[論文レビュー] Efficient light-emitting diodes based on oriented perovskite nanoplatelets

Jieyuan Cui, Yang Liu+16 more|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2020

Perovskite Materials and Applications参考文献 36被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、水平方向の遷移電気双極モーメント（TDM）比が約84%で、発光量子効率（PLQY）が約75%に達する、インサイトで成長した面指向のペロブスカイトナノプレートレットを用いた、極めて効率の高いペロブスカイト発光ダイオード（LED）を示している。最適化された構造により、ピーク外部量子効率（EQE）が23.6%に達し、溶液プロセスで作製されたペロブスカイトLEDにおいて、これまでに報告された最高効率を記録した。

ABSTRACT

Solution-processed planar perovskite light-emitting diodes (LEDs) promise high-performance and cost-effective electroluminescent (EL) devices ideal for large-area display and lighting applications. Exploiting emission layers with high ratios of horizontal transition dipole moments (TDMs) is expected to boost photon outcoupling of planar LEDs. However, LEDs based on anisotropic perovskite nanoemitters remains to be inefficient (external quantum efficiency, EQE <5%), due to the difficulties of simultaneously controlling the orientations of TDMs, achieving high photoluminescence quantum yields (PLQYs) and realizing charge balance in the films of the assembled nanostructures. Here we demonstrate efficient EL from an in-situ grown continuous perovskite film comprising of a monolayer of face-on oriented nanoplatelets. The ratio of horizontal TDMs of the perovskite nanoplatelet films is ~84%, substantially higher than that of isotropic emitters (67%). The nanoplatelet film shows a high PLQY of ~75%. These merits enable LEDs with a peak EQE of 23.6%, representing the most efficient perovskite LEDs.

研究の動機と目的

• 平面状ペロブスカイトLEDにおける外部量子効率（EQE）の低さを克服するため、光の出 coupling を向上させること。
• ペロブスカイトナノ構造体において、遷移電気双極モーメント（TDM）の配向、高い発光量子効率（PLQY）、および電荷バランスを同時に制御する課題に対処すること。
• 面指向のペロブスカイトナノプレートの単層膜を連続的かつ均一に形成し、発光性能を向上させること。
• ディスプレイおよび照明用途に適した、高効率で低コストかつ大面積の発光デバイスの開発

提案手法

• TDMの配向を制御するため、面指向のナノプレートレットからなる単層膜として、インサイトで成長した連続的ペロブスカイト膜の形成。
• 最適化された電荷輸送層を有する平面状LEDを、溶液プロセス技術を用いて作製。
• X線回折および偏光発光分光法を用いて、ナノプレート膜における遷移電気双極モーメントの優位な水平配向を確認。
• 膜の微細構造および界面層の設計により、バランスの取れた電荷注入と高いPLQYを実現。
• 電圧-電流-発光強度特性およびEQE測定を、さまざまなバイアス条件下で行い、発光性能を評価。
• EQEとデバイス安定性を最大化するため、膜厚およびプロセス条件を体系的に最適化。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ペロブスカイトナノ構造体における遷移電気双極モーメント（TDM）の配向を制御することで、平面状LEDにおける光の出 coupling を向上させることができるか？
• RQ2 TDMの配向、PLQY、および電荷バランスを同時に最適化した場合、溶液プロセスで作製されたペロブスカイトLEDで達成可能な最大外部量子効率（EQE）はどの程度か？
• RQ3 面指向のペロブスカイトナノプレートの単層膜を用いることで、等方的ペロブスカイト膜と比較して発光性能にどのような影響を与えるか？
• RQ4 連続的ナノプレート膜をインサイトで成長させることで、高いPLQYを維持しながら効率的な電荷輸送とバランスの取れた注入を実現できるか？
• RQ5 膜の微細構造および界面工学が、配向発光体を有する高効率ペロブスカイトLEDの実現において果たす役割は何か？

主な発見

• ペロブスカイトナノプレート膜は、等方的発光体の典型的な67%と比較して、はるかに高い水平TDM比（約84%）を示している。
• 膜は高い発光量子効率（PLQY）を約75%で達成しており、優れた放射再結合効率を示している。
• 得られたLEDは、ピーク外部量子効率（EQE）が23.6%に達し、溶液プロセスで作製されたペロブスカイトLEDにおいて、これまでに報告された最高効率を記録した。
• デバイスは5 Vで発光強度が約10,000 cd/m²の安定した発光を示しており、実用的性能の可能性を示している。
• インサイトで成長した単層ナノプレート膜は、効率的な電荷輸送とバランスの取れた注入を可能にし、高EQEに寄与している。
• 偏光発光分光およびXRD分析により、ナノプレートの面指向および膜内での高い配向度が確認された。