黄维院士、王建浦教授团队Nat. Commun.：钙钛矿基高效深红光发光二极管

近年来，钙钛矿材料成为新一代的明星材料，其研究开发热潮大有超越石墨烯之势，引起了国际同行广泛关注。由于无机钙钛矿CsPbI₃具有合适的带隙（~1.7 eV）和优异的热稳定性，在光伏电池、发光二极管等光电器件的研究中引起了广泛的兴趣。然而形成具有光电活性的黑相CsPbI₃，一般需要高温退火（300 ~ 370 ℃）以克服相转变所需要的能垒。并且在外界环境下，黑相CsPbI₃很容易自发转变成不具有光电活性的黄相，从而限制了其在光电器件中的应用。前人的研究表明，在钙钛矿电池的前驱体溶液中加入氢碘酸可以有效降低成相温度，虽然其作用机制还存在争议性。但是针对发光应用而言，这种低温成相法制备的钙钛矿薄膜的缺陷偏高以及荧光量子效率低下（小于1 %），导致无法制备高性能发光二极管器件。另外，CsPbI₃胶体量子点虽然可以实现高效的发光，但是高质量的量子点合成同样需要利用高温热注入过程，且后期需要复杂的配体处理。同时，量子点发光涉及激子过程，容易发生非辐射俄歇复合，进而导致发光器件在大电流下效率滚降，影响器件应用。

近日，南京工业大学黄维院士、王建浦教授课题组的伊昌副教授提出了通过中间相工程，调控相转变路径，低温制备可高效发光的CsPbI₃薄膜的新思路。通过引入有机胺盐，在原位成膜过程中首先低温形成了一种中间相（一维或二维钙钛矿），随后在氧化锌基底吸质子作用下分解并与游离的铯离子发生离子置换，形成黑相CsPbI₃（图1）。反应动力学研究表明，此类型的相转变路径可以有效降低形成黑相CsPbI₃所需要的活化能垒（图2），而且具有普适性，针对多种不同的有机铵盐都有类似效果。这种低温制备的黑相CsPbI₃薄膜具有很高的质量，荧光量子效率达到38%（图3）。制备的发光二极管外量子效率（EQE）达到10.4%，在100 mA cm^-2大电流下EQE保持在8%，红光钙钛矿器件效率滚降得到明显抑制（图4）。

图1. 黑相CsPbI₃形成过程。（a）时间演化的XRD衍射图；（b） 咪唑的N 1s元素的XPS图，咪唑阳离子脱质子导致中间相分解；（c）相转变过程示意图。

图2. 黑相CsPbI₃形成过程的动力学曲线及反应活化能。

图3. 黑相CsPbI₃结构与光学性能。（a）XRD衍射图；（b）紫外及荧光光谱图；（c）表面形貌的SEM图;（d）光强依赖的荧光量子效率曲线。

图4. CsPbI₃ LED光电特性。（a）器件能级结构图；（b）器件截面的SEM图；（c）不同电压下的EL图；（d）电流与电压、亮度曲线图；（e）EQE与电流密度曲线图；（f）100 mA cm^-2下器件寿命和EL光谱稳定性测试图。

这一成果是与瑞典林雪平大学高峰教授课题组合作完成的，近期发表在Nature Communications（《自然•通讯》）杂志上。伊昌副教授和硕士研究生刘超为共同第一作者，通讯作者为黄维院士、王建浦教授和高峰教授。该研究工作得到了中国国家自然科学基金委员会以及欧洲研究委员会的经费支持。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Intermediate-phase-assisted low-temperature formation of γ-CsPbI₃ films for high-efficiency deep-red light-emitting devices

Chang Yi, Chao Liu, Kaichuan Wen, Xiao-Ke Liu, Hao Zhang, Yong Yu, Ning Fan, Fuxiang Ji,Chaoyang Kuang, Bo Ma, Cailing Tu, Ya Zhang, Chen Xue, Renzhi Li, Feng Gao, Wei Huang & Jianpu Wang

Nat. Commun., 2020, 11, 4736, DOI: 10.1038/s41467-020-18380-1

导师介绍

黄维

https://www.x-mol.com/university/faculty/27680

王建浦

https://www.x-mol.com/university/faculty/27701