《Nano Energy》综述：高性能钙钛矿发光二极管表面改性与界面工程

钙钛矿型发光二极管(PeLEDs)因其优异的光电特性而成为一种新兴的照明和显示器件。在过去的几年里，外量子效率(EQE)已经从不到0.1%提高到20%以上，可以与传统的有机发光二极管相媲美。由于钙钛矿型材料的低成本和高能效，PeLEDs引起了人们极大的关注。然而，在基于溶液的低成本工艺中，钙钛矿型薄膜存在电子和空穴陷阱以及粗糙的表面，这对PeLEDs是不利的。表面改性和界面工程对发光器件的性能起着至关重要的作用。各种改善表面形貌的策略已经被用来解决与PeLEDs相关的内在挑战。

来自香港城市大学，复旦大学，上海大学和山东大学的研究人员联合综述了近年来PeLEDs件形态工程的研究进展。重点讨论了组成工程、添加剂工程、退火处理、湿度管理、溶剂控制、气体淬火和气相辅助方法，以及层间工程和自组装单分子膜，并对其进行了展望，为进一步提高PeLED的性能提供了启示。相关论文以题目为“Recent progress in surface modification and interfacial engineering for high-performance perovskite light-emitting diodes”发表在Nano Energy期刊上。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285520303098

1. 引言

在能源消耗方式中，照明和展示对人类生活有着不可或缺的影响。发光二极管(LED)是21世纪应用最广泛的照明。在白炽灯方面，LED具有节能、环保、寿命长等突出优点。LED的寿命比白炽灯长得多；然而，传统LED器件的生产工艺传统上很复杂，包括蚀刻、蒸发、沉积和涂覆，这限制了基板尺寸，并导致了一些问题，如材料利用率低、制造工艺复杂和成本高。为了解决当前的能源危机，开发下一代高性能、低成本和环保的LED是必要的。

2. 钙钛矿工程

钙钛矿工程是通过物理或化学方法制备出均匀、无缺陷的钙钛矿薄膜作为PELED的活性层。作者综述了为形成均匀光滑的薄膜而采用的各种表面改性方法，因为质量差的薄膜会导致不同结构层的短路，最终影响陷阱态密度和载流子迁移率。钙钛矿晶体结构和薄膜状态的内在特性是影响电致发光(EL)效率的主要因素，如有机A位阳离子的稳定性、纳米粒子(NP)薄膜的均匀性和NPs的聚集性等。在这里，作者介绍组成工程、添加剂工程、退火处理、湿度管理、溶剂控制、气体淬火和蒸汽辅助方法，以消除在PELEDs中生产钙钛矿型有源层所面临的挑战。

图1 表面改性和界面工程取得的积极成果和优势。

图2.退火处理示意图。(A)低温工艺会导致钙钛矿薄膜上出现针孔；(B)合适的温度工艺可以形成均匀的薄膜；(C)过高的温度工艺会导致MAX分子升华，并在钙钛矿薄膜上形成大的针孔。

3. 界面工程

界面工程被定义为层间工程和自组装单分子膜(SAMs)。用于夹层和自组装的材料如图3所示。在光电器件的层状结构中，钙钛矿材料通常对相邻层的表面状况敏感。据大量文献报道，插入中间层可以缓解激子猝灭，降低功能层之间的能垒，甚至可以改善电光底层的形貌。例如，钙钛矿晶体中出现的不连续包含本征的点缺陷和表面缺陷，如晶格空位、间隙缺陷和反位缺陷，和/或配位不足的离子。这种缺陷可以通过层间方法通过与阳离子和/或阴离子形成化学键来消除，最终导致抑制在钙钛矿薄膜上形成的缺陷。

此外，电荷传输层(CTL)的表面修饰可以减小CTL与钙钛矿层之间的势垒，最终降低器件的开启电压。在钙钛矿吸收体和电荷传输层的交界处，空穴或电子注入势垒中的激子-激子湮灭会导致不希望发生的复合过程，利用空穴/电子阻挡过渡层可以有效地保持这种复合过程。此外，使用功能化中间层可以消除伴随钙钛矿薄膜形成的底层不均匀表面和/或不完美的大颗粒。此外，在钙钛矿薄膜和电荷传输层(CTL)之间插入缓冲层可以有效地抑制漏电流和电分流路径。因此，中间层的利用可以促进无针孔钙钛矿薄膜的生长，进而提高器件的性能。（文：爱新觉罗星）

图3.带(A)ETL和/或HTL的夹层；和(B)自组装单层的例子的带状体系结构中的夹层的图解。