Fase-engineering voor zeer efficiënte quasi-tweedimensionale volledig anorganische perovskiet-lichtgevende dioden via aanpassing van de verhouding van Cs-kation

Resultaten en discussie

Perovskiet-filmkarakteriseringen

De absorptiespectra van perovskietfilms met verschillende samenstellingen worden getoond in Fig. 1a en b. In Fig. 1a kunnen we CsPbBr₃ . zien film vertoont een absorptiepiek in de buurt van 517 nm en PPA2PbBr4-film vertoont een typische absorptiepiek bij 400 nm, wat overeenkomt met de n = 1 en n = ∞ fase-perovskiet, wat aangeeft dat 2D-perovskiet sterke kwantumopsluitingseffecten heeft [28]. Voor perovskietfilms met een verschillend gehalte aan Cs-kationen vertonen ze allemaal meerdere absorptiepieken, wat aangeeft dat er inderdaad gemengde fasesamenstellingen zijn in de vier perovskietfilms [8, 34]. Voor n = 3 samenstelling perovskietfilm (2:2), de excitonabsorptiepiek komt overeen met lage n -waarde fase perovskiet was hoog, wat betekent dat er grote lage-n . verlaat -waardefase in de perovskietfilm. Wanneer echter het relatieve gehalte aan Cs-verhouding in voorloperoplossingen (2:3 en 2:3,5) wordt verhoogd, worden de absorptiepieken die behoren tot middelste n -fase perovskiet begon te verschijnen, wat bleek dat veel lage-n -waarde fase perovskieten zijn getransformeerd naar grote-n -waarde fase. Om de invloed van extra Cs-kationen op de kristallijne eigenschappen van perovskiet te onderzoeken, werden de röntgendiffractie (XRD) metingen toegepast. Alle films vertoonden slechts twee prominente diffractiepieken bij respectievelijk 15,15 ° en 30,45 °, die kunnen worden toegeschreven aan de (100) en (200) kristallijne vlakken van de orthorhombische fase CsPbBr₃ , wat de preferentiële groei van perovskietkristallieten aangeeft, wat consistent is met eerdere rapporten [30].

Absorptiespectra in dunne films van a de 3D CsPbBr₃ en 2D PPA₂ PbBr₄ perovskiet, en b quasi-2D-verbindingen met verschillende molaire verhoudingen van PPA:Cs-kationen van 2:2, 2:3, 2:3,5 en 2:4. c XRD-patronen van quasi-2D-perovskietfilms met een molaire verhouding van PPA:Cs-kationen van 2:2, 2:3, 2:3,5 en 2:4

De morfologische evoluties van perovskiet-dunne films met verschillende inhoud van Cs-kationen werden geregistreerd met SEM en AFM. Van Fig. 2 en 3, kunnen we zien dat ongerepte 3D CsPbBr₃ vertonen een slechte oppervlaktemorfologie met veel holtes en grote RMS-ruwheid (root-mean-square), die elektrische shuntpaden kan veroorzaken. Integendeel, wanneer PPABr wordt gebruikt, wordt de filmdekking opmerkelijk verbeterd en neemt de korrelgrootte sterk af. De RMS van de pure 3D CsPbBr₃ film is 9,49 nm, wat sterk is afgenomen tot 2,16 nm na de opname van PPABr (PPABr:CsBr = 2:2). Bij het verhogen van het gehalte aan Cs-kationen tot 2:3 en 2:3,5, blijft de ruwheid op een laag niveau. Het oppervlak werd echter weer ruw wanneer de Cs-kationconcentratie verder werd verhoogd tot 2:4. Deze bevindingen tonen aan dat de opname van PPABr inderdaad bevorderlijk is voor de vorming van een compacte en gladde dunne film, en het zou kunnen worden gevonden dat het opnemen van Cs-kationen in de voorloperoplossing in een geschikt bereik een kleine invloed heeft op de dunnefilmmorfologie van perovskiet.

SEM-beelden van perovskietfilms met a 3D-perovskiet en quasi-2D-perovskiet op basis van PPA:Cs-kationen van b 2:2, c 2:3, d 2:3.5, en e 2:4; de inzetstukken tonen de vergrote afbeelding van de bijbehorende SEM. b AFM-topografieën van overeenkomstige perovskietfilms

b AFM-topografieën van corresponderende perovskietfilms met a 3D-perovskiet en quasi-2D-perovskiet op basis van PPA:Cs-kationen van b 2:2, c 2:3, d 2:3.5, en e 2:4

Figuur 4a toont de fotoluminescentiespectra van perovskietfilms met verschillende molaire verhoudingen van PPA:C's, die werden gemeten om n te onderzoeken -fasemodulatie in perovskietfilms. Het is duidelijk dat de fotoluminescentie-emissiepiek geleidelijk blauw verschoven van 524 nm voor 3D CsPbBr₃ dunne film tot 517 nm voor perovskiet dunne films van 2:2, wat wijst op een incrementeel kwantumbeperkingseffect. Bij het verhogen van het relatieve gehalte aan Cs-kationen vertonen de PL-spectra een lichte roodverschuiving. Ondertussen vertoont de perovskietfilm met de PPA:Cs molaire verhouding van 2:3,5 de hoogste PL-intensiteit onder dezelfde excitatieconditie. Om diep inzicht te krijgen in het effect van Cs-gehalte in de precursoroplossing op exciton-eigenschappen van perovskietfilms, werden in de tijd opgeloste fotoluminescentie (TRPL) vervalcurven van perovskietfilms gemeten en weergegeven in Fig. 4b, die goed kunnen worden aangepast door tri- exponentiële uitdrukking (1) [38]:

een PL-spectra en b genormaliseerde TRPL-vervalcurves van perovskietfilms met verschillende molaire verhoudingen van PPA:C's

waarin ik vertegenwoordigt de genormaliseerde PL-intensiteit; A ₁ , A ₂ , en A ₃ staan ​​voor het aandeel van de componenten; en τ ₁ , τ ₂ , en τ ₃ vertegenwoordigen de respectieve levensduur van het exciton voor verschillende kinetische processen van de drager. De gemiddelde levensduur (τ _gemiddelde ) wordt berekend in de volgende uitdrukking (2) [19]:

waar de τ ₃ component wordt toegeschreven aan het stralingsrecombinatieproces in perovskietkorrels en τ ₁ en τ ₂ komen overeen met twee soorten trap-geassisteerde recombinatie. Tabel 1 geeft een samenvatting van de aangepaste parameters van het drie-exponentiële aanpassingsresultaat van TRPL-verval. De gemiddelde tijd voor een ongerepte 3D CsPbBr₃ steekproef is klein (7,02 ns). Maar het wordt aanzienlijk verbeterd door de introductie van PPA, dat wordt toegeschreven aan sterk verhoogde excitonbindingsenergie [29]. En bij het verhogen van het Cs-kationgehalte in de voorloperoplossing, de τ _gemiddelde van 2:3.5 toont de grootste gemiddelde levensduur van 32.11 ns, wat aangeeft dat er een verminderde dichtheid van defecte toestanden is in vergelijking met perovskietfilms met andere samenstellingen, in combinatie met de vergelijkbare oppervlaktemorfologie en absorptiespectra. Volgens de bovenstaande discussie kan worden geconcludeerd dat geschikte Cs-kationen in perovskiet-precursoren de groei van de lage n -perovskiet-fase perovskiet [37] en leidde tot verminderde valdichtheid en verlengde levensduur van de drager.

Vervaardiging van led-apparaten

Gebruikmakend van bovengenoemde perovskietfilms als emitterende laag, perovskiet-LED's (ITO/PEDOT:PSS/PPA₂ (CsPbBr₃ )_{n − 1} PbBr₄ /TPBi/LiF/Al) werden vervaardigd, zoals getoond in Fig. 5 en 6a en b. Afbeelding 6c–e geeft de stroomdichtheid, luminantie en stroomefficiëntie weer als een functie van de spanning (J -V , L -V , en CE-V ) karakteristieke curven voor de apparaten met verschillende molaire verhoudingen van PPA:Cs-kationen. Het is duidelijk te zien dat de opname van PPABr leidt tot de duidelijke afname van lekstroom onder lage aangelegde spanningen, wat opmerkelijk verminderde rangeerpaden in perovskietfilm aantoont, in goede overeenstemming met de hierboven genoemde morfologische karakteriseringsresultaten. Zoals getoond in Fig. 6d en e, vertoont het apparaat met een PPA:Cs molverhouding van 2:2 de aanzienlijk verbeterde piekhelderheid van 1026 cd m ⁻² vergeleken met die van 60 cd m ⁻² voor 3D CsPbBr₃ -gebaseerd apparaat en de huidige efficiëntie is verbeterd van 0,01 naar 0,80 cd A ⁻¹ . Met verdere verbetering van de Cs-kationen in de perovskiet-precursoroplossingen, werden de maximale luminantie en stroomdichtheid verder verbeterd, waarvan het apparaat met de PPA:Cs-molverhouding van 2:3,5 de piekluminantie van 2921 cd m ^{− vertoont 2} , wat een bijna drievoudige verbetering is vergeleken met die van het apparaat met de PPA:Cs molverhouding van 2:2 en de stroomdichtheid verhoogd tot 1,38 cd A ⁻¹ . De elektroluminescentiespectra (Fig. 6e) van PeLED's met verschillende samenstellingen vertonen allemaal licht roodverschoven emissiepieken in vergelijking met de overeenkomstige PL-pieken, wat consistent is met eerdere rapporten [37, 38]. Concrete PeLED-karakteriseringsresultaten zijn samengevat in Tabel 2. Aanzienlijk verbeterde apparaatprestaties kunnen worden toegeschreven aan een verbeterde morfologie en een verminderd aandeel van perovskiet met een lage dimensie als gevolg van de extra Cs-kationen.

Cross-sectionele veldemissie SEM van een quasi-2D PeLED

een Schematisch diagram van de apparaatstructuur en b overeenkomstige energieniveau voor de PeLED's. c Stroomdichtheid versus spanningscurves (J-V), d luminantie versus spanning (L-V), en e stroomrendement versus spanning (CE-V) karakteristieke curven van PeLED's op basis van verschillende perovskietfilms. v Genormaliseerde EL-spectra