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林雪平大学高峰、徐卫东等《自然·通讯》:蒸汽处理1分钟,史上最高效蓝光钙钛矿LED

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  【蓝光钙钛矿LED困境】

  全球照明消耗电力大约占总发电量的20%以上,随着人口的增加与生活方式的改变,人类正处在严峻的能源消耗与沉重的环境压力中。而如果所有光源均由发光二极管(LED)组成,则照明用电消耗则会降低至5%。基于卤化钙钛矿材料的LED设备更加便宜、环保,是照明与LED显示的理想选择。

  钙钛矿是一种由具有立方体或八面体结构的半导体材料。它们具有良好的发光特性并且易于制造。使用卤族元素,如氟,氯,溴和碘等对其改性,可以赋予它不同的化学特性。目前,

  人们已经制造出了高效的绿光和红光钙钛矿LED器件。但是对于蓝光钙钛矿LED器件而言,当前修饰材料中溴化物/氯化物的组成的策略,面临着颜色稳定性差,光致发光淬灭严重等问题。

  【光谱稳定,颜色可调】

  近日,瑞典林雪平大学的高峰、徐卫东团队借助蒸汽辅助结晶(vapour-assisted crystallization, VAC)技术,改善了混合卤化物钙钛矿材料中局部成分的不均匀性和离子迁移,制备了光谱稳定的蓝色LED器件,其发射波长覆盖了490到451 nm。发光颜色可通过改变卤化物的含量调节。这种基于三维钙钛矿的蓝色和深蓝色LED器件展现了高达11.0%和5.5%的外部量子效率(external quantum efficiency, EQE),发射峰分别位于477 nm和467 nm。该研究以“Mixed halide perovskites for spectrally stable and high-efficiency blue light-emitting diodes”为题发表在《Nature Communications》上。

  

  制备蓝光钙钛矿LED器件需要材料中含有大量氯化物,但是会降低稳定性。之前采用的“量子限域技术”制备的蓝色钙钛矿LED,导致低强度LED器件的效率很低。研究人员发展了一种蒸汽辅助结晶技术,对器件薄膜形貌进行了修饰。结果显示,经过处理的薄膜具有不连续的大晶粒网络,且结晶度增强。

  

  图1 器件结构与表征

  通过蒸汽辅助结晶处理,研究人员可以通过简单地改变材料中氯化物含量(30%–57%)来改变器件的发光颜色(天蓝到深蓝,490-451 nm, 图1f)。在5 mA cm -2的恒定电流密度下展现出了优异的光谱稳定性。这主要是因为蒸汽辅助结晶处理导致的更少的离子缺陷、降低的离子迁移与更高的组成均一性的协同效应。

  【普适性的性能提升】

  研究人员借助SEM对蒸汽辅助结晶处理过程中薄膜的晶粒长大和形态演变进行了探究。演变过程主要分为两个阶段。第一阶段发生在蒸汽处理的第一分钟内,晶体最初为小晶粒,并因为奥斯特瓦尔德熟化长成大晶粒,且伴随着从致密膜到不连续网络的形态演变。第二阶段发生在延长的后处理期间,该阶段对形态产生的影响十分轻微。

  

  图2 蒸汽辅助结晶处理中卤化物的再分布

  最后,作者验证了该方法的普适性。他们在钙钛矿中加入少量的铷离子(Rb +)。结果显示,40% Cl含量的器件发射峰在477 nm处,半峰宽(Full width at half maximum,FWHM)为18 nm。相应的CIE坐标为(0.107,0.115),接近国家电视系统委员会(National Television System Committee,NTSC)指定的蓝色原色(0.14,0.08)。与不使用蒸汽辅助结晶处理的器件相比,处理后的器件外部量子效率显著提高,最高可达11.0%。

  

  图3 Cl含量分别为40%和45%时Rb钝化钙钛矿的器件性能

  作者表示,钙钛矿LED是一项年轻的技术,距离商用还有很长的路。目前,蓝色LED的寿命短和性能差是钙钛矿发光二极管的主要障碍。他们将继续致力于钙钛矿LED器件的发展。

  总结:作者借助蒸汽辅助结晶技术,改善了混合卤化物钙钛矿材料中局部成分的不均匀性和离子迁移,制备了光谱稳定的蓝色LED器件。器件发光颜色可通过改变卤化物的含量调节。蒸汽辅助结晶技术是一种普适性的方法,且能够提高LED器件外部量子效率。

  来源:高分子科学前沿

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