Nano Letter：埋层界面酸性工程实现高效无机 CsPbI3 钙钛矿发光二极管
大家好，今天给大家分享的是Nano Letter上的文章“Acidic Engineering on Buried Interface toward Efficient Inorganic CsPbI3 Perovskite Light-Emitting Diodes”
【摘要】
无机 CsPbI3 钙钛矿因其固有的热稳定性和合适的带隙而成为深红色发光二极管 (LED) 的有前途的发射体。然而，在基于块状薄膜的 LED 中，碱性氧化锌 (ZnO) 基底诱导的不可控 CsPbI3 结晶导致高亮度下的外部量子效率 (EQE) 不足，为商业化进程留下障碍。在此，我们展示了一种有效且适用性广泛的酸性工程策略来改变 ZnO 的表面性质并调节 CsPbI3 结晶。通过系统地选择具有温和酸解离常数的 1,4-环己烷二羧酸来功能化埋置界面，我们减缓了去质子化反应的速度并获得具有高相纯度和更少缺陷的均匀 CsPbI3 薄膜。由此产生的 CsPbI3 钙钛矿 LED (PeLED) 在 3400 cd m−2 的高亮度下表现出创纪录的 19.4% EQE，代表了最先进的块体 CsPbI3 PeLED。这些发现为高效 CsPbI3 PeLED 的进步提供了宝贵的见解。
【背景】
作为下一代发光二极管（LED）的有希望的候选材料，高色纯度和可调带隙的金属卤化物钙钛矿在显示、照明、光通信和生物医学治疗等领域展现出广泛的应用前景。与有机-无机杂化钙钛矿相比，全无机CsPbI3由于其优异的热稳定性和适当的700 nm左右的发射，在制备深红色钙钛矿LED（PeLED）方面表现出巨大的潜力。然而，相稳定性较差的黑相CsPbI3在室温下很容易转变为非光学活性的δ相，因此难以获得高质量的CsPbI3薄膜。已经开发出各种基于配体涂覆量子点的策略来稳定CsPbI3 PeLED，例如强结合配体交换和表面蚀刻。这些方法取得了重大突破，实现了外部量子效率(EQE)超过26%。然而，峰值EQE通常是在低亮度（<10 cd m−2）下实现的，并且合成过程通常很复杂，这不利于商业应用。
基于块体薄膜的 CsPbI3 具有简便的原位溶液加工性和优异的电荷电导率，为制造高亮度 PeLED 提供了可行性。然而，由于易形成的缺陷普遍存在，其 EQE 远远落后于基于量子点的器件。 胶体氧化锌 (ZnO) 是块体 CsPbI3 PeLED 最常用的电子传输层，因为它不仅具有出色的载流子迁移率，而且还可以通过去质子化反应促进结晶过程中黑色相 CsPbI3 的转变。然而，去质子化反应是一把双刃剑，因为强碱性 ZnO 表面会导致过快的界面反应，导致 CsPbI3 结晶过程无法控制。 非钙钛矿 δ 相杂质、不均匀的晶粒尺寸和埋层界面上的大量缺陷将充当非辐射复合中心，导致能量损失在有机太阳能电池中，人们探索了各种方法来改性 ZnO， 但它们缺乏一致性，不适用于无机 CsPbI3。因此，开发一种广泛适用的策略来精确调节 ZnO 的表面性质和在CsPbI3 PeLED 中实现可控的去质子化反应至关重要。
在本研究中，我们报道了一种调节CsPbI3结晶的酸性工程策略。在埋层界面上使用了一系列有机酸，我们发现具有中等酸解离常数（pKa）的1,4环己二甲酸（CHDA）可以有效提高PeLED在高亮度下的性能。通过调控碱性ZnO上的去质子化反应和结晶速率，实现了相纯、均匀的CsPbI3薄膜，该薄膜具有抑制非辐射复合、增强的光致发光量子产率（PLQY）和均匀的峰值波长光致发光（PL）映射。因此，CHDA功能化的CsPbI3 PeLED表现出19.4％的峰值EQE和6457 cd m−2的最佳亮度。此外，CHDA器件可以同时实现高亮度和高EQE，即在亮度为3400 cd m−2时EQE为19.4%，在亮度为6200 cd m−2时EQE为15.3%。
图 1. 埋层界面上的酸性工程。
图 2. CsPbI3 薄膜的结晶。
图 3. 酸性工程机制。
图 4. 钙钛矿薄膜的光电特性。
图5. PeLED结构与性能
【结论】
综上所述，我们开发了一种酸性工程策略，实现了可控的去质子化反应和均质的 CsPbI3 结晶。所获得的 CsPbI3 薄膜表现出高相纯度、均匀的晶粒尺寸分布以及埋层界面上更少的缺陷。通过这种方法，钙钛矿的光电性能得到极大提高，包括提高的 PLQY、延长的 PL 寿命和均匀的 PL 映射轮廓。所得的 CsPbI3 PeLED 表现出 19.4% 的最佳 EQE 和 6457 cd m−2 的明亮亮度。在 200 mA cm−2 的高恒定电流密度下测试的工作寿命达到 2.2 小时，与初始亮度为 926 cd m−2的对照设备相比增加了 7 倍。此外，PeLED 还具有低滚降，在 3400 cd m−2的高亮度下可以实现 19.4% 的高 EQE。我们的工作提供了一种调节 ZnO 表面特性和实现高质量黑相 CsPbI3 结晶的替代方法，并展示了调节去质子化反应的重要性和实现高亮度高效 CsPbI3 PeLED 的潜在潜力。
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原文DOI： https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c05694
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