被用来发光，从而提高了激子的利用率。实验结果发现,在PEDOT:PSS层中加入AuNPs后,MAPbBr3钙钛矿薄膜的光致发光性能和电致发光性能都得到了明显的提高,分别为原来的~2.4倍和~1.5倍。其中,AuNPs修饰的PeLED的启亮电压为~3.0V,最大亮度为~16050cd/m2，最高电流效率为~7.02cd/A。　　第四章:我们基于CsPbBr3钙钛矿发光二极管，研究了在电子传输层1,3,5-三[（3-吡啶基）-3苯基]苯（TmPyPB）中掺杂一定比例的磷光发光材料双（4,6-苯基-N,C2）吡啶甲酰合铱（FIrpic），由于全无机钙钛矿CsPbBr3的吸收谱和FIrpic的发射谱重叠程度很高且两者之间的能级匹配度良好，两者之间可以建立很好的F?rster能量传递通道，所以可以大幅度的提高CsPbBr3/TmPyPB:FIrpic界面处的激子利用率，从而显著改善器件性能，最优化的掺杂器件的启亮电压为~3.4V，最大亮度为14363cd/m2，最大电流效率为4.9cd/A，与不掺杂FIrpic的标准器件相比，其亮度是原来的~3.5倍，电流效率是原来的~4.8倍。　　第五章:我们基于CH3NH3+（MA+）体系的钙钛矿发光二极管，研究了用溶液法制备的以1,3-二咔唑基苯基（mCP）和有机-无机杂化钙钛矿MAPbBr3混合膜作为发光层，制作出了一种能发射出理想白光的新型钙钛矿电致发光器件。研究发现，将小分子材料mCP以一定的质量比加入到MAPbBr3的前驱体溶液中，不仅可以有效改善膜面的覆盖度，同时器件由于mCP的引入也实现了全光谱发射，其中蓝紫光和绿光部分分别来自mCP和MAPbBr3的本征发射，而红光部分可能来自mCP和MAPbBr3之间激基复合物的发射，最终我们制作的白光PeLED的启亮电压为~3.2V，最大亮度为~170cd/m2，并且当偏压为7V时，PeLED的CIE色坐标为（0.32，0.31），实现了理想的白光。

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