多阳离子协同调控的全无机钙钛矿薄膜及其高效蓝光二极管

Blue-emitting materials and diodes are always fatal in the application of lighting and flat panel display. Recently, owing to the superiority of high carrier mobility and photoluminescence quantum efficiency, perovskite based light-emitting diodes (PeLEDs) have become the international hotspot due to its high electroluminescent efficiency. So far, green and red PeLEDs with external quantum efficiency over 20% have been reported. However, by contrast, blue PeLEDs, make slow progress and limited advancement. As the primary colours to generate white light, compared to red and green sources, blue light-emitting diodes have proven to be the most challenging. The fundamental problem of blue PeLEDs with poor performance is the inherent disadvantages of perovskite materials (low radiation efficiency, high defect state density, material instability, etc.). The direct cause is the unreasonable design of the device structure which leads to low effective carrier injection and large leakage current..Aiming at the above-mentioned key issues, firstly, a cocktail strategy of multiple cations in blue halide perovskite is introduced to synergistically solve material disadvantages. Secondly, high quality blue perovskite films are prepared by optimizing the film forming conditions. Finally, all-inorganic hetero-structured luminescent devices based on the structure of "insulator-perovskite-insulator" are constructed to achieve double breakthroughs in efficiency and stability of blue PeLEDs.

蓝光材料及其二极管在照明和显示中起着至关重要的作用。近期，得益于高载流子迁移率和高荧光量子效率等优势，基于钙钛矿材料的发光二极管（PeLEDs）由于高发光效率成为国际焦点。目前，绿光和红光PeLEDs的外量子效率均超过20%。相比来说，蓝光PeLEDs却进展缓慢，成果寥寥。作为白光三原色之一，与绿光和红光相比，蓝光二极管已被证明是最具挑战性的。蓝光PeLEDs器件性能低下的根本问题是钙钛矿材料的固有缺点（辐射效率低、缺陷态密度高、材料不稳定等）；直接问题是器件结构设计不合理导致的载流子有效注入差及漏电流过大。.项目围绕以上关键问题展开：首先，采用调制“鸡尾酒”的方式，在蓝光钙钛矿材料中引入多重阳离子，协同作用解决材料缺点；其次，优化成膜条件，制备出高质量全无机蓝光钙钛矿薄膜；最后，构建基于“绝缘层-钙钛矿-绝缘层”结构的全无机异质结发光器件，最终实现蓝光PeLEDs效率及稳定性的双重突破。

蓝光材料及其二极管已被证明是最具挑战性的。如项目立项时所述，基于近年来的明星材料，钙钛矿发光二极管（PeLEDs）发展迅猛。然而，相比于红光、绿光PeLEDs，蓝光PeLEDs器件性能远远落后,主要原因是蓝光钙钛矿材料成膜质量差以及器件结构设计不合理。.为了提高蓝光PeLEDs器件性能，我们采用多阳离子调控策略，制备出高质量蓝光钙钛矿薄膜；在此基础上，通过器件结构优化及界面工程，最终实现高效稳定的蓝光PeLEDs器件。较好地完成了项目要求。重要的成果具体如下：.1）.首次提出“鸡尾酒”式多阳离子调控策略，结合提出的“绝缘层-钙钛矿-绝缘层” （IPI）结构，实现同期国际上工作寿命最长的蓝光PeLEDs器件（ACS Energy Lett. 2020, 5, 1062-1069）。.2）.在多阳离子体蓝光钙钛矿的基础上，引入π共轭小分子，钝化缺陷、调控能级，最优蓝光PeLEDs器件的亮度为12963 cd/m2，EQE达到6.97%（Org. Electron. 2022, 102, 106441。进一步地，在多阳离子体蓝光钙钛矿中引入高三线态分子DPEPO，抑制界面处能量传递并有效钝化缺陷，实现蓝光PeLEDs器件效率的突破，最优器件EQE超过10%，为国际一流水平，并且初步探明了三线态激子管理内在机制（J. Phys. Chem. Lett. 2021, 12, 11723-11729）。.3）.采用全无机策略及IPI级联式电子传输层，有效抑制离子迁移，制备了同期国际上最稳定的绿光PeLEDs器件，并且该器件兼顾高亮度（156155 cd/m2）与高效率（EQE~11.05%）（Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2001834）。.4）.为了实现无铅化，首次合成了荧光量子产率接近100%的铜基卤化物TEA2Cu2Br4单晶及薄膜，并且通过调控A位阳离子体比例，其光致及电致发光光谱能够覆盖蓝光到深蓝光区域（Nano Energy 2022, 91, 100064）。.以上研究成果对于进一步实现高效蓝光PeLEDs以及推进其商业化进程有重要的实验和理论指导意义。课题发表与项目有关的高水平SCI论文9篇，其中第一作者或通讯作者文章7篇，授权中国发明专利1项。