郑州大学高效稳定钙钛矿LED研究取得进展
近日，郑州大学材料物理教育部重点实验室的史志锋副教授等人与吉林大学合作，在新型钙钛矿基发光器件方面取得新进展，成功制备出高效稳定的全无机钙钛矿绿光LED，该器件表现出非常优异的工作稳定性。相关结果发表在《纳米快报》上。
钙钛矿材料最初引起人们的广泛关注是在新型太阳能电池领域，在短短的几年内钙钛矿基太阳能电池已实现超过22%的转换效率，展现出良好的应用前景。但是，受限于钙钛矿薄膜较差的成膜特性以及相对较低的荧光量子效率，其在发光、显示以及激光领域的发展一直比较缓慢。同时，稳定性不高也一直制约着传统有机-无机杂化钙钛矿材料在光电器件中的应用。为了克服以上困难，研究人员尝试采用全无机钙钛矿CsPbBr3量子点作为发光层来改善器件的发光性能。该新型量子点体系采用简单的低温溶液方法制备，荧光量子效率超过85%，较传统的镉系量子点具有更高的发光纯度。
图1：（a）CsPbBr3量子点的透射电子显微镜照片，插图为单个CsPbBr3量子点高分辨透射电镜图；（b）CsPbBr3量子点的尺寸分布图；（c）CsPbBr3量子点的能量色散谱图；（d）CsPbBr3量子点薄膜的X射线衍射图；（e）CsPbBr3量子点溶液的光发射和吸收谱，以及n-MgZnO和p-MgNiO薄膜的吸收谱；（f）CsPbBr3量子点溶液的瞬态荧光曲线。
图2：（a）上方为p-MgNiO/CsPbBr3/n-MgZnO/n+-GaN异质结器件的制备流程图，下方为每一层所对应的扫描电子显微镜表面形貌图；（b）器件结构示意图；（c）整个器件结构的断面扫描电子显微镜照片；（d）该多层异质结够的简化能带示意图。
图3：（a）该发光器件的电流密度-电压曲线以及亮度-电压曲线；（b）器件在不同电压下的电致发光谱以及6伏驱动电压下的发光照片；（c）器件的电流效率-电压曲线以及外量子效率-电压曲线；（d）器件的色坐标图，以及器件工作时照亮“郑州大学”logo的实物图。（e）实验证实：钙钛矿绿光LED可用于激发CdSe量子点的荧光发射；（f）钙钛矿LED的发光区域在不同驱动电压下的显微镜照片，用于评价器件的发光均匀性。
图4：（a）工作电压为8伏时，钙钛矿LED的发光强度随时间的变化；（b）钙钛矿LED连续工作10小时下的发光强度衰减曲线，插图显示在不同工作时间内的器件发光照片；（c）钙钛矿LED连续工作10小时内电致发光谱的演变。
对于钙钛矿LED而言，工作稳定性是限制其走向实用化的关键。而目前已报道的钙钛矿基LED均是采用有机或聚合物材料作为电荷注入层，其本身的不稳定性不利于器件在大电流下的长时间工作。郑州大学材料物理教育部重点实验室的史志锋等人创新性地采用无机氧化物半导体作为电荷注入层，首次制备出基于CsPbBr3量子点的全无机异质结构（p-NiMgO/CsPbBr3/n-MgZnO/n+-GaN），该器件的亮度可达3809 cd/m2，外量子效率约为2.39%。更重要的是，该多层异质结构器件在无封装、空气环境条件下，可在直流驱动下连续工作10小时以上，其工作稳定性要大大优于采用传统聚合物材料（如PCBM、PEDOT等）作为载流子注入层的钙钛矿LED报道。该器件结构既可以充分发挥CsPbBr3量子点材料高光学增益的独特优势，又能结合Zn(Mg)O、Ni(Mg)O系薄膜材料工艺成熟、导电稳定和结晶特性良好等优点，对于新型钙钛矿LED的研制及其电致发光的物理机制研究具有重要意义。这对未来高稳定性钙钛矿基LED的设计与发展提供了新的思路，有望推动其产业化进程。
该工作得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金以及郑州大学优秀青年教师发展基金等项目的支持。
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来源：郑州大学
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