Advanced Science:“喝水瘦身”,成就高效率钙钛矿LED

钙钛矿材料(Perovskite)因其优异的光电性质,如可溶液法制备、载流子迁移距离远、带隙连续可调、发光半峰宽窄等,而受到了科研工作者的广泛关注,并被用于制备太阳能电池、发光二极管(LED)、光电探测器等。近年来,钙钛矿发光二极管(Pero-LEDs)效率飞速发展,绿光、红光以及近红外光器件外量子效率(EQE)均已超过20%。但是,在制备高效率Pero-LEDs器件方面,目前仍缺少一种普适的器件结构。

近来,华侨大学魏展画教授课题组和南方科技大学王恺教授、吴丹教授课题组提出,在器件结构设计时,电子和空穴的注入平衡对器件效率有着非常重要的影响。而目前最常用的空穴传输层Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS)由于厚度过高(40-50 nm),不仅导致了空穴注入与电子注入匹配失配,并且使得出光效率大大降低,限制了器件效率的提升。为解决这一问题,该组采用了“水剥离”法,使空穴传输层“喝水瘦身”,得到了超薄空穴传输层(ultra-thin PEDOT:PSS, ~7 nm),使得器件效率大大提高。

本文要点:

  1. 用简单的“水剥离”法制备了均匀、致密的ultra-thin PEDOT:PSS(~7 nm)作为空穴传输层,提高了空穴注入能力,使得电子和空穴注入更加匹配,器件效率得到提高。如图1所示,普通厚度的PEDOT:PSS虽然可以有效遏制非辐射复合,但是也导致了大量光子的损失,使得出光效率大大降低;如果选择去掉空穴传输层,就会出现严重的非辐射复合;制备ultra-thin PEDOT:PSS,可同时减少电子和光子的损失,抑制非辐射复合的同时,提高出光效率,使得器件效率得到提高。
  2. 使用光学模拟,证明随着PEDOT:PSS厚度的减薄,器件出光效率大大提高。
  3. 制备绿色光(525 nm,515 nm)、青色光(500 nm)以及蓝色光(472 nm)器件,证明ultra-thin PEDOT:PSS对制备高效率Pero-LEDs具有普适性。统计结果显示,基于ultra-thin PEDOT:PSS的不同颜色发光器件亮度及EQE均有约两倍的提升,并且发光为525、515、500 nm的器件最高EQE分别达到17.6%、15.0%、6.8%。

图1. 在钙钛矿与不同基底界面间电荷传输、复合以及出光示意图。

相关工作在线发表在Advanced Science上(DOI:10.1002/advs.202000689)。