西安交大吴朝新组Angew. Chem. Int. Ed.：共轭配体增强钙钛矿量子点之间的载流子传输及其高效率发光二极管

【引言】

近年来，钙钛矿材料由于具有易于合成、低成本、高吸收系数、载流子扩散距离长等优势，在光伏领域掀起研究热潮，成为炙手可热的“明星材料”。除此之外，钙钛矿材料还具有高荧光量子产率及易于通过组分调控的发光光谱范围，使其展现出在发光二极管领域的应用优势。尤其将钙钛矿制备成低维量子点后，由于量子限域作用，材料的发光性能将有更进一步的提高。然而，在钙钛矿量子点的制备过程中，为了保证胶体量子点的稳定性，烷基链配体必不可少。但是，这些烷基配体的绝缘性限制了载流子在量子点之间的传输，导致了最终量子点器件低劣的性能。虽然可以通过优化烷基配体的浓度，或者烷基链的长度在胶体量子点的稳定性与载流子传输性之间寻找平衡点，但目前为止，依然没有一种方法从根本上解决钙钛矿胶体量子点的稳定性与量子点间载流子传输特性同时提高的矛盾。

【成果简介】

为了提高钙钛矿量子点薄膜中载流子的传输及复合效率，从而提高钙钛矿量子点发光二极管的效率，西安交通大学吴朝新教授团队首次提出直接采用具有共轭结构的烷基胺苯丙烯胺（PPA）作为配体，利用共轭基团的电子离域特性，解决了量子点稳定性与载流子传输特性提高之间的矛盾。研究指出采用共轭配体不但成功地合成甲胺铅溴钙钛矿量子点，又在不降低量子点胶体稳定性的同时，提高了量子点薄膜的导电性能。相比采用正辛胺（OA）为配体制备的钙钛矿量子点，采用PPA制备的甲胺铅溴量子点胶体溶液的荧光量子效率为63.10%与OA制备的甲胺铅溴量子点相当。重要的是，PPA的使用使得钙钛矿量子点薄膜中的载流子迁移率由0.19±0.27cm²/(Vs)提高到了4.3±0.55cm²/(Vs)，提高了22倍；相应的发光二极管器件效率提高了约8倍，PPA量子点发光二极管的亮度可达9053cd/m²，效率可达9.08cd/A。这项工作为解决量子点间较差的载流子传输性能提供了新的解决思路，将会加速新奇共轭配体的设计及其在相应的量子点光电领域的应用。

该项研究工作以题目为“Charge Transport between Coupling Colloidal Perovskite Quantum Dots Assisted by Functional Conjugated Ligands”近期发表于国际期刊Angew. Chem. Int. Ed.(2018, 57, 1–6)。该论文第一作者为课题组博士生代锦飞，西安交通大学为唯一作者单位，以及吴朝新教授作为唯一通讯作者。参与此项工作的还有西安交通大学的段新华教授及其博士生赵景峰同学。

【图文导读】

图1 以PPA为配体的甲胺铅溴量子的合成及其光学性质表征

(a) 量子点的合成示意图；

(b) 以PPA为配体的MAPbBr₃量子点结构示意图；

(c) 以PPA和OA为配体的MAPbBr₃量子点的荧光发射强度对比;

(d) 以PPA和OA为配体的MAPbBr₃量子点的荧光寿命对比;

(e) 以PPA为配体进行MAPbBr₃量子点的光谱调控。

图2 以PPA和以OA为配体的甲胺铅溴量子的基本结构表征对比

(a) 以PPA为配体的量子点的TEM和HRTEM图像；

(b) 以OA为配体的量子点的TEM和HRTEM图像；

(c) 以PPA和OA为配体制备的MAPbBr₃量子点的傅里叶转换红外光谱表征;

(d) 以PPA和OA为配体制备的MAPbBr₃量子点的XRD分析;

(e) 以PPA和OA为配体制备的MAPbBr₃量子点的稳定性对比。

图3 以PPA为配体制备的MAPbBr₃量子点薄膜中的载流子传输性能具有显著提升

(a) 以PPA-QDs和OA-QDs为活性层的单电子器件的J-V曲线对比；

(b) 以PPA-QDs和OA-QDs为活性层的单空穴器件的J-V曲线对比；

(c) 采用霍尔效应测试量子点薄膜载流子迁移率示意图;

(d)采用霍尔效应测试获得的MAPbBr₃块体薄膜和不同配体量子点薄膜的载流子迁移率结果。

图4 以PPA为配体制备的MAPbBr₃量子点促进了MAPbBr₃量子点发光二极管的效率提升

(a) MAPbBr₃量子点发光二极管能级结构图；

(b) 以PPA-QDs和OA-QDs为发光层的发光二极管器件SEM截面图(标尺250 nm)；

(c) 发光层量子点薄膜的表面形貌及相应的元素分布图(标尺500 nm)；

(d)~(f) PPA-QDs及OA-QDs发光二极管的发光强度、电流效率器件电流密度曲线随加载电压的变化;

(g)(h) 载流子在PPA-QDs和OA-QDs薄膜中的传输示意图。

【小结】

西安交通大学吴朝新教授团队主要研究新型功能材料的“光-电”与“电-光”物理机制及其器件应用如太阳能电池与发光二极管等。主页：http://zhaoxinwu.gr.xjtu.edu.cn。该工作得到国家重点专项（2016YF0400702）和国家自然基金委（11574248及61505161）项目的支持。

文献链接：Charge Transport between Coupling Colloidal Perovskite Quantum Dots Assisted by Functional Conjugated Ligands.（Angew. Chem. Int. Ed. ，2018，DOI：10.1002/anie.201801780）

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