高稳定性钙钛矿白光二极管的可控制备及其器件性能研究

Organic perovskite semiconductor materials have good photoelectric properties and show great application potential in the fields of solar cells, photodetectors and light-emitting diodes. However, the stability of perovskite materials and devices is an important factor affecting their practical applications. Perovskite materials can efficiently emit light in the visible light range, which is of great significance for the development of white light-emitting diodes. Based on this, this project intends to improve the stability of organic perovskite materials and conduct in-depth research on its white light-emitting diodes. Firstly, the direction and distance of ion migration in perovskite are studied by means of micro-nano fabrication and atomic force microscope. Furthermore, it is proposed to change the material composition at specific positions of perovskite crystals by photolithography mask and ion exchange technology, so as to realize the change of electronic band structure and produce white luminescent micro-nano structure materials. Finally, based on the above perovskite materials, the optimization design of the photoelectric device was carried out to effectively avoid ion migration, and the photoelectric performance of the device was studied, to obtain the highly stable white light-emitting diode with perovskite heterojunctions. The research of this project will lay a theoretical foundation for the development and application of highly stable perovskite optoelectronic devices.

有机钙钛矿半导体材料具有良好的光电性质，在太阳能电池、光电探测器、发光二极管等领域展现出了巨大的应用潜力。然而，钙钛矿材料及其器件的稳定性是影响其实际应用的重要因素。钙钛矿材料能够在可见光范围内进行高效率的发光，对于白色发光二极管的发展有重要意义。基于此，本项目拟提高有机钙钛矿材料稳定性以及对其白色发光二极管进行深入研究。首先拟采用微纳加工方法和原子力显微镜检测技术，研究钙钛矿中离子迁移的方向和距离；进一步地，拟采用光刻掩模和离子交换技术，在钙钛矿晶体特定位置改变材料成分，从而实现电子能带结构的变化，制备出白色发光的微纳结构材料；最后，基于上述钙钛矿材料，对其光电器件进行结构优化设计从而有效避免离子迁移，并对器件进行光电性能研究，最终获得具有高稳定性的钙钛矿异质结白色发光二极管。本项目的研究将为高稳定性钙钛矿光电器件的发展及应用奠定理论基础。

本项目基于钙钛矿半导体材料优异的光电特性，且具备发光波长简单可调的特点，拟开发高效率的白光发光材料及器件。在项目执行过程中，主要从钙钛矿离子迁移、钙钛矿材料制备与优化、材料特性研究、器件应用三方面进行探索：（1）钙钛矿离子迁移的原位观测与测量，研究发现离子自发迁移距离大约为5.6um，且迁移晶向为[110]晶向；（2）材料制备与优化，由于含有不同卤素种类的钙钛矿具有不同的发光波长，且不同材料之间可以通过卤素离子的相互置换从而实现材料之间的转化，因此综合采用了MAPbBr3绿色发光波长的钙钛矿材料作为前体材料，通过离子交换的方式进行能带调节，制备了不同能带结构以及发光波长的钙钛矿材料，该材料具备制备白光二极管的。为了提高材料的稳定性，采用低温超临界干燥方式，能够最大化的保证材料晶体结构的完整，减少材料中有机铵盐成分的损失，降低材料中离子在热、光等激化作用下的离子迁移。除此之外，探究了不同材料组分的稳定性，将钙钛矿材料包裹在有机铵盐的之中，可以有效的改善材料的稳定性，并且对于钙钛矿的完整性以及发光特性有较为积极的影响。另外，利用不同卤素含量的有机卤素铵盐对超临界干燥得到的钙钛矿进行掺杂，可控的实现了钙钛矿发光颜色的调控。（3）材料特性研究。经过上述手段优化制备的钙钛矿材料，其发光性能以及稳定性得到了大幅度的提高，材料的结构更加倾向于ABO3的颗粒型结构，发光效率有大幅度的增加，在常温常湿条件下保持了强的发光特性以及稳定性，相比于常规钙钛矿，其荧光寿命100倍的提高，该材料表现出了良好的溶液可处理性与；（4）材料器件研究。在本项目的有机钙钛矿研究中发现了上述材料的特有的温度、湿度传感特性，而且该材料在湿度为10%-50%相对湿度区间内表现出良好的荧光-湿度响应性，在环境温度25-40℃范围内其荧光强度表现出温度正相关性，并且具备优异的循环使用性，在温度传感中有重要的价值，拓展了钙钛矿在传感、成像等领域的应用。