Study on Charge Transport and Passivation Strategies for Efficient Blue Quasi-2D Perovskite Light-Emitting Diodes

Abstract

In recent years, extensive research has been conducted on metal halide perovskite materials due to their excellent optical properties, such as high photoluminescence quantum yield (PLQY), high color purity with narrow full-width half-maximum (FWHM), and a tunable band gap ranging from the violet to near-infrared region. These advantages serve as the driving force for the remarkable development of next-generation full-color display and lighting applications. Due to the advantages of large exciton binding energy, flexible dimensionality regulation and cascade energy landscape, the quasi-two-dimensional (quasi-2D) emissive layer-based perovskite light-emitting diodes (PeLEDs) have achieved promising efficiencies. Specifically, the efficiencies of green and red PeLEDs have already exceeded 25%, whereas the efficiency of blue PeLEDs remains to be improved. The performance of PeLEDs is largely dependent on the transport of electrons and holes, as well as the ratio of radiative recombination to nonradiative recombination. Here, I present several effective strategies for optimizing charge transport and passivating perovskite defects, resulting in improved performance of blue quasi-2D PeLEDs. Firstly, a binary-blend HTL composed of poly(9-vinlycarbazole) (PVK) and 2-(4-biphenyl)-5-(4-tert-butylphenyl)-1,3,4oxadiazole) (PBD) with a deep HOMO level is introduced to reduce the energy barrier between hole transport layer (HTL) and emissive layer (EML), enhance hole injection and achieve balanced charge transport. The optimal device based on the ratio of PVK:PBD of 9:1 shows the maximum luminance of 167 cd m-2 and highest EQE of 5.30% with emission peak at 478 nm. Secondly, a dual passivation additive diphenylphosphinamide (DPPA) is introduced into the quasi-2D perovskite films. Through coordination between the phosphine oxide group and the unsaturated lead ions, as well as hydrogen bonding between the amino group and adjacent halide ions, DPPA has been demonstrated to passivate defects in perovskite, and suppress ion migration of halide. As a result, quasi-2D blue PeLEDs with superior operational and spectral stability have been achieved with a maximum EQE of 12.31% at 486 nm. Lastly, a series of phosphonic acid-based additives, phosphonoacetic acid (2-PA), 3-phosphonopropionic acid (3-PA), 6-phosphonohexanoic acid (6-PA), with different alkyl chain lengths are introduced into quasi-2D perovskite. It is demonstrated that PA additives can not only passivate perovskite defects by coordinating with unsaturated Pb2+ via P=O functional group, but also promote energy transfer in quasi-2D perovskite film by optimizing the proportion of small n phases and large n phases. Based on the synergistic effect of reduced non-radiative recombination losses and efficient radiative recombination, the optimized PeLED with 3-PA additive exhibits a champion EQE of 13.11% with emission peak at 486nm. |금속 할라이드 기반 페로브스카이트 소재는 높은 광 발광 양자수율, 좁은 반치 전폭, 높은 색 순도 및 가시광선 영역에서의 파장 조절이 쉽다는 등의 우수한 광학적 특성들을 나타낸다. 그리고 이러한 특성들은 차세대 디스플레이 기술에서 장점으로 작용할 수 있기 때문에 발광소자 분야의 발전에 크게 이바지 할 수 있어, 관련 연구가 광범위하게 진행되고 있다. 특히 준 2차원구조의 페로브스카이트 소재는 강한 엑시톤 결합 에너지, 차원 조절성 에너지 랜드스케이프의 장점을 가지고 있어 페로브스카이트 발광 다이오드(PeLED)에 유망한 소재이다. 그 중에서도 녹색 및 적색 PeLED는 25%를 초과한 높은 성능이 보고되고 있지만, 청색 PeLED의 성능은 전자와 정공의 주입, 또는 방사성 재결합의 비율 등의 한계점 때문에 아직 개선되어야 할 부분이 많다. 본 논문에서는 청색 PeLED의 성능을 향상시키기 위한 전략으로 발광소자 내에서의 전하수송을 최적화하는 방법과, 준 2차원 페로브스카이트 소재에 존재하는 결함을 효과적으로 부동태화 할 수 있는 방법에 대한 주제를 다뤘다. 첫째로,정공 수송층과 발광층 사이의 에너지 장벽을 줄이기 위해 poly(9-vinlycarbazole) (PVK)와 2-(4-biphenyl)-5-(4-tert-butylphenyl)-1,3,4oxadiazole) (PBD)로 이루어진 고분자/저분자 혼합 정공수송층을 도입하여 발광 소자 내에서 균형있는 전하주입을 구현하였다. PVK:PBD의 9:1 비율의 최적의 발광소자는 478 nm의 청색영역에서 최대 휘도 167 cd m-2와 5.30%의 외부양자효율을 보였다. 둘째로, 준2차원 페로브스카이트 소재에 이중 작용기를 포함하는 diphenylphosphinamide (DPPA) 첨가제를 도입하였다. 인산화합물 작용기와 납 이온간의 배위결합 및 아미노기와 할로젠 이온간 수소결합을 통해 DPPA 첨가제는 효과적으로 페로브스카이트 내에 존재하는 결함을 부동태화 하며 할로젠 이온의 이동을 억제하는 결과를 보여준다. 이로 인해, 486nm의 청색 영역에서 12.31%의 외부양자효율 및 우수한 색상 안정성을 보이는 PeLED를 성공적으로 구현하였다. 마지막으로 알킬 사슬 길이가 각기 다른 인산산 기반 첨가제인 phosphonic acid(PA) group을 준2차원 페로브스카이트 소재에 도입하였다. PA 첨가제는 인산화합물 작용기와 납 이온간의 배위결합을 통해 페로브스카이트 내에 존재하는 결함을 부동태화할 수 있으며 알킬 사슬길이에 따라 페로브스카이트의 n 상의 비율을 조정할 수 있기 때문에 이를 최적화 하여 페로브스카이트 발광층 내의 에너지 전달을 촉진시킬 수 있음을 보여주었다. 이를 통해 비방사 재결합 손실이 효과적으로 감소할 수 있는 것을 확인하였고 최적의 페로브스카이트 n 상 비율조정을 통해 발광소자 내의 효과적인 에너지 전달을 유도하였고 시너지효과에 기반하여 3-PA 첨가제가 도입된 PeLED는 486nm의 청색 영역에서 13.11%의 외부양자효율을 보여주었다.