利用多氟丙烯酸酯添加剂提升准二维钙钛矿发光二极管性能

准二维钙钛矿由于具有较大的激子结合能和高效的能量转移等优势,在发光二极管(light-emitting diodes,LED)中的应用前景被广泛看好。然而,准二维钙钛矿溶液加工成膜过程中易形成大量的低维相和表界面缺陷,引起严重的非辐射复合,成为限制发光二极管器件性能的瓶颈。在本工作中,通过在PEA2Cs2Pb3Br10钙钛矿前驱体中加入1,6-二(丙烯酰氧基)-2,2,3,3,4,4,5,5-八氟己烷(OFHDODA)小分子添加剂,将钙钛矿薄膜的荧光量子效率(Photoluminescence Quantum Yield,PLQY)从19.7%提升到了49.0%,发射波长从508 nm红移到511 nm。这主要归因于OFHDODA与钙钛矿之间的物理化学相互作用有效抑制了非辐射复合,一方面多氟结构与PEA+之间的氢键相互作用调控了结晶动力学,抑制了低维相的产生;另一方面酯基具有较强的路易斯碱性,钝化了表界面未饱和Pb2+缺陷。相应地,准二维钙钛矿LED的外量子效率(External Quantum Efficiency,EQE)从8.55%提高到了13.76%。这项工作为设计新型多功能小分子添加剂,抑制准二维钙钛矿中的非辐射复合损失提供了思路。

准二维钙钛矿超快动力学的研究进展

基于三维有机-无机杂化钙钛矿光电转换材料制备的光电器件的环境稳定性较差,严重阻碍了其大规模商业应用,准二维钙钛矿有望解决这一问题.准二维钙钛矿打破了三维钙钛矿结构上的对称性,突破了容忍因子的限制.此外,材料的激子结合能较大,表现出较强的量子和介电限域效应,拥有特殊的载流子动力学和光物理特性.目前准二维钙钛矿光电转换器件的效率仍然与三维钙钛矿相差较大,因此必须对其内部的超快动力学和物理机制进行深入研究,为进一步优化器件性能提供指导.总结了准二维钙钛矿光电转换器件的研究进展,归纳了准二维钙钛矿的俄歇复合、能量转移和电荷转移等超快动力学特性,分析了准二维钙钛矿光电转换器件目前面临的问题并对其未来的研究趋势进行了展望.

Ruddlesden-Popper型准二维钙钛矿温度依赖发光光谱研究

准二维Ruddlesden-Popper(R-P)卤化物钙钛矿具有优越的光电特性,在太阳能电池、发光二极管、激光器等光电器件中受到广泛关注,但严重影响载流子的弛豫和传输特性的激子-声子之间的相互作用还未得到充分揭示。与广泛研究的三维钙钛矿结构相比,准二维钙钛矿存在天然形成的量子阱结构,具有更大的激子结合能,激子效应更加明显,但对其激子-声子相互作用的研究仍然较少。因此,我们通过溶液法制备了准二维R-P型钙钛矿(PEA)_(2)Cs_(n-1)Pb_(n)Br_(3n+1)薄膜,其增益系数高达~1090.62 cm^(-1),获得了低阈值(~12.48μJ/cm^(2))的放大自发辐射。基于此,我们通过变温荧光光谱(77~300 K)和瞬态吸收光谱技术研究了(PEA)_(2)Cs_(n-1)Pb_(n)Br_(3n+1)薄膜随温度变化的发光特性,以阐述其内部的激子-声子相互作用对其发光性能的影响。发现在低温域内(77~120 K),由激子-声子相互作用引起的带隙变化相对较弱,晶格热膨胀占主导地位;随着温度升高,激子-声子相互作用对带隙变化产生较大影响。另一方面,激子-声子相互作用会促使发光光谱线宽加宽,但我们在77~120 K的温度范围内观察到了反常线宽变窄现象,这归因于由局域化效应引起的多量子阱中的能量转移机制;直到120 K之后,激子-声子相互作用引起的谱线加宽才足以逆转这一趋势。本文对准二维钙钛矿的激子-声子相互作用的研究对于提高准二维钙钛矿光学性能及其发光应用具有指导价值。

4⁃氟苯乙胺基准二维钙钛矿的合成及其电致发光与激光性能

设计并开发了一种兼具电致发光和光学增益性能的准二维钙钛矿材料。通过向三维钙钛矿CsPbBr3中引入大体积阳离子4-FPEA+(4-氟苯乙胺),利用简易的溶液旋涂法,制备了不同n值量子阱混合分布的准二维钙钛矿薄膜。通过紫外可见吸收光谱和光致发光光谱证明调整4-FPEA+的添加量可以对量子阱的分布进行有效调控。结合扫描电子显微镜和原子力显微镜证明4-FPEA+的加入可以降低薄膜表面粗糙度。当4-FPEA+和CsPbBr3的物质的量之比为0.6时,薄膜的发光强度最高。将该材料应用在发光二极管(light emitting diodes,LEDs)中,结合冠醚作为添加剂辅助钝化缺陷,实现了外量子效率(EQE)为0.98%的绿光LED器件。在激光性能方面,该材料在室温条件下的最低阈值为17.42μJ·cm^(-2),增益系数为35 cm^(-1)。

准二维钙钛矿晶体中自限域激子发光机制研究

通过冷却结晶法成功地合成了准二维钙钛矿(C_(4)H_(10)N)_(2)(CH_(3)NH_(3))Pb_(2)Br_(7)晶体,并研究了该晶体的晶体结构以及自由激子和自限域激子复合发光行为。单晶XRD结构分析表明,该晶体中PbBr6八面体单元具有极大的结构扭曲。通过光谱分析发现,该准二维钙钛矿材料在紫外光激发下表现为蓝色发光,并且具有两个荧光峰,峰位分别为440 nm和477 nm。其中,较强的荧光峰(440 nm)和较弱的荧光峰(477 nm)分别来源于准二维钙钛矿材料的自由激子和自限域激子的复合发光。该研究结果将有助于深入理解钙钛矿晶体中激子自限域过程和发光机制。

光强可调的变温荧光测试系统在准二维钙钛矿中的应用

激子性质对准二维钙钛矿材料的发光机理具有决定性影响。测量激子-声子耦合强度和激子结合能是研究准二维钙钛矿材料激子特性的有力手段,可以为揭示其内部光发射机制和进一步提高荧光量子产率提供关键的科学依据。将变光强荧光测试系统和液氮恒温装置相结合,利用LABVIEW程序进行系统控制,搭建了一套光强可调的变温荧光测试系统,并以准二维钙钛矿薄膜样品为研究对象,开展了对准二维钙钛矿的激子及其发光性质的研究。研究结果表明:随着准二维钙钛矿材料值的增加,激子-纵向光学声子耦合强度和激子结合能均逐渐降低。此外,利用该测试系统进行了室温下变光强荧光测量,探究了准二维钙钛矿薄膜的光学增益,得到其放大的自发辐射阈值为3.2 μJ/cm^(2)。

准二维钙钛矿太阳能电池的研究进展

目前,钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已超过25%,飞速提升的效率使得人们越来越期待商业化的应用,但钙钛矿材料的稳定性问题却是其商业化所面临的最大挑战,准二维钙钛矿有望解决这一问题。利用大的有机间隔阳离子的疏水性和热稳定性,以及更高的晶体形成能和更加稳固的结构,准二维钙钛矿能够有效提高钙钛矿的稳定性。此外,准二维钙钛矿对钙钛矿薄膜的形态也具有明显的改善作用,可代替反溶剂工程,简化工艺,满足钙钛矿的工业化生产要求。然而,由于绝缘的有机间隔阳离子导致的相对大的带隙和低的载流子迁移率,阻碍了载流子传输,准二维钙钛矿太阳能电池的效率仍然与三维钙钛矿相差较大。因此,对于准二维钙钛矿,必须对其特性和器件应用等进行深入研究,以进一步优化器件性能。本文总结了准二维钙钛矿太阳能电池的研究进展,归纳了准二维钙钛矿的分子结构、准二维结构提升三维钙钛矿稳定性的方法和原理、准二维钙钛矿的相分布及其载流子传输特性,分析了准二维钙钛矿太阳能电池目前面临的问题并对其前景进行了展望,期望为制备高效稳定的准二维钙钛矿太阳能电池提供参考。

基于氟代苯乙胺有机阳离子的准二维钙钛矿发光二极管

近年来,钙钛矿发光二极管(PeLEDs)发展非常迅速,其性能得到了大幅提升,而构筑具有量子阱结构的准二维钙钛矿是开发高性能PeLEDs的有效方法之一。大尺寸有机阳离子是构成准二维钙钛矿的关键组分,对调节准二维钙钛矿的薄膜结构和光电性质具有重要作用。本文通过在铯铅卤化物(CsPb X3)钙钛矿中引入两种单氟取代的溴化苯乙胺(o-FPEABr(邻位取代)和p-FPEABr(对位取代)),采用无反溶剂的一步法制备了准二维钙钛矿薄膜和发光器件,研究了它们对准二维钙钛矿成相分布和器件性能的影响。研究发现,pFPEABr使准二维钙钛矿形成了大量的低维相,特别是具有强激子-声子耦合的二维相,而高维相含量较少。相反地,o-FPEABr能够有效地抑制低维相,并促进高维相的形成,有利于降低非辐射复合和提高辐射复合。形成能计算结果显示,基于p-FPEABr的低维相比基于o-FPEABr的低维相具有更好的热力学稳定性,导致了准二维钙钛矿中成相分布的差异,表明改变氟原子的取代位置能够调控准二维钙钛矿的结晶动力学过程,进而影响器件的发光性能。基于o-FPEABr,我们制备出高效的绿光和蓝光PeLEDs。其中绿光器件的最大外量子效率(EQE)达到了10.27%,发光峰位于521 nm;而蓝光器件的最大EQE也达到了8.88%,发光峰位于488 nm。

准二维钙钛矿太阳能电池的研究进展

新型有机-无机杂化二维(2D)钙钛矿具有优良的光电性能、结晶性和稳定性,在太阳能电池领域引起广泛关注.相比于三维(3D)钙钛矿,由于有机间隔阳离子(OSC)的引入形成独特的层状晶体结构赋予了材料特殊性质:(1)多层量子阱结构促成材料各项异性的光电性质;(2)间隔阳离子改变前驱体团簇状态,实现溶液中高质量的结晶;(3)间隔层的疏水性质和抑制离子迁移作用,从本源上改善了钙钛矿的稳定性.近年来,针对准2D钙钛矿太阳能电池(准2D-PSCs)展开了广泛研究,并取得了一系列重要研究成果.本文从准2D钙钛矿材料的晶体结构与取向、相分布、光电性质到器件的能量转化效率与稳定性等方面,综合评述了近年来准2D-PSCs的最新研究进展,总结了晶体结构-材料性质-电池性能之间的作用机制,并进一步展望了未来研究的趋势.

准二维铅基钙钛矿微纳激光器

近年来,钙钛矿材料及器件由于其优异的光电特性取得了巨大的研究进展。特别是准二维卤化物钙钛矿材料,因其具有激子结合能大、激子‑光子强耦合和稳定性好等优点,在光电器件领域显示出很大的应用潜力。此外,准二维钙钛矿中自发形成的量子阱结构允许激子能量从小n相转移到大n相,能够有效促进激子利用率和粒子数反转,这使得准二维钙钛矿材料能够成为激光器中的光学增益介质。本文首先介绍了准二维钙钛矿的晶体结构和优异的光学性能,进而总结了调节准二维钙钛矿晶相结构的几种策略。最后,回顾了准二维钙钛矿微纳激光器的发展,并对准二维钙钛矿材料和激光器件的研究进行了总结和展望。

次磷酸增强的准二维钙钛矿天蓝色发光器件

提高蓝光器件的性能是钙钛矿发光器件实用化进程中亟待解决的问题。本文研究了次磷酸添加剂对混卤素二元长链胺准二维钙钛矿材料形貌、结晶性和光物理特性的影响。结果表明:次磷酸添加剂能改善钙钛矿薄膜的结晶性,促进发光相的形成,有效钝化缺陷和促进电荷传输。制备的准二维钙钛矿天蓝色发光器件的最大外量子效率为7.9%,最大亮度为7300 cd/m2,分别约为未添加次磷酸器件的4.2倍和2.9倍,同时器件的驱动稳定性也有一定程度的提高。

准二维蓝光钙钛矿发光二极管的研究进展

蓝光钙钛矿发光二极管(PeLEDs)是钙钛矿全彩显示和白光照明技术快速发展的核心技术瓶颈。准二维钙钛矿可利用层数调控和量子限域效应实现蓝光发射,还可借助其疏水有机配体显著提升膜层和器件的稳定性,已成为钙钛矿领域的研究热点。本综述总结了准二维蓝光PeLEDs在组分工程、膜层工艺及器件优化方面的进展,分析了准二维蓝光PeLEDs面临的挑战,展望了效率提升途径,并概述了未来研究方向和解决方案。

聚合物PTAA分子量对刮涂钙钛矿性能的影响与研究

高分子聚合物聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺](PTAA)与钙钛矿材料存在匹配的能级,广泛用作倒置钙钛矿太阳能电池(p-i-n PSCs)的空穴传输材料。然而不同分子量的空穴传输材料会导致不同的载流子迁移率和器件性能。因此,本文选取三种不同分子量的PTAA制备空穴传输层。接触角结果显示,中间分子量的PTAA(M-PTAA)层具有优异的疏水性。在此基础上刮涂得到的准二维钙钛矿薄膜(M-PP)表现出最优的表面形貌和最高的结晶度。TRPL测试进一步证实M-PP薄膜中的空穴能更好的被PTAA传输层转移,由此制备的p-i-n PSCs实现了高达15.79%的能量转换效率(PCE)。

采用硫氰酸铵添加剂的高效天蓝色钙钛矿发光二极管

金属卤化物钙钛矿发光器件具有可溶液加工、高发光效率和良好色纯度等诸多优良特性,受到了广泛的关注,但蓝色钙钛矿发光器件发光效率和光谱稳定性等方面的问题限制了钙钛矿材料在照明和显示领域的进一步发展.本工作研究硫氰酸铵添加剂对准二维混合卤化物钙钛矿薄膜形貌、结晶度、光物理和电致发光特性的影响.结果表明硫氰酸铵能有效钝化准二维混合卤化物钙钛矿薄膜的缺陷,提高结晶度,调节相分布,从而改善其电荷传输特性和发光效率.硫氰酸铵浓度为20%的准二维钙钛矿发光二极管的发光峰值波长位于486 nm处,器件的最大外量子效率为5.83%,最大亮度为1258 cd/m^(2),分别比未添加硫氰酸铵的器件提升了6.7倍和3.6倍,同时器件发光光谱稳定性和驱动稳定性也得到了明显的提升.本研究为提高蓝色准二维混合卤化物钙钛矿发光二极管的特性提供了一种简单有效的方法.

基于长链胺及聚合物的高效蓝色发光器件

为了促进钙钛矿发光器件在显示和照明方面的应用,钙钛矿蓝光器件的研究受到广泛关注.在混卤素钙钛矿发光层MAPbBr_(2)Cl中引入长链丁基胺阳离子和聚合物添加剂聚环氧乙烷,通过减小晶粒尺寸,钝化缺陷,较好地抑制了离子迁移与非辐射复合.采用这种方法制备了发光最大波长位于484 nm、最大亮度为2876 cd/m^(2)和最高电流效率为3.7 Cd/A的天蓝色钙钛矿发光器件,较发光层为MAPbBr_(2)Cl器件的效率提高了近15倍.