Adv. Funct. Mater.: 電吸收光譜原位揭示鈣鈦礦LED降解機理

Adv. Funct. Mater.: 電吸收光譜原位揭示鈣鈦礦LED降解機理

【引言】

??鈣鈦礦LED獲得廣泛的研究，并且在發光效率方面取得一系列重要突破。但是穩定性是幾乎所有鈣鈦礦型光電器件的普遍問題。在電流密度高、能量轉換效率低的鈣鈦礦LEDs中，穩定性問題尤為突出。目前已經有許多研究者通過各種研究手段對鈣鈦礦太陽能電池和LED的降解機理進行研究。包括原位X射線衍射（XRD）相演變監測，飛行時間二次離子質譜法研究鈣鈦礦薄膜的水滲透性，以及時間分辨光致發光測量等。盡管取得了一些成果，但是在由多個功能層和界面組成的器件中，降解發生在何處以及如何發生的基本問題仍然存在。

【成果簡介】

??近日，香港中文大學趙鈮團隊利用電吸收光譜技術原位研究了鈣鈦礦LED的講解機理，并且通過電荷復合的器件模型模擬了降解發生的原因與位置。此外研究者引入了一種沉積后表面處理方法來用PEAI鈍化鈣鈦礦表面進一步從實驗方面證實這些假設。文章發表在Adv. Funct. Mater.上，題目為“Degradation Mechanism of Perovskite Light-Emitting Diodes: An In Situ Investigation via Electroabsorption Spectroscopy and Device Modelling”。

【圖文簡介】

圖1

a） 鈣鈦礦LED器件的結構示意圖；

b） 器件的能帶圖；

c） 不同工作偏壓下的電致發光光譜；

d） 本文所監測的典型鈣鈦礦LED的電流-電壓曲線和電流-輻照度和電流-亮度關系；

f） 當恒流密度為100mA cm^-2時，EQE隨時間衰減。

圖2

a) 時間相關ZnO和TFB層的一次諧波電吸收譜（EA）；

b）在電流密度為833 mA cm^?2時制備的鈣鈦礦層的二次諧波EA。

圖3

a）導帶以下能級為0.03 eV的碘空位缺陷，注入電流密度為100 mA cm^-2的鈣鈦礦LED器件的模擬復合速率；

b）能級高于價帶0.04 eV的鉛空位缺陷，注入電流密度為100 mA cm^-2的鈣鈦礦LED器件的模擬復合速率；

c）價帶上能級為0.6 eV的碘間隙缺陷陷阱，注入電流密度為100 mA cm^-2的鈣鈦礦LED器件的模擬復合速率；

d）價帶以上能級為1.0 eV的反位錯鉛缺陷陷阱，注入電流密度為100 mA cm^-2的鈣鈦礦LED器件的模擬復合速率；

e）非輻射復合速率沿垂直方向的分布。

圖4

a）不同PEAI濃度下器件的電流-電壓曲線對比；

b）不同PEAI濃度下器件的亮度與電流密度曲線對比；

c）有PEAI層和無PEAI層鈣鈦礦LED器件的EL譜；

d）有PEAI層和無PEAI層PeLED器件的工作穩定性的比較；

c）在電流密度為100mA cm^-2時，有PEAI層鈣鈦礦LED器件的時變EA譜；

c）在電流密度為100mA cm^-2時，無PEAI層的鈣鈦礦LED器件的時變EA譜。

圖5

a-b）鈦礦表面晶格結構（左面板）和未經PEAI鈍化處理的鈣鈦礦LEDs a）和b）的器件模型（右面板）的示意圖。藍色和紅色箭頭分別表示電子和空穴的輸運方向。

【小結】

研究者利用電吸收光譜技術來監測鈣鈦礦LED在運行過程中各功能層的穩定性。通過時間相關的電吸收光譜分析，清楚地表明鈣鈦礦LED的降解主要發生在鈣鈦礦層中。基于電荷復合的器件模型，進一步指出這種降解可能是由TFB/鈣鈦礦界面引起的，界面區的空位、間隙或反晶缺陷會加劇這種降解。為了證實這些假設，研究者引入了一種沉積后表面處理方法來用PEAI鈍化鈣鈦礦表面。在電流密度為100 mA cm^-2的條件下，鈍化處理可顯著提高鍍層的穩定性，使鍍層的使用壽命由1.5小時提高到11.3h。這項工作展示了一個有效的工具來探索一個多層結構鈣鈦礦器件的降解過程。這項發現有助于開發用于鈦礦器件穩定性研究的新方法，同時也強調了表面缺陷鈍化在提高商業應用中鈣鈦礦器件穩定性方面的重要性。

文獻鏈接：Degradation Mechanism of Perovskite Light-Emitting Diodes: An In Situ Investigation via Electroabsorption Spectroscopy and Device Modelling. Adv. Funct. Mater. 2020, DOI: 10.1002/adfm.201910464