[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究通过原位生长的、面朝上取向的钙钛矿纳米片，实现了高效钙钛矿发光二极管（LEDs），其水平跃迁偶极矩（TDM）比例高达约84%，光致发光量子产率（PLQY）约为75%。优化后的结构实现了23.6%的峰值外量子效率（EQE），创下溶液法加工钙钛矿LED迄今最高的效率记录。

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.

研究动机与目标

• 通过增强光子出射效率，解决平面钙钛矿LED中外部量子效率（EQE）低的问题。
• 解决同时控制钙钛矿纳米结构中跃迁偶极矩（TDM）取向、高光致发光量子产率（PLQY）和电荷平衡的挑战。
• 开发一种连续的单层膜，由面朝上取向的钙钛矿纳米片组成，以提升电致发光性能。
• 实现高效率、低成本、大面积的发光器件，适用于显示和照明应用。

提出的方法

• 通过原位生长连续钙钛矿薄膜，由单层面朝上取向的纳米片组成，以控制TDM取向。
• 采用溶液法加工技术，制备具有优化电荷传输层的平面LED。
• 利用X射线衍射和偏振光致发光分析，确认纳米片薄膜中跃迁偶极矩的优先水平取向。
• 通过调控薄膜形貌和界面层，实现电荷平衡注入和高PLQY。
• 在不同偏置条件下，通过电流-电压-亮度和EQE测量表征电致发光性能。
• 系统优化薄膜厚度和工艺条件，以最大化EQE和器件稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过控制钙钛矿纳米结构中跃迁偶极矩（TDMs）的取向，提升平面LED中的光子出射效率？
• RQ2 当TDM取向、PLQY和电荷平衡同时优化时，溶液法加工钙钛矿LED的最大可实现外部量子效率（EQE）是多少？
• RQ3 与各向同性的钙钛矿薄膜相比，使用单层面朝上取向的钙钛矿纳米片薄膜如何影响电致发光性能？
• RQ4 原位生长的连续纳米片薄膜能否在保持高PLQY的同时，实现高效的电荷传输和平衡的电荷注入？
• RQ5 薄膜形貌和界面工程在实现具有取向发光体的高效率钙钛矿LED中起到何种作用？

主要发现

• 钙钛矿纳米片薄膜的水平跃迁偶极矩（TDM）比例约为84%，显著高于各向同性发光体的典型值67%。
• 该薄膜实现了约75%的高光致发光量子产率（PLQY），表明具有优异的辐射复合效率。
• 所制备的LED表现出23.6%的峰值外部量子效率（EQE），为迄今报道的溶液法加工钙钛矿LED中最高值。
• 器件在5 V电压下表现出约10,000 cd/m²的稳定电致发光亮度，显示出实际应用潜力。
• 原位生长的单层纳米片薄膜实现了高效的电荷传输和平衡的电荷注入，有助于实现高EQE。
• 偏振光致发光和X射线衍射（XRD）分析证实了纳米片的面朝上取向以及薄膜中高度的取向排列。