[논문 리뷰] Efficient light-emitting diodes based on oriented perovskite nanoplatelets

Jieyuan Cui, Yang Liu외 16명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 13.

Perovskite Materials and Applications참고 문헌 36인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 수평 전이 분극모멘트 비율(~84%)과 광발광 양자수율(PLQY) ~75%를 가지는 현장에서 성장시킨 면적 정렬된 페로브스카이트 나노플레이트렛을 사용하여 매우 효율적인 페로브스카이트 발광다이오드(LED)를 구현한다. 최적화된 구조는 최고 외부 양자효율(EQE) 23.6%를 달성하여 지금까지 보고된 바 있는 페로브스카이트 LED 중에서 가장 높은 효율을 기록한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 평판형 페로브스카이트 LED에서 낮은 외부 양자효율(EQE)을 해결하기 위해 광자 탈출을 향상시키기 위해.
• 페로브스카이트 나노구조에서 전이 분극모멘트(TDM) 정렬, 높은 광발광 양자수율(PLQY), 전하 균형을 동시에 제어하는 과제를 해결하기 위해.
• 향상된 전기발광 성능을 위한 면적 정렬된 페로브스카이트 나노플레이트렛의 연속적인 단층막을 개발하기 위해.
• 디스플레이 및 조명에 적합한 고효율, 저비용, 대면적 발광 장치를 구현하기 위해.

제안 방법

• TDM 정렬을 제어하기 위해 면적 정렬된 나노플레이트렛으로 구성된 연속적인 페로브스카이트 필름의 현장에서 성장.
• 최적화된 전하 수송층을 가진 평판형 LED를 제작하기 위해 용액 기반 공정 기술을 사용.
• 나노플레이트렛 필름에서 전이 분극모멘트의 수평 우선 정렬을 확인하기 위해 X선 회절 및 편광된 광발광 분석을 시행.
• 균형 잡힌 전하 주입과 높은 PLQY를 달성하기 위해 필름 형상 및 계면층을 공학적으로 설계.
• 다양한 전압 조건에서 전류-전압-광도 측정 및 EQE 측정을 통해 전기발광 성능을 특성화.
• EQE와 장치 안정성을 최대화하기 위해 필름 두께 및 가공 조건을 체계적으로 최적화.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 페로브스카이트 나노구조에서 전이 분극모멘트(TDM)의 정렬을 제어하여 평판형 LED에서 광자 탈출을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 TDM 정렬, PLQY, 전하 균형을 동시에 최적화할 경우 용액 기반 페로브스카이트 LED에서 도달 가능한 최고 외부 양자효율(EQE)은 얼마인가?
• RQ3 면적 정렬된 페로브스카이트 나노플레이트렛의 단층막을 사용할 경우 등방성 페로브스카이트 필름에 비해 전기발광 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 연속적인 나노플레이트렛 필름을 현장에서 성장시킬 경우 고 PLQY를 유지하면서도 효율적인 전하 이동과 균형 잡힌 주입을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ5 필름 형상과 계면 공학은 정렬된 발광체를 갖는 고효율 페로브스카이트 LED를 달성하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 페로브스카이트 나노플레이트렛 필름은 수평 전이 분극모멘트(TDM) 비율이 약 84%로, 등방성 발광체의 일반적인 67%보다 현저히 높다.
• 이 필름은 약 75%의 높은 광발광 양자수율(PLQY)을 달성하여 우수한 복사 재결합 효율을 나타낸다.
• 결과적으로 얻어진 LED는 최고 외부 양자효율(EQE) 23.6%를 기록하였으며, 이는 현재까지 보고된 바 있는 용액 기반 페로브스카이트 LED 중에서 가장 높은 효율이다.
• 장치는 5 V에서 약 10,000 cd/m²의 빛강도를 유지하며 안정적인 전기발광을 보이며 실용적 성능 잠재력을 보여준다.
• 현장에서 성장한 단층 나노플레이트렛 필름은 효율적인 전하 이동과 균형 잡힌 주입을 가능하게 하여 고 EQE에 기여한다.
• 편광된 광발광 및 XRD 분석을 통해 나노플레이트렛의 면적 정렬과 필름 내 고도의 정렬도가 확인되었다.