【暨南大学麦耀华课题组】真空辅助结晶制备大面积钙钛矿发光二极管

2021-12-21 13:34:40, 光电行业都会关注北京卓立汉光仪器有限公司

可溶液加工的金属卤化物钙钛矿发光二极管（PeLED）的外量子效率已经超过20%，并凭借优异的光电性能，被认为是一种极具应用前景的新型电致发光器件。暨南大学麦耀华课题组开发了一种基于真空辅助结晶的刮涂法沉积制备出致密、均匀、发光效率高的PeLED器件，外量子效率达到8.24%（0.12cm²）和6.12%（1cm²），有效发光面积3.5×3.5cm²。结果表明，真空淬火结合可拓展涂层工艺在大面积发光二极管制备领域的潜在实用性。

可溶液加工的金属卤化物钙钛矿发光二极管（PeLED）的外量子效率已经超过20%，并凭借优异的光电性能，被认为是一种极具应用前景的新型电致发光器件。然而，目前高效率器件的钙钛矿发光层多使用旋涂法结合反溶剂结晶工艺沉积，器件的有效发光面积在10 mm²左右。因此，如何开发制备大面积高质量钙钛矿发光薄膜，已成为钙钛矿发光二极管在大面积照明和显示中的应用的主要问题之一。

基于涂布印刷制备高质量钙钛矿薄膜是制备大面积PeLED的方法之一，其主要挑战是有效调控富含溶剂的钙钛矿湿膜的结晶过程。近期，暨南大学麦耀华团队报道了一种简单可靠的基于真空辅助结晶的钙钛矿薄膜制备工艺，成功制备出高度致密、结晶性好、光致发光效率高的钙钛矿薄膜。作者首先通过刮涂法沉积一层钙钛矿前驱体湿膜，为了防止溶剂挥发过程中钙钛矿组分的迁移和聚集，他们将钙钛矿湿膜在室温下进行真空溶剂淬灭，形成中间相；最后经过退火得到致密且结晶性好的钙钛矿发光薄膜（图1a）。基于真空辅助结晶工艺可以将前驱体湿膜沉积和热退火进行有效分离，从而实现结晶动力学可控，避免了严重的相分离以及微观孔洞的形成（图1b-1e）。

图1.（a）真空辅助结晶工艺制备(PEA)₂Csn-1PbnBr3n+1薄膜的示意图；（b-e）不同结晶工艺的(PEA)2Csn-1PbnBr3n+1薄膜的SEM图：（b）对前驱体湿膜直接退火，（c）室温下溶剂蒸发完再退火，（d）仅真空处理，（e）真空处理后再退火；SEM图像中的比例尺为500 nm。

在准二维钙钛矿薄膜中，不同层数的低维相和三维钙钛矿的组成对载流子在薄膜中的传输至关重要。因此，作者通过调节间隔阳离子PEABr的用量来调控低维相和三维钙钛矿的相对比例。如图2a-c所示，添加较低摩尔比例的PEABr的薄膜中主要形成三维钙钛矿，而过量的PEABr制备的薄膜则主要由较小层数的准二维钙钛矿组成。相比之下，适量（40%）的PEABr则生成了相对均衡的不同n值的低维相和三维钙钛矿，实现了载流子在不同相之间的快速转移（图2d-f）。最终，基于40%PEABr钙钛矿薄膜制备的PeLED器件实现了8.24%（0.12 cm2）和6.12%（1 cm2）的外量子效率（图3a，b）。

图2.（a）20%、（b）40%、（c）60% PEABr比例的(PEA)₂Cs_n-1Pb_nBr_3n+1薄膜的瞬态吸收光谱，及其能量转移过程。

此外，为了验证大面积制备的均匀性，作者同时使用旋涂法制备了钙钛矿薄膜，通过PL成像研究发现基于真空辅助结晶的刮涂法制备的钙钛矿薄膜具有更好的均匀性（图4c，d）。最后，基于涂布印刷制备了有效发光面积为3.5×3.5 cm2的PeLED器件，进一步证明了该结晶工艺在大面积发光二极管制备领域的潜在实用性。

图3.（a）小面积（0.12 cm2）器件的EQE曲线图；（b）1 cm2钙钛矿发光器件的J-V-L曲线图；基于旋涂法（c）和真空辅助结晶的刮涂法（d）制备的大面积（5×5 cm2）钙钛矿薄膜的PL成像；（e）发光面积为3.5×3.5 cm2 的钙钛矿发光器件的照片。

结论

本文中，暨南大学麦耀华课题组开发了一种基于真空辅助结晶的刮涂法沉积制备高质量钙钛矿薄膜。首先通过刮涂法沉积前驱体湿膜的真空淬火工艺，制备出致密、均匀、发光效率高的钙钛矿薄膜，其次进一步微调有机配体的含量，实现了二维和三维相的均匀分布，制备了8.24%（0.12 cm2）和6.12%（1 cm2）的外量子效率，有效发光面积3.5×3.5 cm2的PeLED器件。结果表明，真空淬火结合可拓展涂层工艺在大面积发光二极管制备领域的潜在实用性。

本研究采用的是北京卓立汉光仪器有限公司OmniFluo900系列稳态瞬态荧光光谱仪系统和江苏双利合谱科技有限公司GaiaFluo系列高光谱荧光测试系统，如需了解该产品，欢迎咨询，咨询电话：010-56370168。

OmniFluo900系列稳态瞬态荧光光谱仪产品（图）

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暨南大学麦耀华课题组简介

暨南大学新能源技术研究院成立于2016年8月，以国家“海外高层次人才引进计划”特聘专家麦耀华教授为学术带头人，目前已发展成为一个国内外知名的高水平新能源技术创新研发平台。研究院拥有实验场地2000 m²，已经建立起光伏材料和器件的制备实验室和综合测试实验室。购置了包括PECVD/HWCVD cluster、多靶磁控溅射、热蒸发、电子束蒸发、手套箱等一系列材料和器件的制备设备，和包括SEM、XRD、XRF、电化学工作站、太阳模拟器、量子效率测试仪、少子寿命测试仪、半导体特性分析仪等一系列材料与器件表征设备，可以充分满足科研项目的开展。新能源技术研究院当前下设高效率晶体硅太阳电池、化合物薄膜太阳电池、新型薄膜太阳电池、光伏组件与系统和锂离子储能电池等五个研究方向，正在执行项目包括铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳电池、碲化镉(CdTe)薄膜太阳电池、钙钛矿太阳电池、固态电解质锂离子储能电池等省部级项目20余项，相关研究工作发表在Nature communications、JACS、EES、AEM、AFM、Nano Energy等国际知名期刊上。

文章信息

相关成果以“Vacuum-Assisted Preparation of High-Quality Quasi-2D Perovskite Thin Films for Large-Area Light-Emitting Diodes”发表在Advanced Functional Materials上。暨南大学博士研究生陈超然为第一作者，暨南大学麦耀华教授和郭飞教授为通讯作者，合作单位包括南方科技大学、浙江大学和郑州大学。

文章信息：DOI:10.1002/adfm.202107644

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