Adv. Funct. Mater.: 电吸收光谱原位揭示钙钛矿LED降解机理

Adv. Funct. Mater.:电吸收光谱原位揭示钙钛矿LED降解机理

【引言】

钙钛矿LED获得广泛的研究，并且在发光效率方面取得一系列重要突破。但是稳定性是几乎所有钙钛矿型光电器件的普遍问题。在电流密度高、能量转换效率低的钙钛矿LEDs中，稳定性问题尤为突出。目前已经有许多研究者通过各种研究手段对钙钛矿太阳能电池和LED的降解机理进行研究。包括原位X射线衍射（XRD）相演变监测，飞行时间二次离子质谱法研究钙钛矿薄膜的水渗透性，以及时间分辨光致发光测量等。尽管取得了一些成果，但是在由多个功能层和界面组成的器件中，降解发生在何处以及如何发生的基本问题仍然存在。

【成果简介】

近日，香港中文大学赵铌团队利用电吸收光谱技术原位研究了钙钛矿LED的讲解机理，并且通过电荷复合的器件模型模拟了降解发生的原因与位置。此外研究者引入了一种沉积后表面处理方法来用PEAI钝化钙钛矿表面进一步从实验方面证实这些假设。文章发表在Adv. Funct. Mater.上，题目为“Degradation Mechanism of Perovskite Light-Emitting Diodes: An In Situ Investigation via Electroabsorption Spectroscopy and Device Modelling”。

【图文简介】

图1

a） 钙钛矿LED器件的结构示意图；

b） 器件的能带图；

c） 不同工作偏压下的电致发光光谱；

d） 本文所监测的典型钙钛矿LED的电流-电压曲线和电流-辐照度和电流-亮度关系；

f） 当恒流密度为100mA cm^-2时，EQE随时间衰减。

图2

a) 时间相关ZnO和TFB层的一次谐波电吸收谱（EA）；

b）在电流密度为833 mA cm⁻²时制备的钙钛矿层的二次谐波EA。

图3

a）导带以下能级为0.03 eV的碘空位缺陷，注入电流密度为100 mA cm^-2的钙钛矿LED器件的模拟复合速率；

b）能级高于价带0.04 eV的铅空位缺陷，注入电流密度为100 mA cm^-2的钙钛矿LED器件的模拟复合速率；

c）价带上能级为0.6 eV的碘间隙缺陷陷阱，注入电流密度为100 mA cm^-2的钙钛矿LED器件的模拟复合速率；

d）价带以上能级为1.0 eV的反位错铅缺陷陷阱，注入电流密度为100 mA cm^-2的钙钛矿LED器件的模拟复合速率；

e）非辐射复合速率沿垂直方向的分布。

图4

a）不同PEAI浓度下器件的电流-电压曲线对比；

b）不同PEAI浓度下器件的亮度与电流密度曲线对比；

c）有PEAI层和无PEAI层钙钛矿LED器件的EL谱；

d）有PEAI层和无PEAI层PeLED器件的工作稳定性的比较；

c）在电流密度为100mA cm^-2时，有PEAI层钙钛矿LED器件的时变EA谱；

c）在电流密度为100mA cm^-2时，无PEAI层的钙钛矿LED器件的时变EA谱。

图5

a-b）钛矿表面晶格结构（左面板）和未经PEAI钝化处理的钙钛矿LEDs a）和b）的器件模型（右面板）的示意图。蓝色和红色箭头分别表示电子和空穴的输运方向。

【小结】

研究者利用电吸收光谱技术来监测钙钛矿LED在运行过程中各功能层的稳定性。通过时间相关的电吸收光谱分析，清楚地表明钙钛矿LED的降解主要发生在钙钛矿层中。基于电荷复合的器件模型，进一步指出这种降解可能是由TFB/钙钛矿界面引起的，界面区的空位、间隙或反晶缺陷会加剧这种降解。为了证实这些假设，研究者引入了一种沉积后表面处理方法来用PEAI钝化钙钛矿表面。在电流密度为100 mA cm^-2的条件下，钝化处理可显著提高镀层的稳定性，使镀层的使用寿命由1.5小时提高到11.3h。这项工作展示了一个有效的工具来探索一个多层结构钙钛矿器件的降解过程。这项发现有助于开发用于钛矿器件稳定性研究的新方法，同时也强调了表面缺陷钝化在提高商业应用中钙钛矿器件稳定性方面的重要性。

文献链接：Degradation Mechanism of Perovskite Light-Emitting Diodes: An In Situ Investigation via Electroabsorption Spectroscopy and Device Modelling. Adv. Funct. Mater. 2020, DOI:10.1002/adfm.201910464