CH3NH3PbBr3钙钛矿发光二极管发光层成膜优化的研究

李 婉

（陕西国防工业职业技术学院，陕西 西安 710300）

CH3NH3PbX3(X=Cl, Br, I)钙钛矿因载流子迁移率较高、易制备等优点，已成为新一代发光材料，制备出的钙钛矿发光二极管（PeLED）效率也不断在刷新纪录。但仍然存在发光效率低等问题[1]。基于此，本文探究PeLED发光层成膜问题，通过研究成膜性，提高薄膜中晶粒的致密性来提高器件的发光效率。

1 不同转速旋涂PEDOT：PSS对钙钛矿层成膜的影响

发光层是旋涂于空穴传输层上的，空穴传输层会直接影响钙钛矿前驱体的成膜，进而影响发光层的成膜。所以空穴传输层的空穴注入被提高，可以间接提高发光层的成膜质量。本文中空穴传输层采用PEDOT：PSS溶液，其在旋涂时的旋涂速度会影响成膜质量，于是探究5组旋涂转速对钙钛矿层成膜及器件性能的影响。具体制备流程如下。

1）清洗导电玻璃；2）空穴传输层制备，旋涂时转速分别为：1 000 r/min、2 000 r/min、3 000 r/min、4 000 r/min、5 000 r/min；3）钙钛矿层制备，将钙钛矿前驱体溶液分别旋涂于不同转速下制备的PEDOT：PSS层上[2-3]。

随后将制备好的薄膜进行光致发光（PL）测试，PL光谱发光强度可以表明薄膜在光源激发下，薄膜发光情况，发光强度越高则薄膜质量越好。测试图如图1所示，图中可以看出当转速为3 000 r/min时光致发光光谱强度最大，所以得3 000 r/min转速旋涂的PEDOT：PSS上制备的钙钛矿薄膜以及致密性是最好的。

图1 不同转速下旋涂的PEDOT：PSS上制备的钙钛矿薄膜PL图

研究薄膜特性后，又制备了5组相应的PeLED器件。将制备好的器件进行电压-电流测试、电压-电流效率及电压为3.8 V下电致发光（EL）光谱的测试，测试图如图2所示。当转速为3 000 r/min时，图2（a）显示同一电压下电流最小，说明漏电流减小[4]，图2（b）电流效率最高可达到0.47 cd/A，图2（c）EL也可以看出转速为3 000 r/min时发光强度最高。综上分析，选择3 000 r/min的转速旋涂PEDOT：PSS。

图2 不同转速下旋涂的PEDOT：PSS上制备的PeLED电学特性

2 钙钛矿层不同退火温度对成膜性的影响

钙钛矿发光器件除空穴传输层对器件发光效率有重要的影响外，钙钛矿层薄膜自身也直接会影响器件的发光效率。本实验采用CH3NH3Br、PbBr2和极性溶液按一定比例混合进行配制钙钛矿前驱液，CH3NH3Br、PbBr2的结晶速率会影响钙钛矿薄膜的形貌，而其结晶速率对退火温度非常敏感。对薄膜进行退火处理目的是让材料内部的应力进行释放，增加晶粒延展性，提高钙钛矿薄膜的成膜质量。具体制备流程为：1）清洗导电玻璃；2）空穴传输层制备，在旋涂时转速采用3 000 r/min；3）钙钛矿层制备，将配制好的钙钛矿前驱体溶液旋涂于空穴传输层上，旋涂完后将基片分别置于不同温度（分别为不退火、50 ℃、70℃、90 ℃）的加热台上进行退火。

将4种不同退火温度下制备的钙钛矿薄膜进行PL测试，测试图如图3所示。从光谱半峰宽来看，半峰宽越窄证明薄膜致密性越好，载流子复合增大[5-6]，发光强度越稳定，从图中可以看出退火温度为50 ℃和70 ℃时半峰宽度较窄；从发光强度来看，发光强度越大表明出光效率越好[7-8]，当退火温度为70 ℃时，发光强度最高，所以经过PL分析，70 ℃为最佳退火温度。

图3 四种钙钛矿薄膜PL图

最终将4种不同条件下制备的钙钛矿薄膜制备成发光器件，再将器件进行电学性能测试，测试图如图4所示。图4中（a）（b）（c）分别为不同退火温度下制备的PeLED器件的电压-电流关系图、电压-电流效率关系图以及驱动电压为3.8 V时的EL图。从图中可以看出当钙钛矿薄膜退火温度为70 ℃时电流是最小的，表明薄膜中漏电流最小，同时电流效率为0.65 cd/A，EL强度也是最大的[9-10]。所以通过电学性能分析，也可以得到退火温度为70 ℃时，器件发光效率最高。

图4 不同退火温度制备PeLED电学特性

综上数据分析，可以得到空穴传输层的最佳旋涂转速及钙钛矿层最佳退火温度，目的是对钙钛矿层薄膜进行优化处理，即增大薄膜覆盖率，减少表面孔洞，提高器件的发光效率。

3 结论

本文针对CH3NH3PbBr3钙钛矿发光二极管成膜性，从空穴传输层的旋涂速度以及钙钛矿层溶液旋涂完后的退火温度两个因素进行探究，最终从薄膜的性能测试数据当中得到：旋涂空穴传输层溶液的转速采用3 000 r/min时，钙钛矿薄膜形貌较好，器件效率较高；当钙钛矿层溶液旋涂完后使用70 ℃退火时，薄膜质量较好，器件效率较高。