Nature Communications：准二维钙钛矿LED效率>20%

民咕咕

2021-02-24

近年来，基于三维（3D）钙钛矿薄膜的钙钛矿发光二极管（PeLEDs）取得了巨大的进展，但它们的整体电致发光（EL）性能仍然落后于最先进的有机LED和无机量子点LED。其固有的小激子结合能和较长的扩散长度导致电子-空穴捕获速率较慢，使得3D钙钛矿中辐射复合效率低，本质上不利于高发光效率。

而准二维钙钛矿（R₂A_n-1M_nX_3n+1）提供了更大的激子结合能和更低的离子迁移速率，使它们成为更有前途的发光材料。然而，在能量转移过程中存在严重的非辐射复合，限制了其电致发光性能。首先，具有不同程度的量子限域效应和介电限域效应的低维相的随机堆叠，导致其能量域分布不均匀。尤其小n相（n ≤ 3）由于形成能较低而极易生成，过多的小n相导致向大n相的能量转移效率低下。此外，晶格缺陷和量子限域效应导致的带隙展宽引起的缺陷态在能量转移过程中捕获载流子，降低薄膜的发光效率。提高能量转移效率是最大化发挥准二维钙钛矿电致发光潜力的关键。

有鉴于此，上海大学杨绪勇教授和香港城市大学Andrey L. Rogach教授团队利用甲磺酸盐（MeS）添加剂，通过重构结构和减少缺陷态来平滑能量转移路径。MeS和钙钛矿中的长链有机氨基离子BA之间强的氢键作用有效地调控钙钛矿薄膜的结晶动力学，导致具有窄带隙量子阱的大n相比例增加。同时，MeS与钙钛矿表面未配位的Pb²⁺形成路易斯酸碱加合物，降低Pb²⁺缺陷态密度。因此，有效地提高了准二维钙钛矿薄膜的能量转移效率，并构筑了器件外部量子效率大于20%的准二维PeLED。

2021年02月23日，相关成果以题为“Smoothing the energy transfer pathway in quasi-2D perovskite films using methanesulfonate leads to highly efficient light-emitting devices”的文章在线发表在Nature Communications上。

图1. 准二维钙钛矿薄膜的制备流程示意图以及MeS对薄膜相分布的影响，其中黄色箭头表示能量转移路径

图2. BABr和BAMeS的差分电荷密度图（等值面数值为0.0015 eV Å^-3，青色代表电荷积累;黄色代表电荷耗尽）

图3. （a, b）在选定的时间尺度上的TA光谱；（c, d）原始薄膜（a, c）和8%-MeS处理的钙钛矿薄膜（b, d）的不同探测波长的TA动力学轨迹（激发波长365 nm）；365 nm波长激发的玻璃衬底的原始薄膜（发射波长：512 nm）和8%-MeS处理的钙钛矿薄膜（发射波长：514 nm）的（e）稳态PL光谱和（f）TRPL谱

图4.（a）粉末CsMeS和CsMeS•PbBr₂的FTIR光谱;原始薄膜和8%-MeS处理的薄膜的XPS表征(b)S 2p谱图，(c)Pb 4f谱图，(d)Br 3d谱图

图5. 准二维钙钛矿薄膜LED的器件性能表征：（a）器件的SEM截面图；（b）器件的能级结构示意图；（c）归一化的8%-MeS处理的钙钛矿薄膜的PL光谱和施加电压为5.5 V时LED的EL光谱；（d）钙钛矿薄膜LED的电流密度-驱动电压-亮度（J-V-L）曲线图；（d）电流效率-电流密度-外部量子效率（CE-J-EQE）曲线图；（d）20个器件测得的最大EQE的直方图

Kong, L., Zhang, X., Li, Y. et al. Smoothing the energy transfer pathway in quasi-2D perovskite films using methanesulfonate leads to highly efficient light-emitting devices. Nat Commun 12, 1246 (2021).

DOI:10.1038/s41467-021-21522-8

https://doi.org/10.1038/s41467-021-21522-8