金属卤化物钙钛矿具有许多优异的光电性能，例如高吸收系数、窄发射光谱(半高宽(FWHM)≈20 nm)、可调控的发射波长(400 nm≤λ≤780 nm)、以及高电荷载流子迁移率。钙钛矿通常由低成本元素组成，具有可溶液加工性，因此被广泛用作光收集材料和发光体，可大规模生产以实现大型太阳能电池、显示器和固态照明器件的商业化。
然而，金属卤化物钙钛矿在大面积显示器中的高成本效益、高通量工业应用一直受到控制前驱体至多晶薄膜形成过程的阻碍，这导致晶体的随机生长以及不均匀的大晶粒形成，从而降低大面积PeLEDs的电致发光效率。在本文中，作者通过采用胶体钙钛矿纳米晶(PNCs)将钙钛矿的结晶与成膜有效分离，成功开发出一种高效、高均匀性的大面积PeLEDs。在像素尺寸为4 mm2的情况下，采用均匀棒涂覆PNC薄膜的PeLEDs实现高达23.26%的EQE值。即便用于高重复性的102 mm2大像素面积下，EQE值仍保持在22.5%。
第一作者：Young-Hoon Kim、Jinwoo Park、Sungjin Kim.
通讯作者：Tae-Woo Lee
通讯单位：首尔大学
DOI: 10.1038/s41565-022-01113-4
亮点解析
胶体PNCs用于大面积PeLEDs
作者采用一种可以使残留溶剂快速蒸发的改性棒涂覆(m-bar-coating)策略打印胶体钙钛矿纳米晶(PNCs)，成功地解决大面积PeLEDs中的低EL效率和不均匀性问题。与旋涂的小面积PeLEDs相比，m-Bar涂覆的PNC薄膜可以显著降低大面积PeLEDs中的EL效率衰减问题(图1a)。在制备出的PNC薄膜中，表面封端的有机配体可以有效地抑制PeLEDs运行过程中的离子迁移和电荷捕获。此外，与传统多晶块体薄膜在成膜过程中的结晶方法不同，配体介导的PNC预结晶在非极性溶剂中的溶剂化，以及通过m-bar涂覆的快速溶剂蒸发可提供不受成膜过程影响的晶体结构，从而形成均匀的大面积PNC膜。如图1b-d所示，m-bar涂覆形成PNC膜的均匀性与旋涂制备出的PNC膜非常相似。
图1. 用于大面积棒涂覆PeLEDs的胶体PNCs表征：(a)左侧为抑制电荷捕获与离子迁移示意图，中间为m-bar涂覆制备均匀PNC薄膜示意图，右侧为基于m-bar涂覆PNC薄膜的高效大面积PeLEDs器件结构；(b)m-bar涂覆和旋涂PNC膜的光致发光(PL)密度；m-bar涂覆薄膜(c) SEM和(d)AFM图与横截面粗糙度。
在PNCs薄膜中离子迁移与电荷捕获的抑制
在电容-频率(C–f)测试中，当频率<105 Hz时，含有多晶薄膜(多晶-PeLEDs)的PeLEDs显示出比含有PNC薄膜(PNC-PeLEDs)更高的电容(图2a)；当频率降低至105 Hz以下时电容的增加来自于离子的弛豫。与多晶-PeLEDs相比，PNC-PeLEDs更低的电容表示PNC膜中的离子迁移受到抑制，图2b的电容-电压(C–V)测试进一步证明了这一点。因此，与多晶-PeLEDs相比，PNC-PeLEDs在低频率下的低电容幅度表明PNC膜具有高质量的表面，其电荷表面缺陷和表面累积的电荷物种在很大程度上被抑制。
图2. 在PNCs薄膜中离子迁移与电荷捕获的抑制。
如图2c所示，随着磁场强度的增加，于>100 mW cm–2的光激发可导致FAPbBr3多晶薄膜的PL强度逐渐降低。相比之下，FAPbBr3 PNC薄膜的PL强度则不受磁场影响(图2d)。上述研究表明PNC薄膜中形成的电子-空穴对具有更强的结合能和交换相互作用，可排除施加磁场时亮态和暗态之间转化的扰动。此外，多晶-PeLEDs在0.5 ms显示出亮度饱和并下降至60%的亮度超调稳态值(图2e)，而PNC-PeLEDs则不会出现超调(图2f)。
利用改性棒涂覆制备出均匀的大面积PNC薄膜
研究表明，通过m-bar涂覆制备出的PNC薄膜在大面积(3× 3 cm2)上显示出高度均匀的表面粗糙度、PL强度、吸收和PL寿命，与旋涂PNC薄膜相当(图3a-c)。此外，得益于更大的厚度（分别为~33 nm和~25 nm），m-bar涂覆PNC薄膜的吸收和PL强度还略高于旋涂PNC薄膜。未经任何进一步处理的m-Bar涂覆多晶薄膜显示出(1)吸收光谱无法测试，(2)强度大大降低的红移PL(位于553 nm处的峰)，(3)极大延长的PL寿命(1785 ns)，而旋涂多晶薄膜的PL峰和PL寿命分别为545 nm和214.4 ns (图3d-f)。
图3. m-bar涂覆和旋涂制备出PNC和多晶薄膜的光物理分析。
棒涂覆大面积PeLEDs实现高EL效率
如图4a-c所示，m-bar涂覆FA0.875GA0.125PbBr3PNC-PeLEDs表现出高达23.26%的EQE值，与旋涂FA0.875GA0.125PbBr3 PNC-PeLEDs的值相当(23.12%)。值得注意的是，m-bar涂覆FA0.875GA0.125PbBr3 PNC-PeLEDs的EQE值是采用全角度EL分布计算得出的(图4d)。在图4e所示的52器件中，m-bar涂覆FA0.875GA0.125PbBr3PNC-PeLEDs具有高重复性，且在530 nm处表现出尖锐的EL光谱(FWHM=20 nm)。
图4. FA0.875GA0.125PbBr3 PNC-PeLEDs的性质。
即便在102 mm2的大像素区域中，具有高可重复性的m-bar涂覆PNC-PeLEDs于20器件中仍可保持高达22.5%的EQE值(图5a-c)，优于此前报道的刀片涂覆MAPbI3多晶薄膜基大面积PeLEDs (在100 mm2的EQE为12.7%)。此外，这种明亮且均匀的PeLEDs在900 mm2的像素区域中仍可维持21.46%的高EQE值(图5d-e)，远高于此前报道的旋涂准二维多晶薄膜基大面积PeLEDs (在900 mm2的EQE为16.4%；图5f)。
图5. 大面积FA0.875GA0.125PbBr3PNC-PeLEDs的性质。
文章展望
该工作是采用打印PNC薄膜在PeLEDs领域的首次展示，所制备出的PeLEDs即便在900 mm2的像素区域仍能保持高达21.46%的EQE值，这意味着钙钛矿发光体在工业显示器和固态照明领域的发展中迈出的重要一步。
文献来源
Young-Hoon Kim, Jinwoo Park, Sungjin Kim, Joo Sung Kim, Hengxing Xu, Su-Hun Jeong, Bin Hu, Tae-Woo Lee. Exploiting the full advantages of colloidal perovskite nanocrystals for large-area efficient light-emitting diodes. Nature Nanotechnology. 2022. DOI: 10.1038/s41565-022-01113-4.
文献链接：https://doi.org/10.1038/s41565-022-01113-4
转自：闪思科研空间 2022-05-20 10:34
文章来源于邃瞳科学云 ，作者萧瑟
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