Повышение эффективности перовскитных СИД за счет обработки PEDOT:PSS высокополярными спиртами

Аннотация

Перовскитные светодиоды (PeLED) на стеке ITO/PEDOT:PSS/CH₃NH₃PbBr₃/TPBi/Ag получают существенную выгоду от простой спин-обработки слоя PEDOT:PSS высокополярными спиртами. Обработка метанолом (MeOH) повышает максимальную светимость до 2075 кд·м⁻² и токовую эффективность до 0,38 кд·А⁻¹, превосходя необработанные приборы (261 кд·м⁻², 0,10 кд·А⁻¹). Улучшение обусловлено двумя синергетическими эффектами: (1) усиление впрыска дыр за счет повышенной проводимости PEDOT:PSS, и (2) улучшение кристалличности и покрытия MAPbBr₃ благодаря более высокой поверхностной энергии обработанного слоя. Этот прямолинейный метод предлагает масштабируемый путь к высокопроизводительным PeLED.

Введение

Гибридные перовскиты сочетают низкую стоимость, растворимость, высокую подвижность носителей и настраиваемую запрещенную зону, делая их привлекательными для дисплеев и твердотельного освещения. Их узкий полный ширина на полувысоте (FWHM) и высокий квантовый выход фоtolюминесценции (PLQY) позиционируют их выгодно против органических СИД, позволяя рулонно-рулонную фabricацию и снижение производственной сложности.

С первого растворимообработанного PeLED в 2014 году этапы производительности драматически возросли: от 364 кд·м⁻² светимости и 0,1% EQE до 42,9 кд·А⁻¹ токовой эффективности через оптимизацию прекурсоров, до 11,7% EQE с самоорганизованными квантовыми ямами, и 92% PLQY за счет включения полимеров с низкой диэлектрической постоянной.

Типичная архитектура прибора следует схеме анод/HTL/EML/ETL/катод. PEDOT:PSS — самый распространенный HTL благодаря прозрачности и совместимости с растворимой обработкой, однако его высокий барьер впрыска дыр (0,4–0,7 эВ) относительно HOMO перовскита (5,6–5,9 эВ) ограничивает зарядовый баланс. Конвенциональные стратегии снижения барьера включают легирование PEDOT:PSS перфторированными иономерами или MoO₃, которые, будучи эффективными, усложняют крупномасштабную фabricацию.

В данном исследовании предлагается нелегирующий подход: спин-наложение высокополярных спиртов на PEDOT:PSS перед отжигом. Используя полярность растворителя для экранирования кулоновского взаимодействия PEDOT/PSS, мы селективно удаляем изолирующий PSS и повышаем проводимость PEDOT, одновременно повышая поверхностную энергию, что способствует формированию более мелких, хорошо покрывающих MAPbBr₃ зерен.

Методы

Структура прибора – ITO (15 Ом·кв⁻¹)/PEDOT:PSS (70 нм)/MAPbBr₃ (70 нм)/TPBi (40 нм)/Ag (100 нм). ITO и Ag служат анодом и катодом соответственно.

Подготовка подложки – ITO пластины очищали последовательно в детергенте, ацетоне, деионизированной воде и IPA (по 15 мин каждый) в ультразвуковой ванне, затем 15 мин O₂ плазмой.

Обработка PEDOT:PSS – спин-наложение 5000 об/мин 60 с. Контрольные образцы отжигали при 120 °C 20 мин без растворителя. Опытные образцы получали 30-секундное спин-наложение MeOH, EtOH или IPA при 5000 об/мин, затем отжиг при тех же условиях.

Перовскитный слой – 5 масс.% MAPbBr₃ в DMF, спин-наложение 500 об/мин/20 с и 3000 об/мин/60 с с каплей 400 мкл хлорбензола на 40 с. Отжиг при 100 °C 10 мин.

ETL и катод – 40 нм TPBi осаждали испарением, затем 100 нм Ag в высоком вакууме. Активная площадь: 0,2 см².

Электрические и оптические измерения выполняли на источнике Keithley 4200, спектрофотометре OPT-2000 и четырехзондном зонде для проводимости. Морфологию изучали АФМ и РЭМ; кристалличность — РД; время-разрешенную фоtolюминесценцию (TRPL) — 368-нм импульсным лазером с FL-TCSPC.

Результаты и обсуждение

Характеристики приборов

Рис. 2 иллюстрирует светимость, плотность тока и токовую эффективность приборов с необработанным и спиртообработанным PEDOT:PSS. MeOH обработка дает максимальную светимость 2075 кд·м⁻² и токовую эффективность 0,38 кд·А⁻¹, против 261 кд·м⁻² и 0,10 кд·А⁻¹ для необработанных. EtOH и IPA дают промежуточные улучшения (1166 кд·м⁻², 0,16 кд·А⁻¹; 863 кд·м⁻², 0,22 кд·А⁻¹), подтверждая поляро-зависимый эффект.

Электролюминесцентные спектры остаются центрированными при 532 нм с FWHM 27 нм для всех приборов, указывая, что излучение исходит исключительно от MAPbBr₃.

Проводимость и морфология PEDOT:PSS

Измерения проводимости показывают явный рост с полярностью растворителя: необработанный (0,1 С·см⁻¹), IPA (230,2 С·см⁻¹), EtOH (327,5 С·см⁻¹), MeOH (605,0 С·см⁻¹). Соответственно толщина пленки снижается с 40 нм (необработанный) до 27–35 нм после обработки, отражая удаление PSS.

АФМ показывает сглаживание поверхности: RMS шероховатость падает с 2,53 нм (необработанный) до 0,90–1,97 нм (обработанные), MeOH дает наиболее равномерную морфологию. Измерения только-дырных приборов подтверждают более высокую плотность тока для MeOH-обработанных пленок, демонстрируя улучшенный впрыск дыр.

Кристаллизация и морфология MAPbBr₃

АФМ перовскитного слоя показывает снижение RMS шероховатости (46,2 нм до 38,2–39,5 нм) и уменьшение размеров зерен (328 нм до 232–273 нм) после обработки, особенно с MeOH. РЭМ подтверждает более высокое покрытие поверхности (24,95% → 37,34%) и более мелкое зернистое распределение.

РД-образы показывают острые (100) и (200) пики при 14,602° и 29,845°, неизменные при обработке, указывая на сохранение кубической кристаллической структуры. TRPL распад сокращается после MeOH обработки, сигнализируя о повышении эффективности радиативной рекомбинации.

Заключение

Спин-наложение высокополярных спиртов на PEDOT:PSS перед отжигом заметно повышает производительность PeLED. Обработка метанолом дает лучшие результаты, достигая 2075 кд·м⁻² светимости и 0,38 кд·А⁻¹ токовой эффективности. Двойная выгода — усиление впрыска дыр через повышенную проводимость PEDOT и улучшение кристалличности перовскита через более высокую поверхностную энергию — подчеркивает этот подход как масштабируемый, промышленно-дружественный путь к высокосветящимся PeLED.