Meningkatkan Performa LED Perovskit melalui Perawatan PEDOT:PSS dengan Alkohol Tingkat Polaritas Tinggi

Abstrak

LED perovskit (PeLED) yang dibangun pada tumpukan ITO/PEDOT:PSS/CH₃NH₃PbBr₃/TPBi/Ag mendapat manfaat besar dari perawatan spin-coat sederhana pada lapisan PEDOT:PSS dengan alkohol tingkat polaritas tinggi. Perawatan metanol (MeOH) meningkatkan kecerahan maksimum hingga 2075 cd m⁻² dan efisiensi arus hingga 0,38 cd A⁻¹, melebihi perangkat yang tidak ditangani (261 cd m⁻², 0,10 cd A⁻¹). Peningkatan ini timbul dari dua efek sinergi: (1) injeksi lubang yang ditingkatkan karena konduktivitas PEDOT:PSS yang meningkat, dan (2) kristalinitas dan cakupan MAPbBr₃ yang ditingkatkan yang didorong oleh energi permukaan yang lebih tinggi dari lapisan yang ditangani. Metode sederhana ini menawarkan rute yang scalable untuk PeLED berkinerja tinggi.

Latar Belakang

Perovskit hibrida menggabungkan biaya rendah, proses solusi, mobilitas penangkap yang tinggi, dan jarak energi yang dapat disesuaikan, menjadikannya menarik untuk aplikasi layar dan pencahayaan padat. Lebar setengah maksimum (FWHM) yang sempit dan hasil fotoluminesensi kuantum (PLQY) yang tinggi menempatkan mereka dengan menguntungkan terhadap LED organik, yang memungkinkan pembuatan roll-to-roll dan mengurangi kompleksitas manufaktur.

Sejak PeLED pertama yang diproses dengan solusi dilaporkan pada 2014, tonggak kinerja telah meningkat secara dramatis: dari kecerahan 364 cd m⁻² dan EQE 0,1 %, hingga efisiensi arus 42,9 cd A⁻¹ melalui optimasi prekursor, hingga EQE 11,7 % menggunakan sumur kuantum yang diorganisasi sendiri, dan PLQY 92 % yang dicapai dengan mengintegrasikan polimer konstanta dielektrik rendah.

Arsitektur perangkat biasanya mengikuti anoda/HTL/EML/ETL/katoda. PEDOT:PSS adalah HTL yang paling umum karena transparansi dan kompatibilitas solusi, namun hambatan injeksi lubang yang tinggi (0,4–0,7 eV) relatif terhadap HOMO perovskit (5,6–5,9 eV) membatasi keseimbangan muatan. Strategi konvensional untuk mengurangi hambatan melibatkan doping PEDOT:PSS dengan ionomer perfluorinasi atau MoO₃, yang, meskipun efektif, menyusutkan pembuatan skala besar.

Studi ini memperkenalkan pendekatan tanpa doping: spin-coat alkohol tingkat polaritas tinggi pada PEDOT:PSS sebelum anelan. Dengan memanfaatkan polaritas pelarut untuk menyaring interaksi Coulomb PEDOT/PSS, kami secara selektif menghapus PSS insulator dan meningkatkan konduktivitas PEDOT, sambil sekaligus meningkatkan energi permukaan yang mempromosikan butir MAPbBr₃ yang lebih halus dan tertutup dengan baik.

Metode

Struktur Perangkat – ITO (15 Ω sq⁻¹)/PEDOT:PSS (70 nm)/MAPbBr₃ (70 nm)/TPBi (40 nm)/Ag (100 nm). ITO dan Ag berfungsi sebagai anoda dan katoda, masing-masing.

Persiapan Substrat – Wafer ITO dibersihkan secara berurutan dalam detergen, aseton, air deionis, dan IPA (15 menit masing-masing) dalam mandi ultrasonik, diikuti oleh 15 menit plasma O₂.

Perawatan PEDOT:PSS – Spin 5000 rpm selama 60 s. Sampel kontrol dianal pada 120 °C selama 20 menit tanpa pelarut. Sampel eksperimen menerima spin MeOH, EtOH, atau IPA selama 30 s pada 5000 rpm, kemudian dianal dalam kondisi yang sama.

Lapisan Perovskit – MAPbBr₃ 5 wt % dalam DMF, spin-coated 500 rpm/20 s dan 3000 rpm/60 s dengan titik klorobenzena 400 µL pada 40 s. Dianal pada 100 °C selama 10 menit.

ETL dan Katoda – 40 nm TPBi diangas, kemudian 100 nm Ag ditambahkan dalam vakum tinggi. Area aktif: 0,2 cm².

Pengukuran listrik dan optik menggunakan sumber Keithley 4200, spektrofotometer OPT-2000, dan sond empat titik untuk konduktivitas. Morfologi diperiksa melalui AFM dan SEM; kristalinitas melalui XRD; PL teresolusi waktu (TRPL) menggunakan laser pulsed 368 nm dengan FL-TCSPC.

Hasil dan Pembahasan

Kinerja Perangkat

Gambar 2 mengilustrasikan kecerahan, kepadatan arus, dan efisiensi arus dari perangkat dengan PEDOT:PSS yang tidak ditangani dan yang ditangani alkohol. Perawatan MeOH menghasilkan kecerahan maksimum 2075 cd m⁻² dan efisiensi arus 0,38 cd A⁻¹, dibandingkan dengan 261 cd m⁻² dan 0,10 cd A⁻¹ untuk perangkat yang tidak ditangani. Perawatan EtOH dan IPA memberikan perbaikan menengah (1166 cd m⁻², 0,16 cd A⁻¹; 863 cd m⁻², 0,22 cd A⁻¹, masing-masing), yang mengonfirmasi efek yang bergantung pada polaritas.

Spektrum elektroluminesensi tetap berpusat pada 532 nm dengan FWHM 27 nm di semua perangkat, yang menunjukkan bahwa emisi berasal sepenuhnya dari MAPbBr₃.

Konduktivitas dan Morfologi PEDOT:PSS

Pengukuran konduktivitas menunjukkan kenaikan yang jelas dengan polaritas pelarut: yang tidak ditangani (0,1 S cm⁻¹), IPA (230,2 S cm⁻¹), EtOH (327,5 S cm⁻¹), dan MeOH (605,0 S cm⁻¹). Secara bersamaan, ketebalan film menurun dari 40 nm (yang tidak ditangani) menjadi 27–35 nm setelah perawatan, yang mencerminkan pengesetan PSS.

AFM mengungkapkan permukaan yang lebih halus: kekasaran RMS menurun dari 2,53 nm (yang tidak ditangani) menjadi 0,90–1,97 nm (yang ditangani), dengan MeOH menyediakan morfologi yang paling seragam. Pengukuran perangkat hanya lubang mengonfirmasi kepadatan arus yang lebih tinggi untuk film yang ditangani MeOH, yang menunjukkan injeksi lubang yang ditingkatkan.

Kristalisasi dan Morfologi MAPbBr₃

AFM lapisan perovskit menunjukkan kekasaran RMS yang berkurang (46,2 nm menjadi 38,2–39,5 nm) dan ukuran butir yang lebih kecil (328 nm menjadi 232–273 nm) setelah perawatan, terutama dengan MeOH. SEM mengonfirmasi cakupan permukaan yang lebih tinggi (24,95 % → 37,34 %) dan distribusi butir yang lebih halus.

Pola XRD menunjukkan puncak (100) dan (200) yang tajam pada 14,602° dan 29,845°, yang tidak berubah oleh perawatan, yang mengindikasikan struktur kristal kubik yang terpelihara. TRPL decay singkat setelah perawatan MeOH, yang menunjukkan efisiensi rekombinasi radiatif yang ditingkatkan.

Kesimpulan

Spin-coating alkohol tingkat polaritas tinggi pada PEDOT:PSS sebelum anelan secara signifikan meningkatkan kinerja PeLED. Perawatan metanol memberikan hasil terbaik, mencapai 2075 cd m⁻² kecerahan dan 0,38 cd A⁻¹ efisiensi arus. Manfaat ganda—injeksi lubang yang ditingkatkan melalui konduktivitas PEDOT yang meningkat dan kristalinitas perovskit yang ditingkatkan melalui energi permukaan yang lebih tinggi—menyoroti pendekatan ini sebagai rute yang scalable dan ramah industri untuk PeLED berkecerahan tinggi.

Singkatan

AFM

Mikroskopi gaya atom

CB

Klorobenzena

CE

Efisiensi arus

CE_max

Efisiensi arus maksimum

EL

Elektroluminesensi

EML

Lapisan emisi

EQE

Efisiensi kuantum eksternal

ETL

Lapisan transportasi elektron

EtOH

Etanol

FWHM

Lebar setengah maksimum

HOMO

Orbital molekuler terluar tertinggi

HTL

Lapisan transportasi lubang

IPA

Isopropanol

ITO

Oksida timah indium

J-V-L

Kepadatan arus-tegangan-kecerahan

L_max

Kecerahan maksimum

MAPbBr₃

CH₃NH₃PbBr₃

MeOH

Metanol

PEDOT:MoO₃

Campuran PEDOT:PSS dengan MoO₃

PEDOT:PSS

Poly(3,4-etilendioksitiofen):polistiren sulfonat

PeLEDs

LED perovskit

PFI

Ionomer perfluorinasi

PLQY

Hasil fotoluminesensi kuantum

PMMA

Poli(metil metakrit)

RMS

Akar rata-rata kuadrat

SEM

Mikroskopi elektron pemindai

TPBi

1,3,5-Tris(2-N-fenilbenzimidazolil) benzen

TRPL

Fotoluminesensi teresolusi waktu

XRD

Difraksi X-ray