来源：科匠学术
本文由第一作者-李睿颖、文章通讯作者-宋涛副教授&孙宝全教授受邀撰写，感谢他们对科匠学术的支持！一、研究背景：金属卤化物钙钛矿材料因其出色的光电特性而成为下一代LED发光层的候选材料之一。近年来，基于钙钛矿材料的LED器件经历了十分迅速的发展。然而，溶液法制备的钙钛矿LED器件经常出现以下问题：沉积的第一层薄膜可能会被第二层溶液中的溶剂溶解，这对器件性能有很大的制约。同时，钙钛矿的光电性能对钙钛矿的薄膜质量相当敏感。钙钛矿薄膜的生长过程通常取决于其基底表面形貌和界面修饰，因此，界面和缺陷的优化工艺对于钙钛矿器件至关重要。
二、文章简介：基于以上科学问题，苏州大学孙宝全团队建立了一类适用于钙钛矿LED中发光层和空穴传输层界面调控的手段。相关成果已在ACS Applied Materials& Interfaces上发表。通过在空穴传输层和钙钛矿发光层之间引入一层ALD沉积的Al2O3，提高了钙钛矿LED的效率和重复性。Al2O3层的存在避免了溶液法制备过程中空穴传输层互溶带来的负面影响，大大改善了薄膜的形貌。另外，添加了Al2O3层之后基底的表面张力变大，使得钙钛矿前体容易在基底上浸润。最后获得了具有较少陷阱态的高质量钙钛矿薄膜。此外，Al2O3层可以调节钙钛矿LED中的空穴传输速率，并获得更加平衡的电荷注入速率，以减少阳极侧的非辐射复合。根据出光模拟结果，掺入Al2O3层之后，由于其适当的折射率，提高了光耦合效率。基于以上几点改善，我们得到了高效的绿色钙钛矿LED，电流效率为55.5 cd/A，EQE为17.0％。含Al2O3的器件性能的重复性也得到提升，平均电流效率达到49.7 cd/A。这项工作提供了一种简单的利用ALD制备Al2O3薄膜来改善界面接触和光输出耦合效率的方法，来制备高效的钙钛矿LED。
图1. 器件结构图。
三、文章内容：1、界面形貌表征
由于PVK和TFB都是带有支链烷烃的共轭聚合物，它们很容易溶解在常见的芳香族溶剂中，即氯苯和甲苯中。因此，底部的TFB层可能会被PVK中的溶剂重新溶解。从图中可看出，TFB层在致密光滑的ITO底物上呈现出均匀的形貌。但PVK在TFB层上沉积后，可以观察到明显的圆形图案，这是由于TFB(氯苯)和PVK(甲苯)的溶剂是非正交溶剂导致的再溶解问题。不均匀空穴传输层的形成影响了顶部钙钛矿膜的质量，并可能导致电流波动以及在合成膜中的不均匀发光分布。通过在双传输层 (TFB/PVK)和钙钛矿层之间引入致密的Al2O3，有效地改善了界面接触。Al2O3层的厚度可以通过循环数(n)来精确控制，随着循环数目的增加，薄膜逐渐变得致密均匀。
图2. 界面修饰前后的形貌表征。
研究发现， TFB/PVK的接触角大于90度，这使得钙钛矿前驱液对其不浸润。在TFB/PVK层以上沉积Al2O3后，接触角减小到约70度，表明基底表面张力增大。从图中可看出，增加衬底的表面张力有利于形成高质量的钙钛矿薄膜，薄膜变得均匀平整。
图3. 钙钛矿薄膜的形貌表征。
钙钛矿薄膜在加入了Al2O3层之后光学性能均有不同程度的提高，这是因为钙钛矿薄膜质量的提高所成就的。同时，作者们利用FDTD的方法对器件的出光进行了模拟，钙钛矿LED的标件在514 nm处的光输出耦合效率为24.8％。加入Al2O3层（n = 10）之后在514 nm处的光输出耦合效率为26.9％，相比参考器件提高了8.5％。
图4. 钙钛矿薄膜的光学性能表征。
Al2O3层越薄，器件的出光越高；而Al2O3越厚，钙钛矿薄膜越容易成膜；当Al2O3达到了一定的厚度，器件的载流子注入达到了平衡。基于以上几点考虑，得到结论，当n = 50时，电子空穴达到了最优的平衡，同时，光耦合效率没有下降太多，达到漏电流和亮度的最优化，由此达到了最高的效率，器件性能达到了最优。
图5. 钙钛矿发光二极管的器件性能。
四、总结与展望：文章展示了一种改进空穴传输层和发光层界面接触的通用方法。通过引入合适厚度的ALD沉积的Al2O3，避免了空穴传输层互溶对钙钛矿的影响。亲水性的Al2O3也提高了钙钛矿前驱体在双空穴传输层上的润湿性，这保证了我们得到高质量的缺陷较少的钙钛矿膜。在TFB/PVK双传输层情况下，由于TFB的空穴迁移率高得多，导致空穴注入过量。研究发现，TFB/PVK上的Al2O3层有助于平衡PeLEDs内的电荷注入。模拟结果表明，Al2O3层的加入由于其合适的折射率，也提高了光耦合效率。结合上述优点，作者们实现了电流效率为55.5 cd/A的高效钙钛矿绿光器件，对应的EQE为17.0%。此工作通过提高界面接触和光耦合效率，为制备高效的重现性好的钙钛矿发光二极管提供了一种新途径，这也适用于其他基于钙钛矿的电子器件。来源：kejiang_Science 科匠学术
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