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中科院游經(jīng)碧張興旺:純紅光鈣鈦礦發(fā)光二極體達到24.2%效率

發(fā)表時間:2024/5/15 16:49:49


-本研究相關(guān)參數(shù)圖表,整理至文末處-

本研究使用設(shè)備
光焱科技

·         LQ-50X-高速/高靈敏電致發(fā)光效率測試系統(tǒng)

研究背景

近年來,鈣鈦礦材料因其優(yōu)異的光電性能在太陽能電池、發(fā)光二極管、光電探測器等領(lǐng)域備受矚目。PeLED 作為新型顯示技術(shù),憑借其色純度高、發(fā)射波長可調(diào)、制備成本低等優(yōu)勢,被認為是下一代顯示技術(shù)的理想選擇。要實現(xiàn)全彩顯示,需要紅、綠、藍三基色 PeLED 的協(xié)同發(fā)展。其中,純紅光 (630-640 nm) 發(fā)射對于滿足 Rec. 2020 超高清電視標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要。

目前,實現(xiàn)純紅光 PeLED 的主要策略包括混合鹵素鈣鈦礦和低維純碘基鈣鈦礦。然而,混合鹵素鈣鈦礦存在光譜不穩(wěn)定問題,而低維鈣鈦礦的器件性能仍落后于預(yù)期。制約 PeLED 性能提升的一大瓶頸是鈣鈦礦材料中普遍存在的鹵素空位缺陷。這些缺陷會導(dǎo)致非輻射復(fù)合,嚴重影響器件的效率和穩(wěn)定性。

研究方法

1.      超小分子鈍化劑:尺寸效應(yīng)助力強鈍化
為了解決鹵素空位缺陷問題,研究人員開發(fā)了各種鈍化策略。傳統(tǒng)的鈍化劑通常是大尺寸分子,但由于空間位阻較大,難以有效接近缺陷位點,鈍化效果有限。游經(jīng)碧和張興旺團隊另辟蹊徑,提出了利用超小尺寸分子進行鈍化的策略。

該研究利用 DFT 計算預(yù)測,超小尺寸的甲酸根 (Fa) 和乙酸根 (Ac) 離子與鈣鈦礦的結(jié)合更強,因此具有更有效的鈍化能力。計算結(jié)果顯示,Fa Ac 與鉛原子在碘空位處的結(jié)合能分別為 -0.495 eV -0.345 eV,明顯高于其他大尺寸鈍化劑,例如苯甲酸 (-0.292 eV) 和棕櫚油酰二乙醇酰胺 (-0.075 eV)。結(jié)合能越高,代表鈍化劑與缺陷位點的結(jié)合越強,鈍化效果越好。

此外,Bader 電荷分析表明,Fa Ac 分別向鈣鈦礦表面轉(zhuǎn)移了 0.526 0.295 個電子,這種電荷轉(zhuǎn)移促進了鈍化劑在缺陷位點的吸附,進一步增強了鈍化效果。FTIR 測量結(jié)果也證實,Ac- Fa- 中的 C=O 基團可以與 Pb2+ 位點形成強相互作用。

2.      埋底界面和體相鈍化:雙重策略抑制非輻射復(fù)合
研究人員將 CsFa CsAc 引入到 PeLED 的埋底界面,發(fā)現(xiàn)這些超小尺寸分子可以擴散到鈣鈦礦層中,從而實現(xiàn)埋底界面和體相的雙重鈍化。

原子力顯微鏡 (AFM) 圖像顯示,添加 CsFa CsAc 后,空穴傳輸層的表面粗糙度顯著降低,變得更加平整致密,有利于鈣鈦礦薄膜的生長。SEM 圖像也顯示,CsFa CsAc 的添加可以促進鈣鈦礦薄膜形成更大、更均勻的晶粒,從而減少晶界處的缺陷密度。

X 射線光電子能譜 (XPS) 測量表明,CsFa 處理后的鈣鈦礦薄膜中 Pb-I 鍵更短更強,晶格結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。這表明 CsFa 不僅鈍化了缺陷,還改善了鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶質(zhì)量。



研究結(jié)果與討論_性能提升:效率和穩(wěn)定性雙雙突破
基于 CsFa 鈍化的 PeLED 639 nm 處實現(xiàn)了 24.2% 的峰值 EQE,最大亮度達到 800 cd/m2,CIE 色坐標(biāo)為 (0.701, 0.299),非常接近 Rec. 2020 標(biāo)準(zhǔn)的理想紅色色坐標(biāo) (0.708, 0.292)。相比之下,未經(jīng)鈍化的器件峰值 EQE 僅為 17.0%,最大亮度為 750 cd/m2。這些關(guān)鍵性能參數(shù)的測量均借助光焱科技 LQ-50X PeLED 量子效率測試系統(tǒng)完成,該系統(tǒng)能夠提供精確的電流-電壓-亮度 (J-V-L) 特性、光譜、色度和量子效率等數(shù)據(jù),為器件性能評估提供了可靠依據(jù)。

瞬態(tài)光致發(fā)光 (TRPL) PLQY 測試結(jié)果表明,CsFa 鈍化有效地抑制了非輻射復(fù)合,延長了載流子壽命,從而提高了器件效率。熱導(dǎo)納譜 (TAS) 測量進一步證實,CsFa 處理后的鈣鈦礦薄膜具有低缺陷態(tài)密度。

CsFa 鈍化還顯著提高了器件的穩(wěn)定性。在 100 cd/m2 的初始亮度下,CsFa 處理后的 PeLED 的工作壽命 (T50) 是未處理器件的 6 倍多。這得益于 CsFa 鈍化降低了缺陷密度,抑制了缺陷相關(guān)的降解,并改善了空穴傳輸層與鈣鈦礦層之間的界面接觸,減少了熱效應(yīng)。光焱科技 LQ-50X PeLED 量子效率測試系統(tǒng)具備的長時間穩(wěn)定性測試功能為評估器件壽命提供了便利,其內(nèi)置的恒流/恒壓驅(qū)動模式和光強控制功能可以模擬各種實際工作條件,為深入了解器件的長期穩(wěn)定性提供了有力工具。

結(jié)論與展望

這項研究表明,超小尺寸分子鈍化劑能夠有效鈍化鈣鈦礦中的鹵素空位缺陷,提高 PeLED 的效率和穩(wěn)定性。CsFa 鈍化策略為制備高性能 PeLED 提供了新思路,并為鈣鈦礦光電器件的進一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

未來,可以通過進一步優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)、開發(fā)新型鈍化劑等手段,進一步提升 PeLED 的性能,推動其在顯示領(lǐng)域的應(yīng)用。光焱科技 LQ-50X PeLED 量子效率測試系統(tǒng)憑借其高精度、寬動態(tài)范圍和多功能性,將繼續(xù)在 PeLED 研究中發(fā)揮重要作用,助力科研人員深入理解器件物理機制,開發(fā)更高效、更穩(wěn)定的 PeLED 器件。
 
本文參數(shù)圖:

原文出處: SCIENCE ADVANCES 3 May 2024 Vol 10, Issue 18 DOI: 10.1126/sciadv.adn5683



推薦設(shè)備_ LQ-50X_ 高速/高靈敏電致發(fā)光效率測試系統(tǒng)

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具有以下特色優(yōu)勢:

l   采用單光子偵測技術(shù),克服傳統(tǒng)光譜儀在低亮度需要長曝光時間 (1~3) 的特征,加快測試速度,以確保測試的準(zhǔn)確性與高效率。

l   采用 NIR 增強光學(xué)設(shè)計與組件,使其涵蓋波長可達到 1100 nm,更可擴展到 1700 nm。

l   設(shè)計簡便,并且可與手套箱直接整合,同時對于各種樣品形式都可以做很好的適配。

LQ-50X 可快速測試每個電壓下的發(fā)光光譜,并可取得輻照度、輝度、CIE坐標(biāo)等多項參數(shù)值,實測無機 LED 測試量測不重復(fù)性小于 0.2 %。



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