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本研究使用設備
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 超高清電視標準至關(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。這些缺陷會導致非輻射復合，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 和 Ac 與鉛原子在碘空位處的結(jié)合能分別為 -0.495 eV 和 -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 和 Ac 分別向鈣鈦礦表面轉(zhuǎn)移了 0.526 和 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- 和 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合
研究人員將 CsFa 和 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 和 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 和 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 在 639 nm 處實現(xiàn)了 24.2% 的峰值 EQE，最大亮度達到 800 cd/m2，CIE 色坐標為 (0.701, 0.299)，非常接近 Rec. 2020 標準的理想紅色色坐標 (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) 和 PLQY 測試結(jié)果表明，CsFa 鈍化有效地抑制了非輻射復合，延長了載流子壽命，從而提高了器件效率。熱導納譜 (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。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

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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坐標等多項參數(shù)值，實測無機 LED 測試量測不重復性小于 0.2 %。