▲第一作者：王群贵博士
通讯作者：杨维清教授，陈向荣教授
通讯单位：西南交通大学前沿科学研究院
论文DOI：
https://doi.org/10.1021/acsenergylett.3c01379
01
全文速览
本文报道了从分子层面上设计具有强亲核性core基团的电子传输层对PeLEDs的EQE滚降进行高效抑制。强亲核core基团能本征地向钙钛矿表面转移更多的电子来钝化表面Pb2+空位缺陷，有效地降低了表面缺陷密度和抑制了缺陷辅助非辐射复合速率。因此，基于强亲核core基团的电子传输层B3PyPPM使PeLED的性能显著提升，且EQE滚降被明显抑制。
02
背景介绍
钙钛矿发光二极管（PeLED）具有高性能、制造成本低、低功耗和快速响应速度等诸多优势，被认为是下一代显示、照明和通信设备最具潜力的选择。然而，其快速的EQE滚降严重阻碍了PeLED的实际应用。表面缺陷的钝化对于抑制EQE滚降和改善PeLED器件性能具有决定性意义。作为一种PeLED器件的重要功能层，电子传输层ETL对表面缺陷的本征钝化机制仍然缺乏研究。因此，迫切需要设计具有表面缺陷本征钝化的ETL以有效抑制PeLED的EQE滚降。
03
研究出发点
钙钛矿表面的缺陷密度通常比其体相中的缺陷密度高一个数量级，因此钝化表面缺陷是抑制EQE滚降的最有效方法之一。迄今为止，已经采用了许多策略来钝化钙钛矿表面缺陷，如配体工程、界面修饰和表面处理等。然而，大多数关于表面缺陷钝化的研究都集中在使用小分子稳定剂或聚合物薄膜钝化层上。作为一种重要的功能层， ETL的对钙钛矿表面缺陷的本征钝化却十分缺乏研究。
众所周知，亲核性随着电子密度的增加而增加，为电子从ETL转移到钝化表面缺陷提供了更大的机会。鉴于此，作者首先利用DFT计算，设计了一个亲核性更强的核心基团，以增强ETL的给电子能力及其与钙钛矿表面的相互作用。这些改进促进了电子从ETL向钙钛矿的本征转移，高效地钝化了由卤素产生的Pb2+空位。基于更强亲核性core基团的ETL B3PyPPM使钙钛矿薄膜展现出更强的光致发光强度、更高的光致发光量子效率和对陷阱辅助非辐射复合的更有效抑制作用。此外，B3PyPPM钝化的钙钛矿器件表现出明显降低的缺陷辅助载流子复合和积累，显著抑制了PeLED的EQE滚降。因此，这项工作不仅证明了ETL在表面缺陷钝化方面的关键作用，还为设计多功能ETL以实现高亮度和长工作寿命的PeLEDs提供了重要指导。
04
图文解析
强亲核性core基团具有更负的表面静电势核更强的供电子能力，这使B3PyPPM能与钙钛矿表面形成更强的相互作用和向钙钛矿表面缺陷转移更多电子。因此，B3PyPPM能高效地钝化钙钛矿表面缺陷。
钙钛矿/B3PyPPM界面表现出更强的PL峰和更高的荧光量子产率 (PLQY), 且其在高功率激发密度下PLQY依旧保持稳定。同时，钙钛矿/B3PyPPM界面在不同激发强度下的PL寿命都长于钙钛矿/B3PyMPM界面。TRPL谱分解结果显示钙钛矿/B3PyPPM的短寿命和长寿命成分都大于钙钛矿/B3PyPPM，表明B3PyPPM对缺陷辅助非辐射复合速率的更有效的抑制，验证了B3PyPPM对钙钛矿表面缺陷更优的钝化效果。
作者使用变温PL对钙钛矿/ETL进行激子动力学研究。变温PL结果显示，钙钛矿/B3PyPPM具有更高的热活化能Ea，同时其激子-声子耦合系数更低，表明了基于B3PyPPM的钙钛矿在室温下具有更稳定的激子，同时激子的非辐射复合概率明显减低，证明了B3PyPPM对激子的缺陷辅助非辐射复合的抑制和辐射复合效率的提升作用。
为衡量钙钛矿薄膜的缺陷态密度，作者进行了单载流子器件的SCLC和电容-电压（C-V）分析。基于B3PyPPM的单电子器件的电子密度与单空穴器件的空穴电流更为平衡。同时，单电子器件的电流密度-电压曲线和C-V的转变电压的一致性表明基于B3PyPPM钙钛矿的缺陷填充电容明显降低，证明了其更低的缺陷态密度和缺陷俘获电子数。
PeLED器件性能显示，相比于B3PyMPM基的PeLED, B3PyPPM基PeLED器件最大外量子效率提升到18.04 %，且器件亮度1.9 × 105 cd/m2从提升到了7.9 × 105 cd/m2。同时，器件的EQE滚降明显被抑制。高-低频C-V分析证实B3PyPPM基PeLED器件的缺陷俘获电容明显降低。同时，由于B3PyPPM对缺陷辅助非辐射复合的抑制，B3PyPPM基PeLED在高电压下的辐射复合明显提升，这使得器件内部载流子累积明显缓解。因此，B3PyPPM基PeLED在高电流密度/亮度下的EQE滚降被明显抑制。
05
总结与展望
如上所述，该团队首先通过密度泛函理论计算，设计了具有强亲核性core的电子传输层B3PyPPM，能高效地和本征地钝化钙钛矿表面缺陷。更强亲核性core基团使ETL B3PyPPM与钙钛矿表面相互作用更为紧密，可以更好地将电子转移钙钛矿表面以中和Pb2+空位缺陷。PeLED器件显示，B3PyPPM能够有效减少陷阱辅助的非辐射复合和载流子积累，从而高效地抑制器件EQE滚降。因此，基于B3PyPPM的PeLEDs表现出更高的EQE（18.04%），最大亮度提高了4.15倍，并且T50值延长了5.38倍，证实了具有更强亲核性的电子传输层在PeLEDs中更好地抑制EQE滚降的作用。这些发现为设计多功能ETL以实现高亮度和长工作寿命的PeLEDs提供了重要指导。
06
心得与体会
作为PeLED器件重要的组成部分，ETL长期以来被认为只具有调节器件的电子注入作用。然而，我们在实验中发现，ETL对器件性能的影响远不止于对载流子注入平衡的调控。本工作展示了ETL在调控载流子注入外，还能对表面缺陷进行高效钝化。ETL分子本身具有丰富的结构，同时具有极大的官能团可调性，这些为我们设计多功能ETL带来了极大的机会。这表明，我们可以对ETL进行更丰富的设计，以实现更多的功能，如实现超低启亮电压等，大有可为。
07
课题组介绍
杨维清，西南交通大学材料科学与工程学院教授/博导，四川省第十二届政协委员，四川省杰出青年，2007和2011年分别获得四川大学硕士和博士学位，2011-2014年先后在电子科技大学和美国佐治亚理工学院从事博士后， 2014年4月引进到西南交通大学材料学院教授博导，主要从事纳米能源材料与功能器件的应用基础研究。近年来，在Adv. Mater, ACS Energy Letters，ACS Nano，Nano Lett., Adv. Funct. Mater.等国际著名刊物上发表SCI收录论文共计170余篇，其中影响因子IF>10论文50余篇，ESI高被引论文18篇，引用8500余次(Google Scholar)。主持国家自然基金、四川省杰出青年基金项目、教育部留学回国人员启动基金项目等多项省部级项目，担任科技部重大研发计划项目会评专家和国家科技奖评审专家。申请专利40余项(已授权24项)。所做的工作被美国知名网站美国国家自然基金委（NSF)、Newscientist，CCTV等近20家媒体专题报道，受到法国路透社，中国科学网、中国储能网、中国网、新华网、人民网、凤凰网等多家国内外媒体关注。也是Newscientists（科技媒体世界排名第一）首次报道西南交通大学的科研工作。相关科研成果在北京科技展和中关村科技展上，受到国务院副总理刘延东、中科院院长白春礼院士和中科院北京分院院长何岩院士的高度评价，受邀参加中国国际广播电台名人坊节目专访。
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.3c01379
转自：“研之成理”微信公众号
如有侵权，请联系本站删除！
