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J. Phys. Chem. Lett.┃B位掺杂实现高效纯蓝色无机钙钛矿发光二极管

英文原题:Efficient and Bright Pure-Blue All-Inorganic Perovskite Light-Emitting Diodes from an Ecofriendly Alloy

通讯作者:邹亚涛,宋涛,孙宝全 苏州大学

作者:Lei Cai, Dong Liang, Xuechun Wang, Jiaqing Zang, Guilin Bai, Zhiwei Hong, Yatao Zou, Tao Song, Baoquan Sun


金属卤化钙钛矿具有发光波长连读可调、色域广、荧光效率高等优点,被认为是显示和照明领域中很有前途的发光材料。在过去的几年里,通过对钙钛矿薄膜的组分和器件结构的不断优化,绿色、红色和近红外钙钛矿发光二极管 (PeLEDs) 的外部量子效率 (EQEs) 都已经超过了20%。然而,蓝光发光二极管的性能仍然远远落后,限制了PeLED在显示和照明领域的进一步应用。目前实现蓝光PeLEDs的策略都存在各自问题,例如混合卤素中的相分离、准二维体系中范德瓦尔斯熟化、量子点体系中的有机配体不稳定等。同时,钙钛矿中的Pb2+对环境和人体都有一定潜在的危害。因此,通过B位掺杂在提高辐射复合效率的同时构筑环境友好的蓝色钙钛矿薄膜是非常有意义的工作。


本文亮点


PeLED因其材料来源广泛,荧光量子产率高、可溶液加工等特性而备受关注。近几年,绿光和红光器件效率已经突破了20%,但蓝光器件的效率还远滞后,因此发展高效的蓝光PeLED极具意义。该工作主要创新点为:

(1)通过用Sr2+部分替换Pb2+实现了对钙钛矿材料能级的调控,获得了光谱为467 nm的纯蓝光钙钛矿薄膜。

(2)针对三维钙钛矿存在的低辐射复合效率的问题,通过采用LiBr和RbBr钝化的策略,实现了60.7%的荧光量子产率 (PLQY)。


该工作首先通过调控B位Sr2+的含量来调控薄膜的荧光光谱,针对纯无机体系激子结合能过小和存在大量缺陷的问题,通过添加碱金属卤化物钝化内部缺陷,实现高效的PLQY。

图1. Sr2+ 掺杂钙钛矿的晶体结构、光学性能和电子结构


前驱体溶液中以Pb2+/Sr2+的摩尔比为6:4时,可以获得荧光发光峰为467 nm的纯蓝光钙钛矿薄膜。通过密度泛函理论 (DFT) 研究发现,Sr2+取代后钙钛矿仍然保持着直接带隙的特性。同时计算发现,Sr2+取代后,由于电子-空穴对的有效质量增加,导致价带和导带变得平缓,这可能会导致更大的激子结合能。由于Sr2+取代并未改变铅卤键的键长,因此引起钙钛矿带隙变大的原因并非改变了铅卤之间的耦合,而是不同比例的Sr2+取代改变了导带的位置。Sr2+取代调控光谱的策略同样可应用于其他体系的钙钛矿,在CsPbI3和CPb(BrxI1-x)3体系中,加入SrI2后的薄膜的荧光光谱同样出现了明显的蓝移。

图2. 薄膜的缺陷态密度和荧光光谱稳定性表征


通过添加碱金属卤化物进行进一步钝化,薄膜的PLQY可以达到60.7%,时间分辨光谱 (TRPL) 和空间电荷限制电流 (SCLC) 表征结果证实了荧光增强的原因是缺陷态的钝化。薄膜的荧光光谱在80 ℃下经过20小时退火处理后未发生变化,显示薄膜具有较好的热稳定性。得益于发光层的高效PLQY和显著提高的热稳定性,实现了EQE为1.43%和最高亮度为510 cd m-2的纯蓝光PeLEDs。该工作提供了实现低毒性高效蓝光PeLED的新思路。


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Efficient and Bright Pure-Blue All-Inorganic Perovskite Light-Emitting Diodes from an Ecofriendly Alloy

Lei Cai, Dong Liang, Xuechun Wang, Jiaqing Zang, Guilin Bai, Zhiwei Hong, Yatao Zou*, Tao Song*, and Baoquan Sun*

J. Phys. Chem. Lett., 202112, 1747–1753, DOI: 10.1021/acs.jpclett.0c03633

Publication Date: February 11, 2021

Copyright © 2021 American Chemical Society


(本稿件来自ACS Publications


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