碳量子点在光电器件中的应用进展

碳量子点(carbon quantum dots, CQDs)由于其高的荧光量子产率、带隙可调、溶剂分散性好、高的电子迁移率、较长的热电子寿命、宽的光学吸收、成本低廉、低毒性等优点,近几年作为新型光电材料在光电器件领域崭露头角.本文主要介绍了CQDs的结构、光学性能及其发光机理,总结了近几年来CQDs在白光发光二极管、量子点电致发光二极管、激光二极管、可见光通信、聚合物太阳能电池领域取得的进展以及存在的相关问题,以拓展CQDs在未来照明、显示、通信和太阳能电池等光电器件中的应用.     

可溶液加工纳米光电材料与器件

光电器件的柔性化、结构微型化是光电技术发展的重要趋势.溶液法加工特别是印刷技术和纳米光电材料的结合,有利于克服传统光电器件制备工艺复杂、成本高昂的局限性,在未来柔性化、图案化以及大面积光电器件领域具有广阔的应用前景.本文主要聚焦于可溶液加工纳米光电材料与器件,介绍了我们课题组近年来在该领域的科研进展,包括喷墨打印量子点技术与应用,溶液加工量子点界面发光机制,以及发光、探测、突触器件结构设计与性能优化,希望为该领域学术研究和产业应用提供参考.     

钙钛矿发光二极管外量子效率提升策略

金属卤化物钙钛矿(metal halide perovskite, MHP)因其优异的光电性能以及可溶液加工,有潜力成为下一代显示和照明设备的核心发光材料.早在20世纪90年代,就有研究人员试图将层状MHP作为发光材料,制备钙钛矿发光二极管(perovskite light-emitting diode, PeLED).但受制于不成熟的成膜方法和器件结构,器件最终只在110 K的低温下实现了正常点亮. 2014年, Snaith等人首次实现了室温下正常点亮的PeLED器件.自此,越来越多的研究者关注并投入到PeLED器件的研究中.经过近5年的发展,器件外量子效率(external quantum efficiency, EQE)已得到显著提升,近红外光器件从最初的0.8%提升到20.7%,绿光器件从最初的0.1%提升到20.3%,而天蓝光器件和蓝光器件目前最高的EQE分别是12.1%和9.5%.本文从原理出发分析了限制器件外量子效率的因素.钙钛矿发光层的发光量子产率是决定器件EQE的关键因素,而电荷平衡因子和光耦合因子是进一步提升器件EQE的重要因素.由此,本文从提升钙钛矿发光层发光量子产率与调整器件结构提升电荷平衡因子和光耦合因子两方面,总结了目前文献中提升器件外量子效率的策略,指出了PeLED领域目前亟待解决的核心问题和未来发展的方向.     

基于模板剥离法制备有机晶体发光二极管器件及其特性

有机晶体材料由于具有低的杂质含量、高的载流子迁移率、以及高的荧光量子效率在光电器件领域受到人们广泛的关注.但是,由于有机晶体材料具有易碎、致柔且对有机溶剂敏感等特性,导致其难于制备发光二极管器件.本文设计了一种简单且无破坏性的工艺方法,即模板剥离法,制备有机晶体发光二极管器件.基于此方法通过改善晶体与电极之间的接触,可使载流子均匀注入晶体有源层,从而获得了均匀电致发光的二极管器件.     

多元铜基硫族半导体纳米晶的发光性能及其在电致发光器件中的应用进展

半导体纳米晶(又称为半导体量子点)由于其色纯度高和尺寸依赖的发光性能等优势,在照明和显示方面受到了科学界和产业界的广泛关注.目前,基于半导体量子点的电致发光器件所使用的发光材料以镉基硫族化合物量子点为主,然而镉元素对环境和人体都有一定的危害.因此,开发一种环境友好且光电性能良好的无镉半导体纳米晶是非常必要的.近年来,多元铜基硫族半导体纳米晶由于其毒性低、组分可调的发光特性及其在光电子器件领域的潜在应用受到了广泛关注.本文详细综述了多元铜基硫族半导体纳米晶的组分、表面配体、晶体结构和纳米结构等因素对其发光特性的影响,着重阐述了多元铜基硫族半导体纳米晶在电致发光器件中的研究进展,最后对多元铜基硫族半导体纳米晶的发展进行了展望.     

p-n嵌段调节有机光电功能材料的能级

有机电致发光技术在通讯、信息、显示和照明等许多领域显现出巨大的商业应用前景,十几年来一直是光电信息领域的研究热点之一.相对于无机电致发光材料而言,有机电致发光材料具有许多优点.在影响有机电致发光器件性能的各种因素中,光电材料的能级扮演着非常重要的角色,这是因为在电致发光二极管中,不同层之间由于能级匹配而产生的势垒对整个器件的驱动电压、发光波长、效率以及寿命等性能都有明显影响,因此研究有机光电功能材料能级的可控调节对推动整个有机电子学的发展具有非常重要的意义.以我们的工作为主,从材料合成的角度介绍了近年来通过p-n嵌段方法调节有机光电功能材料能级的最新研究进展,并对下一步需要研究的热点问题作了展望.     

基于闪蒸法制备平面钙钛矿光伏器件

自2009年第一块基于钙钛矿材料的太阳能电池被制备出来,经过近10年的发展,目前钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已经从最初的3.8%提升到超过22%,这使得越来越多的人关注到钙钛矿太阳能电池,它被认为是在未来可能取代硅基太阳能电池的新一代太阳能电池.影响钙钛矿光伏器件性能的关键因素是钙钛矿活性层的制备.在本工作中,使用实验室自制的真空闪蒸设备制备钙钛矿光伏器件,并对前驱液制备、抽气压强等参数进行研究,优化最佳真空闪蒸钙钛矿CH_3NH_3PbI_3层条件,优化后器件最高转换效率达到18.09%.同时尝试在前驱液中掺入CH_3NH_3Cl并制备柔性器件,通过改变掺杂比例进行优化后刚性器件和柔性器件的最高转换效率分别达到了18.69%和15.10%.本工作可以对钙钛矿膜层的制备起到指导作用,进而得到光电性能更好的钙钛矿光伏器件.     

基于PA_2(CsPbBr_3)_(n-1)PbBr_4二维层状钙钛矿的电致发光二极管

进一步提高全无机卤铅钙钛矿材料CsPbBr_3的发光效率,对制备高效率、高稳定性的电致发光二极管(PeLED)具有重要意义.制备纳米级的钙钛矿量子点,一方面有助于提高激子的束缚能和钙钛矿晶体的荧光效率,另一方面也有利于形成连续、致密的二维层状钙钛矿薄膜.本文采用"原位生长"的策略,将一种具有长链结构的丙基溴化胺(CH_3CH_2CH_2NH_3Br,PABr)作为添加剂,与CsPbBr_3的前驱体溶液进行共混,得到PA_2(CsPbBr_3)_(n-1)PbBr_4钙钛矿量子点.形成的二维层状钙钛矿薄膜均匀致密,在光致发光条件下,呈现出明亮的蓝绿光发射(发光峰位于506 nm).在电致发光方面,基于PA_2(CsPbBr_3)_(n-1)PbBr_4的PeLED启亮电压为~4.2 V,最大亮度为~2370 cd/m~2,最高电流效率为~1.06 cd/A,最高EQE为~0.57%.相较于传统方法,本工作在制作工艺、成膜质量以及PeLED的发光效率有了显著的提升,为将来进一步探索低成本、高效率的蓝光PeLEDs提供了一种可行的思路.     

利用金纳米晶等离子共振效应实现量子点敏化太阳能电池的光电流增强

<正>近年来,量子点敏化太阳能电池的光电转换效率大幅提升,得到了研究者的广泛关注.量子点敏化太阳能电池的工作机制和染料敏化太阳能电池类似,利用量子点替换传统染料具有以下优点:(1)量子点的消光系数高达105 L/(mol cm);(2)量子点的光谱响应可以通过改变其尺寸而方便地调节;(3)相较染料而言,量子点具有较好的抗水氧性;(4)量子点具有多激子效应,有望发展为高效率的光伏器件.尽管量子点敏化太阳能电池有诸多的优点,但就目前的研究而言,其光电转换效率(~6%)仍然远远落后于     

钙钛矿太阳能电池的内建电场调控策略研究进展

钙钛矿太阳能电池(perovskite solar cells, PSCs)作为一种高效率、低成本的光伏器件引起了国内外学者的广泛关注.电池内部的载流子分离和传输是器件工作的核心过程,直接关系到器件的光电转化效率.异质结形成的内建电场主导着载流子的行为,其强度大小决定器件中电子和空穴的分离效率,所以对内建电场的调控和优化可以从根本上提升电池的性能.本文首先对钙钛矿太阳能电池中的内建电场以及载流子分离机制进行介绍,然后对目前常见的钙钛矿太阳能电池内建电场的调控策略及其对器件性能的影响进行总结,主要包括通过掺杂、构建三维/二维钙钛矿异质结、构建偶极层等调控钙钛矿太阳能电池的内建电场.最后,对钙钛矿太阳能电池的内建电场调控技术进行评价,并对未来该领域的发展进行展望.     

自组织生长纳米半导体量子点的研究进展

纳米半导体量子点以其所具有的新颖光电性质与输运特性 ,正在成为量子功能器件研究中的一个热点领域 .作为纳米量子点的制备方法 ,自组织生长技术正在受到人们的普遍重视 .而如何实现具有尺寸与密度可控纳米量子点的自组织生长 ,更为材料物理学家所广泛关注 .因为这是由自组织方法形成的纳米量子点最终能否实现器件实用化的关键 .本文将以纳米量子点→自组织生长→形成机理→尺寸与密度可控为主线 ,简要介绍近 1 0年来纳米量子点自组织生长技术的研究进展 .     

CsPbBr3钙钛矿纳米片的制备及其发光性能

通过精确地控制在高温注入法中的制备温度和合成时间,利用高温注入法制备出了全无机CsPbBr_3钙钛矿纳米片(nanoplates,NPs),并将所制备出来的CsPbBr3钙钛矿纳米片用简单的溶液旋涂法和真空蒸镀的方法制备了以CsPbBr_3钙钛矿纳米片为钙钛矿发光层的发光二极管(light emitting diodes, LEDs).同时对CsPbBr3钙钛矿纳米片的结构、形貌和光学性能及以CsPbBr3钙钛矿纳米片为钙钛矿发光层的LEDs的光电性能进行了表征和分析.分析表明,利用经本文改良过的高温注入法可以获得尺寸均一的CsPbBr3钙钛矿纳米片,并且具有良好的光学性能.通过使用溶液法所制备出的以CsPbBr_3钙钛矿纳米片为发光层的LEDs器件的外部量子效率(externalquantum efficiency, EQE)为1.71%.     

锡基钙钛矿太阳能电池研究进展

有机-无机杂化钙钛矿具有优异的光吸收性能和较高的载流子迁移率等优点,相应的钙钛矿太阳能电池在经历短短11年的发展后,光电转换效率已接近单晶硅电池.同时,制备工艺简单、生产成本低等优势令钙钛矿太阳能电池具有极大的商业潜力.然而,存在于传统钙钛矿太阳能电池中铅的毒性仍是限制其大规模生产最重要的阻碍之一.低毒性的锡基钙钛矿继承了铅基钙钛矿绝大部分优异的光电性能,目前最高的光电转换效率已超过13%,但与铅基相比还有一定差距.本文首先介绍锡基钙钛矿的结构和性质,然后分别从添加剂和组分调控两个角度综述锡基钙钛矿太阳能电池近年来的重要研究进展,最后总结该领域存在的挑战和发展方向.     

螺芴氧杂蒽(SFX)类有机半导体及其OLEDs

一锅法(one-pot method)合成螺环芳烃具有原料易得、锅-原子-步骤经济(PASE)等优势,成为绿色有机半导体的典范.本文回顾了螺环芳烃分子砌块及其应用于电子器件领域的历史,重点论述了以螺芴氧杂蒽(SFX)为代表的螺环芳烃的串联反应,SFX类有机半导体四元分子设计平台与其有机电致发光材料(包括深蓝色荧光有机电致发光二极管(OLEDs)材料、磷光三基色主体材料、磷光客体材料)的研究进展.其中,哑铃型SFX深蓝色荧光OLEDs器件的电流效率、功率效率、外量子效率分别为7.4 cd/A,4.1 lm/W,4.6%;SFX基电致磷光OLEDs的电流效率、功率效率、外量子效率分别为70.0 cd/A,77.0 lm/W,19.2%;同时实现了应用于磷光OLEDs的三基色与白光的单一主体材料.最后,展望了螺环芳烃的绿色合成方法、SFX类OLED显示与照明技术、电子学其他领域及智能器件等方面的可能应用.     

钙钛矿太阳能电池的大面积成膜方法

有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池因其较高的光电转化效率引起了人们的广泛研究,但在目前所报道的高效率器件中,电池的有效面积通常仅为0.1 cm~2左右,达不到工业化的要求.钙钛矿电池的大面积制备是其工业化的必经之路.而制备大面积钙钛矿电池的关键在于制备大面积高质量的钙钛矿薄膜.本文将根据大面积钙钛矿太阳能电池所取得的最新成果,对钙钛矿的成膜方法加以总结和评述,为今后大面积钙钛矿电池的发展提供帮助.     

膦基电致发光材料及器件的研究进展

芳香膦(氧)基团具有可打断共轭、电子效应适中、位阻大、便于多功能修饰和配位能力强等特点,是少数几个兼具多种功能的基团之一.通过综合运用这些功能,芳香膦(氧)基团在选择性调节分子光电特性等方面显示出了独特的优势.因此,芳香膦(氧)基团不仅适于构建综合性能优异的光电功能材料,进而实现高效的有机电致发光器件,而且能够为选择性研究单一性质变化对材料光电性能的影响提供平台.近年来,膦基光电功能材料逐渐发展成为有机电致发光(organic light-emitting diode, OLED)领域的热点之一,其所展现出的优异性能和清晰的构效关系在丰富OLED材料库、明确材料设计和优化途径,乃至推动OLED技术创新等方面具有重要的理论意义和实际应用价值.我们在膦基电致发光材料及其器件方面开展了比较系统的研究.从材料的设计策略出发,分别开发了膦基主体材料、发光材料和电子传输材料,对这类材料的光物理性质、激发态特性、电学性能以及电致发光器件性能等进行深入研究.本文对这些工作进行了较为系统的总结,以期为今后膦基光电功能材料的开发提供借鉴和参考.     

有机单晶电致发光器件研究进展

有机单晶半导体材料由于分子排列有序、高稳定性和高载流子迁移率等优点,成为一类具有应用潜力的光电子材料,在光电器件领域获得了广泛的应用.特别是其弥补了无定形态有机薄膜在热稳定性和载流子迁移率等方面的不足,有机单晶在有机电致发光器件(OLED)方面展现了潜在的应用前景.有机单晶OLED器件从最初的点发光到成功实现了面发光,器件性能不断提升.本文聚焦有机单晶OLED,系统总结了材料和器件制备工艺以及器件性能优化等方面的研究进展,同时讨论了有机单晶OLED性能进一步提升所面临的瓶颈难题和可行的解决方案.     

多功能聚集诱导发光OLED材料研究进展

重点介绍了以具有聚集诱导发光(AIE)特性的噻咯和四苯基乙烯为基本结构单元,通过引入电子传输基团或空穴传输基团构筑的一系列新型具有多功能性的有机发光二极管(OLED)材料.由于AIE结构基元的存在,这些分子能够表现出优异的固态发光效率,同时,载流子传输基团的引入使得材料的载流子传输能力大大提高.这些材料不仅能够作为电致发光层使用,也能同时作为电致发光层和载流子传输层使用,在OLED器件中能够表现出多功能的特性.利用这些材料制备的双层非掺杂OLED器件的外量子效率最高可达理论峰值,表明它们在保证OLED器件高效率的同时能够大大简化器件的结构,为降低器件生产成本提供了新途径.     

基于褶皱结构的可拉伸有机电致发光器件研究进展

近年来,随着柔性和可穿戴电子设备的发展,人们对可拉伸设备的需求不断提升,促进了可拉伸电子器件的快速发展.可拉伸显示器在可拉伸电子设备中起到信息传递和人机交互的作用,是可拉伸电子设备的重要组成部分.可拉伸发光器件作为可拉伸显示器的核心组成部分之一,受到广泛关注.随着材料、工艺和器件结构设计的不断发展与进步,可拉伸发光器件的研究得到快速发展,多种策略被开发出来用于实现器件的拉伸性,且器件性能显著提高.其中,基于褶皱结构的可拉伸有机电致发光器件因其优异的光电性能和机械拉伸性而在可穿戴电子设备、电子皮肤、智能服装等领域展现出较大的应用潜力,成为制备可拉伸显示器的候选器件之一.本文对基于褶皱结构可拉伸有机电致发光器件的研究进展进行综述,首先介绍了褶皱结构的形成机制及相关的理论,然后对褶皱结构型可拉伸有机电致发光器件按照拉伸维度和褶皱有序性进行分类,总结了不同类型器件的设计思路、制造方案和器件性能特点.最后,简要讨论了褶皱结构可拉伸有机电致发光器件存在的一些挑战及对未来的展望.     

基于有机小分子和有机-无机杂化钙钛矿复合发光层的白光PeLED

由于优越的光电特性和溶液加工特性,有机-无机杂化钙钛矿材料在发光显示领域展示出极大的应用前景.近两年,有机-无机杂化钙钛矿电致发光器件(Pe LED)得到了快速发展,电致发光效率已经达到了传统有机电致发光器件(OLED)的水平.由于白光是显示和照明领域的最主要光源,因此开发白光Pe LED具有重要的科学和商业价值.本文报道了以有机小分子1,3-bis(9-carbazolyl)benzene(m CP)和有机-无机杂化钙钛矿CH3NH3Pb Br3混合膜作为发光层的一种新型白光Pe LED.首先,通过一步旋涂工艺得到了均匀致密、覆盖度较高的m CP:CH3NH3Pb Br3晶体薄膜.然后以m CP:CH3NH3Pb Br3膜作为发光层的白光Pe LED(器件结构为ITO/PEDOT:PSS/m CP:CH3NH3Pb Br3/tri(1-phenyl-1H-benzo[d]imidazol-2-yl)phenyl(TPBI)/Li F/Al),器件的启亮电压为~3.2 V,最大亮度为~170 cd/m2,电致发光效率为~0.15 cd/A.当偏压为7 V时,Pe LED的CIE色坐标达到了(0.32,0.31),得到了理想的白光.该白光Pe LED基本达到了工业化的要求,同时也为进一步开发更高效、更稳定的白光Pe LED提供了参考思路.