解析钙钛矿LED发光持续时间短的问题

在过去的几年中，有机金属卤化物钙钛矿基发光二极管（PeLEDs）的效率有了显著的提高。然而，器件运行稳定性差的问题阻碍了该技术在实际应用中的商业化。尽管人们对钙钛矿薄膜的降解机理进行了广泛的研究，但人们仍然不清楚钙钛矿薄膜在什么地方以及如何发生降解。

来自香港中文大学和中山大学的一项最新研究表明，降解可能从钙钛矿和空穴输送层之间的界面开始，空位、反位或间隙缺陷可以进一步加速这种降解。采用苯乙碘化铵钝化钙钛矿表面，在电流密度为100 mA·cm-2的情况下，钝化后的膜稳定性大大提高，操作寿命由1.5 h提高到11.3 h。相关论文以题为“Degradation Mechanism of Perovskite Light-Emitting Diodes： An In Situ Investigation via Electroabsorption Spectroscopy and Device Modelling”发表在Advanced Functional Materials上。

有机金属卤化物钙钛矿基发光二极管材料具有制作成本低、可调谐带隙、色纯度高、发光效率高、与柔性基板相容性好等优点，在显示和照明领域具有巨大的应用潜力。近几年来，PeLEDs的发光特性取得了许多研究突破，性能最好的近红外PeLEDs的外量子效率（EQE）和辐射率分别达到了21.6 %和308 W （sr × m2）−1。然而，大多数报道的PeLEDs在操作过程中迅速降解，在数小时内失去发光。稳定性几乎是所有钙钛矿型光电器件的普遍问题，在电流密度高、能量转换效率低的PeLEDs中，稳定性问题尤为突出。

采用电吸收（EA）光谱技术，对降解过程进行了原位研究。光谱技术可以监测材料在电场调制下的光吸收变化，已被应用于各种材料和生物系统的研究。特别是，EA谱已被证明是一个强大的工具，以表征钙钛矿材料的带隙、激子结合能、偶极矩的变化和电荷极化。考虑到不同的配合物具有不同的吸收特征峰，利用EA光谱技术来区分器件中各功能层的性质变化是可能的。例如，先前的研究已经应用EA来研究与有机发光二极管或太阳能电池的不同功能层。本文利用电子能谱来评估每个功能层的稳定性，通过监测其独特的光学特征。利用随时间变化的EA谱分析，清楚地表明降解主要发生在钙钛矿层。

图1 a）PeLEDs器件的结构示意图。b）（a）所示装置的能级图。c）不同工作偏压下的电致发光光谱。d）本文所监测的典型PeLEDs的电流-电压曲线和e）电流-辐照度和电流-亮度关系。f）当电流密度为100 mA cm−2时，EQE随时间衰减曲线。

图2 在a）碘空位缺陷（VI）低于导带的能级为0.03 eV，b）高于价带的能级为0.04 eV的铅空位缺陷（VPb）存在下，我们的PeLEDs器件的模拟复合速率，注入电流密度为100 mA cm−2，c）间隙缺陷陷阱（Ii）能级高于价带0.6 eV，d）能级高于价带1.0 eV的反位错缺陷陷阱（IPb），e）沿垂直方向的非辐射复合速率分布。

图3 a）电流电压特性，b）不同PEAI浓度下的亮度与电流密度的比较。c） EL谱比较，d）有无PEAI层PeLEDs的运行稳定性比较。电流密度为100 mA cm−2时，有e）和无f） PEAI层时随时间变化的EA谱。

图4 钙钛矿表面晶格结构示意图（左面板）和PeLEDs的器件模型（右面板）a）有和b）没有经过PEAI钝化处理。蓝色和红色箭头分别表示电子和空穴的输运方向。