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研究背景
研究方法
在这项工作中测试了17种不同类型的LED,首先选择钙钛矿LED,制备了以近红外发光的碘基材料FPI、NFPI以及绿色发光的溴基材料PCPB的钙钛矿LED,这三种LED的最低驱动电压分别是1.3V、1.3V及1.9V,LED中光子的最高能量分别为1.55eV、1.56eV及2.4eV。这表明三种材料的LED均可在低于带隙所限制的最小阈值电压下发光。接下来选择几种不同的OLED、QLED以及商业III–V族半导体LED,得到的结论与之前的相似。
图 1 不同种LED的电致发光强度-电压的关系。
(a. 近红外发射FAPBI3(FPI)钙钛矿LED;b.近红外发射NFPI钙钛矿LED;c.绿光PCPB钙钛矿LED;d.基于Ir(ppy)3的磷光OLED;e.基于4CzlPN的TADF OLED;f.基于F8BT的聚合物OLED;g.基于红荧烯的荧光小分子OLED;h.基于CdSe/ZnS QDs的II-VI QLED;i.基于 GaAsP 的商用 III-V 无机 LED 。)
研究还发现几种钙钛矿LED驱动电压的数值从带隙上方调整到下方时,LED的电致发光EL谱线峰形及峰位都不变。
图2. 钙钛矿LED在高于及低于带隙所限制阈值电压下的EL光谱
研究方法
图3. 不同LED在近带隙和亚带隙电压下的光致发光强度-电压曲线
图4. 用于测量在亚带隙电压下的 EL 光谱的实验装置示意图
研究背景
与钙钛矿太阳能电池类似,钙钛矿LED的不稳定性是一重大难题。近年来,钙钛矿LED在外量子效率(EQE)方面发展十分迅速,但其在连续工作条件下T50工作寿命(亮度降低到其初始值一半所需时间)一般在10到100小时量级,而实际应用需器件在高EQE、宽辐亮度范围下实现更长的工作寿命(高于10000小时)。
和III-V族半导体及有机半导体相比,钙钛矿在器件工作过程中存在额外的降解通道。电场作用下的离子迁移和钙钛矿晶体结构的不稳定性,是影响钙钛矿器件稳定性的关键问题。解决这些问题,以同时实现长寿命与高效率,是领域的重大挑战。
研究亮点
作者选取了在高性能太阳能电池与LED均有应用的FAPbI3钙钛矿作为基本研究对象,引入双极性分子SFB10,实现了高效和超稳定的近红外(~800 nm)钙钛矿LED。器件峰值外量子效率(EQE)为22.8%,峰值能量转化效率(ECE)为20.7%。这些钙钛矿LED展现了优异的稳定性,在5 mA/cm2下连续运行超过3600h(5个月)没有观察到辐亮度衰减。据加速老化测试获得,在初始辐亮度(或电流密度)分别为0.21 W/sr/m2 (0.7 mA/cm2)时,预期T50工作寿命为2.4×106h (约270年)。
图6:钙钛矿样品结构稳定性和荧光稳定性
论文提到的测试方法中,使用海洋光学QE Pro光谱仪进行EQE的J-V曲线测量,使用Maya2000Pro记录角电致发光强度分布。
QE Pro Maya2000 Pro 光谱仪
参考文献
结语
超低驱动电压的研究为超低压LED器件的发展以及照明、显示及通信行业的发展做出贡献。超长的器件寿命有望提振钙钛矿LED领域的信心,这些近红外LED可用于近红外显示、通讯与生物等应用,为钙钛矿发光技术进入产业应用铺平了道路。