Advanced Science吕宥蓉&阙居振如何缓解准二维钙钛矿光电二极体效率衰减

更新时间:2023-07-11      点击次数:316

Advanced Science (IF:17.521)吕宥蓉&阙居振 _缓解准二维钙钛矿光电二极体效率衰减的新策略


随着全球能源转型的迫切性不断增强,太阳能已成为一种重要的替代能源。

在众多可用技术中,特别是钙钛矿光电二极体(PeLEDs)这类太阳能光伏技术已在科学界广受关注。

值得注意的是,准二维钙钛矿材料作为PeLEDs的一个子类别,由于量子限制效应和不同n相之间的有效能量传递,展现出良好的光学特性。

然而,这些有前途的材料常常受到导电性差、载流子注入不佳以及在高电流密度下效率衰减严重等问题的困扰,限制了它们在太阳能转换中的应用潜力。

来自中研院副研究员吕宥蓉与中国台湾大学化工系副教授阙居振等研究学者所共组团队最近发表了一篇研究,该研究旨在改善准二维钙钛矿光电二极体(PeLEDs)的性能。此团队致力于提高亮度、减少陷阱密度以及减缓高电流密度下的效率衰减问题。

研究团队提出了一种创新方法,以增强这些准二维PeLEDs的性能,主要集中在提高亮度、减少陷阱密度和降低效率衰减等方面。

PeLEDs的概念理解及其限制

这项技术的核心在于钙钛矿材料的特性。

这些材料通常是混合有机无机铅或锡卤化物,对于光伏应用具有良好的光吸收、载流子迁移率和发射特性等诱人特性,然而当这些材料在PeLEDs的准二维配置中应用时,它们的性能却受到一系列限制因素的限制。然而准二维钙钛矿材料,尽管具有良好的稳定性、可调节能隙和较高的光致发光量子产率,但导电性降低且载流子注入减少,这些问题导致在增加的电流密度下出现显著的效率衰减,降低了亮度和整体器件性能。

解决准二维PeLEDs效率衰减问题

本研究探索了一种新方法,通过在钙钛矿和电子传输层之间的界面添加一层薄的导电胆碱氧化物来缓解这些缺点。

这种创新方法出人意料地并未增强钙钛矿膜中不同准二维相之间的能量传输。相反,它显著改善了钙钛矿界面的电子特性,引入这一额外的层次解决了两个关键难关。首先,它对钙钛矿膜中的表面缺陷进行了去活化处理。其次,它促进了电子注入并限制了界面上的空穴泄漏。

结果,经过优化的纯Cs基准二维器件展现出超过70,000 cd m−2的亮度、10%以上的最大外部量子效率(EQE)以及在高偏压下显著降低的效率衰减,这些数据与对照组器件相比呈现出明显的改善,显示了所提出技术的有效性。

实验方法与材料

研究中探索了在准二维钙钛矿中引入导电胆碱氧化物PPT和PPF以减少光电器件效率衰减的潜在优势,重点放在在沉积电子传输层(ETL)之前,在钙钛矿膜上添加PPT或PPF额外层次的应用上,这个过程被认为可以增强载流子注入并去活化表面缺陷,从而抑制非辐射复合。

对修改过的钙钛矿膜进行初步研究时,未观察到结晶度或相分布的明显变化。X射线衍射(XRD)和紫外可见吸收光谱(UV-Vis)证实了修改对相分布和膜质量没有影响,此外,PPT和PPF的应用并未显著改变膜的形态,这一点得到了扫描电子显微镜(SEM)的确认。

为了了解这些修改对载流子动力学的影响,使用稳态光致发光(PL)光谱和时间分辨光致发光(TRPL)测量。在修改后的两个膜中观察到明显的PL熄灭,表明钙钛矿层和PPT/PPF层之间发生了载流子传输。此外,修改后的两个膜中的平均载流子寿命增加,表明有效去活化。

作为对这些修改与钙钛矿相互作用的补充,使用核磁共振(NMR)、静电势(ESP)图和X射线光电子能谱(XPS)检测了PPT/PPF和钙钛矿之间的相互作用。这些测试的数据确认了后处理过程中PPT/PPF层成功旋涂到钙钛矿膜上。结果表明,磷酸胆碱氧化物中的P=O基团成功地与表面缺陷和空位协同作用,形成优势的去活化效应。


在令人期盼的发现之后,基于修改过的钙钛矿膜制作了PeLEDs并与对照器件进行了比较。PPT和PPF的修改都显著提高了性能,防止了从钙钛矿层向ETL的空穴泄漏,并促进了电子传输。修改后的器件亮度是对照器件的两倍以上,并在高电压下显著降低效率衰减。这些结果突显了在纯Cs基准二维钙钛矿PeLEDs中使用PPT和PPF磷酸胆碱氧化物的潜力。

总之,引入导电胆碱氧化物以去活化准二维钙钛矿材料在提高光电器件性能方面提供了令人寄予厚望的策略,未来进一步的研究将有助于优化这些材料在未来器件结构中的应用。


在这项研究中,研究团队使用了Enlitech LQ100X-PL光致发光和发光量子产率测试系统,光焱科技这一款PLQY量测设备具有紧凑设计和NIST可追踪性的优势,其设备仅有502.4毫米(长)x 322.5毫米(宽)x 352毫米(高)的尺寸,提供了一个节省空间的解决方案,与手套箱集成再也不是难题,这种手套箱集成能力对一就实验尤其重要,可以在避免水解或氧化的情况下进行精确测量,避免测试物品的效率因水氧而降低应有的效率。


LQ-100X-PL的先进仪器控制软件使其能够进行原位时间光致发光

光谱分析并同时生成2D和3D图形。这种能力加速了材料表征过程,快速获得对样品的洞察。此外,LQ-100X-PL的光学设计将光谱波长范围从1000纳米扩展到1700纳米,并且与多种样品类型兼容,包括粉末、溶液和薄膜。这些特点凸显了该系统的多功能性,并在成功完成本研究中发挥了关键作用。

本研究总结性地证明了策略性界面工程能够显著提高准二维PeLEDs的性能。

通过在钙钛矿/电子传输层界面处引入薄的导电胆碱氧化物层,能够减少表面缺陷并促进载流子动力学的改善。这种增强的电子注入和改善的空穴阻挡效应使得器件亮度提高并在高电流密度下减少效率衰减。这项研究揭示了界面特性在PeLEDs性能中的关键作用,为未来在该领域的研究和开发开辟了新的途径。



a) PPT和PPF的化学结构,后处理过程的示意图以及界面工程的插图。 b) 原始、PPT处理和PPF处理的钙钛矿薄膜的PL发射光谱,c) PLQYs,d) TRPL曲线,其中PLQYs是通过368 nm激光测量的。


31P NMR谱图,包括a) PPT和b) PPF及其与不同钙钛矿前体成分的混合物。c) PPT分子的ESP图。d) Pb 4f信号的XPS谱图,涵盖原始的、PPT修饰的和PPF修饰的钙钛矿薄膜。e) 表示PPT在钙钛矿表面的钝化功能的示意图。


a) 制造的PeLEDs的结构和b)能级图。 c) JVL 特性,d) 归一化EQE电压曲线,e) 归一化EQE电流密度曲线和f) 制造的器件的EQE亮度曲线。


使用可见区域的瞬态吸收(TA)颜色图,分别展现 a)原始的、 b)PPT 修改的和 c)PPF 修改的钙钛矿薄膜。原始的、 PPT 修改的和 PPF 修改的钙钛矿薄膜的超快时间分辨 TA 谱分别为 d)、 e)和 f)。在 505 nm 的探测波长下,展示了 g)原始的、 h)PPT 修改的和 i)PPF 修改的钙钛矿薄膜的功率依赖载流子动力学。


a) 对控制、PPT修饰和PPF修饰器件进行的EIS分析和b) 电容-电压曲线。 c) 原始、PPT修饰、PPF修饰钙钛矿薄膜和TPBi的能级。 d) 修饰器件中更好的载流子动力学的示意图。


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