高极性醇处理PEDOT:PSS空穴传输层提升钙钛矿LED性能

摘要

基于ITO/PEDOT:PSS/CH₃NH₃PbBr₃/TPBi/Ag器件结构的钙钛矿发光二极管（PeLEDs），通过在PEDOT:PSS层上旋涂高极性醇显著提升性能。甲醇（MeOH）处理使最大亮度达2075 cd m⁻²、电流效率0.38 cd A⁻¹，远超未处理器件（261 cd m⁻²，0.10 cd A⁻¹）。改善源于两大协同效应：(1) PEDOT:PSS导电率提升增强空穴注入；(2) 处理层表面能增加改善MAPbBr₃结晶度与覆盖度。该简便方法为高性能PeLEDs提供可规模化路径。

研究背景

混合钙钛矿兼具低成本、溶液加工性、高载流子迁移率、可调带隙，极具显示与固态照明应用潜力。其窄半高全宽（FWHM）和高光致发光量子产率（PLQY）相较有机LED优势明显，支持卷对卷制造、降低制造复杂度。

自2014年首个溶液法PeLED报道以来，性能里程碑大幅跃升：从364 cd m⁻²亮度、0.1% EQE，到前驱体优化达42.9 cd A⁻¹电流效率，自组装量子阱实现11.7% EQE，引入低介电常数聚合物达92% PLQY。

器件架构典型为阳极/HTL/发光层/ETL/阴极。PEDOT:PSS因透明、溶液兼容性成最常用HTL，但其相对钙钛矿HOMO（5.6–5.9 eV）的高空穴注入势垒（0.4–0.7 eV）限制电荷平衡。常规降低势垒策略掺杂全氟离子聚合物或MoO₃，虽有效但增加大规模制造复杂度。

本研究引入非掺杂新策略：退火前在PEDOT:PSS上旋涂高极性醇。利用溶剂极性屏蔽PEDOT/PSS库仑相互作用，选择性移除绝缘PSS提高PEDOT导电率，同时提升表面能促进更细致、覆盖更好的MAPbBr₃晶粒生长。

实验方法

器件结构 – ITO（15 Ω sq⁻¹）/PEDOT:PSS（70 nm）/MAPbBr₃（70 nm）/TPBi（40 nm）/Ag（100 nm）。ITO和Ag分别作阳极和阴极。

衬底处理 – ITO晶片依次经去污剂、丙酮、去离子水、IPA超声清洗（各15分钟），再经O₂等离子体15分钟。

PEDOT:PSS处理 – 5000 rpm旋涂60秒。对照样品120°C退火20分钟无溶剂处理。实验样品经MeOH、EtOH或IPA以5000 rpm旋涂30秒，同条件退火。

钙钛矿层 – 5 wt% MAPbBr₃ DMF溶液，两步旋涂：500 rpm/20 s和3000 rpm/60 s，40秒时滴加400 µL氯苯。100°C退火10分钟。

ETL与阴极 – 40 nm TPBi热蒸发，继100 nm Ag高真空沉积。有效面积0.2 cm²。

电学光学测试用Keithley 4200源表、OPT-2000分光光度计、四探针测导电率。形貌用AFM和SEM观察；XRD测结晶度；时间分辨光致发光（TRPL）用368 nm脉冲激光配合FL-TCSPC。

结果与讨论

器件性能

图2展示未处理及醇处理PEDOT:PSS器件的亮度、电流密度、电流效率。MeOH处理器件最大亮度2075 cd m⁻²、电流效率0.38 cd A⁻¹，对照器件仅261 cd m⁻²和0.10 cd A⁻¹。EtOH和IPA处理效果居中（1166 cd m⁻²，0.16 cd A⁻¹；863 cd m⁻²，0.22 cd A⁻¹），证实极性依赖效应。

电致发光谱均以532 nm为中心、27 nm FWHM，确认发光仅源自MAPbBr₃。