北京理工大学材料学院的常帅助理教授和钟海政教授最近应邀撰写的综述文章 Impedance Spectroscopy: A Versatile Technique to Understand Solution-Processed Optoelectronic Devices,对阻抗频谱学在可溶液加工半导体纳米材料光伏和电致发光器件领域的应用进行了详尽的总结归纳。

Physica Status Solidi (RRL) – Rapid Research Letters:阻抗频谱学在可溶液加工半导体光电子器件中的应用综述进展

新型半导体纳米材料如共轭聚合物,胶体量子点以及钙钛矿材料等,可以很容易地通过溶液加工方式制备成器件,从而极大地降低了制造成本,但是,溶液加工工艺如旋涂,喷涂,印刷等对于界面的调控较为薄弱,容易引入大量的界面缺陷,从而影响器件中的载流子传输性能。阻抗频谱测试是一种研究多层器件的层间载流子传输、累积和复合的重要手段,在薄膜太阳能电池如染料敏化太阳能电池、有机光伏和钙钛矿太阳能电池领域都有较多应用(图1,a)。其在有机发光二极管(OLED)上的电荷注入和复合研究上也有较多进展。相对而言,其在基于全溶液法制备的电致发光器件中的应用研究还不够成熟。

图1. (a)使用阻抗频谱学研究溶液加工半导体多层器件示意图;(b)共轭聚合物,(c)胶体量子点以及(d)钙钛矿材料光电子器件中的主要载流子传输过程。

北京理工大学材料学院的常帅助理教授和钟海政教授最近应邀撰写的综述文章Impedance Spectroscopy: A Versatile Technique to Understand Solution-Processed Optoelectronic Devices,对阻抗频谱学在可溶液加工半导体纳米材料光伏和电致发光器件领域的应用进行了详尽的总结归纳,并发表在Physica Status Solidi-RRL上(Phys. Status Solidi RRL 2019, 1800580)。博士生Shmshad Ali为本文第一作者。

在可溶液加工半导体材料光伏器件中,论文总结了阻抗频谱法用于研究聚合物太阳能电池器件中的载流子界面传输问题;研究核壳结构和配体结构对于量子点材料器件中的载流子输运影响问题以及研究钙钛矿材料器件中的离子迁移问题(图1,b-d)。在可溶液加工半导体材料电致发光器件中,论文讨论了使用阻抗频谱法研究基于钙钛矿和量子点材料的电致发光器件中的载流子输运问题,特别地,由于阻抗频谱技术对于薄膜器件各层的厚度较为敏感,对于活性层厚度较低的量子点电致发光器件而言,其界面电荷传输性能参数较难获得。本综述中作者提出了通过构建对称型器件结构,可以较好的观测器件活性层与传输层之间的电荷积累效应,从而可以用来判断量子点活性层与传输层的层间电荷输运性能(图2)。

图2. 基于对称结构器件的(a)Nyquist谱图和(b)界面电阻、电容随电压变化曲线以及量子点电致发光器件的(c)Nyquist谱图和(d)界面电阻、电容随电压变化曲线。

目前,几乎所有基于溶液加工工艺的半导体光电子器件都面临工作寿命的问题,而对于不同体系的加工材料,其器件失效机制也是各不相同的。对于多层器件而言,直接观测各个界面上的变化往往是十分困难的,因此,阻抗频谱学可以作为一种通用的无损分析手段,对观测器件工作中的界面载流子输运过程和其变化趋势提供帮助。