Interface-Assisted Perovskite Modulations for High-Performance Light-Emitting Diodes

Metal halide perovskites have emerged as a class of promising materials for a wide range of optoelectronic devices. Compared with traditional inorganic and organic semiconductors, perovskite materials can be easily processed via solution-based techniques at low temperatures and exhibit high photo-luminescence efficiency, outstanding colour purity, and superior charge transport properties, showing great promise for cost-effective and high-performance light-emitting diodes (LEDs). Since the first demonstration of room-temperature operating perovskite-based LEDs (PeLEDs) in 2014, various useful strategies on optimizing perovskite emissive materials and device structures have been developed, leading to notably enhanced device performance of PeLEDs during the last several years. Nevertheless, despite rapid progress in improving the external quantum efficiencies (EQEs) of PeLEDs, which are now approaching those of commercialized technologies, the operational stability of state-of-the-art PeLEDs remains poor, presenting a critical challenge for their practical applications and commercialization. Besides, a majority of the optimization strategies demonstrated for PeLEDs derivate from those developed for either perovskite photovoltaics or prevailing light-emitting technologies, e.g., organic- and quantum-dot-based LEDs. Although these strategies are helpful, more comprehensive investigations and in-depth understanding of factors affecting the property of perovskite emissive layers and the device performance of ensuing PeLEDs are highly desirable to foster further advancements of this promising technology. In this thesis, we focus our study on near-infrared PeLEDs based on triiodide perovskite emissive layers processed from precursor solutions. We systematically investigate the critical effects of precursors, substrates, and additives on the film quality of perovskite emissive layers. With the indepth understanding of the perovskite crystallization process, we developed a range of effective interface-assisted strategies on modulating the perovskite emissive layers, which enable us to achieve PeLEDs with high EQEs and excellent long-term operational stability beyond the state-of-the-art.In the first study, we unveiled the synergistic effect of precursor stoichiometry and interfacial reactions for PeLEDs. We reveal that ZnO efficiently deprotonates the organic cations, which promotes the formation of highly emissive perovskites from precursor solution with excess organic components, leading to the achievement of PeLEDs with a high EQE of 19.6 %. In the second study, we presented that such ZnO deprotonation process of excess organic cations can also assist the cation exchange process between cesium-formamidinium (FA-Cs) cation exchange, enabling low-temperature fabrication of pure-phase Cs-FA mixed cation perovskite films with widely tunable emissions peaking between 715 nm and 800 nm as well as high-performance devices with peak EQEs over 15%. In spite of enhanced device efficiency realized by the perovskite crystallization modulation, this ZnO deprotonation process places a detrimental effect on the stability of the PeLEDs, which can be accelerated by Joule heating and high electric fields during the device operation. In the third study, we, therefore, demonstrated the role of ZnO in catalyzing an efficient amidation reaction between incorporated dicarboxylic acid additives and excess FAI, preventing the above-mentioned harmful interfacial reaction. With this strategy, the operational half lifetime of the resulting PeLEDs was improved to 682 hours at 20 mA/cm2 while maintaining a high device efficiency of 18.6%. In the last work, we emphasized that the rational design of molecular reactions between two additives (diamine and triacrylate) and perovskite components with the assistance of ZnO substrates can subsequently eliminate the negative effect introduced by additive, reduce the defect density and enhance the crystal orientation in the perovskite emissive layers. The rational understanding of interfacial interactions between perovskite, additives, and ZnO, enabled us to achieve PeLEDs with a device efficiency of 23.8% as well as an outstanding operational stability T70 (reduction to 70% of initial efficiency) lifetime of 290 hours at 20 mA/cm2. The study in this thesis developed effective interface-assisted modulation strategies for high-quality perovskites towards highly efficient and stable PeLEDs for commercialization. A thorough understanding of perovskite chemistry-property-performance modulation assisted by interfaces is indispensable for the future development of PeLEDs and our study took an important step.Metall-halid-perovskiter har visat sig vara en lovande kategori av material för en bred variation av optoelektroniska komponenter med utmärkt prestanda. Jämfört med traditionella oorganiska och organiska halvledare kan perovskit-material enkelt tillverkas och bearbetas med hjälp av lösningsbaserade tekniker vid låga temperaturer samtidigt som de visar hög fotoluminescenseffektivitet, enastående färgrenhet och överlägsna egenskaper gällande laddningstransport. Metall-halidperovskiter uppvisar därmed stora fördelar för att kunna uppnå kostnadseffektiva och högpresterande lysdioder (LED:er). De första perovskit-baserade lysdioderna (PeLED:er) som kunde drivas under rumstemperaturförhållanden visades upp år 2014. Sedan dess har en rad användbara strategier utvecklats för att optimera de ljusemitterande perovskitmaterialen såväl som diodstrukturerna, vilket lett till märkbart förbättrad prestanda för PeLEDs. Trots snabba framsteg gällandes förbättringen av PeLED:ernas externa kvanteffektivitet, som nu närmar sig kommersiell teknik, är den operativa stabiliteten hos vetenskapens bästa PeLED:er fortfarande dålig, och utgör ett avgörande hinder och en utmaning för att nå praktiska tillämpningar och kommersialisering. En majoritet av de optimeringsstrategier som använts för PeLEDs kommer antingen från strategier som utvecklats för perovskit-solceller eller nuvarande ljusemitterande teknik, t.ex. organiska och kvantprickbaserade lysdioder (OLEDs och QLEDs). Även om dessa strategier är hjälpsamma, så är omfattande undersökningar och djupgående förståelse av faktorer som påverkar egenskaper hos det emitterande perovskitlagret och prestandan av kommande PeLED:er mycket önskvärd för att främja ytterligare framsteg av denna lovande teknik. I denna avhandling fokuserar vi vår studie på nära infraröda peLED:er baserade på emitterande trijodid-perovskitfilmer tillverkade från prekursorlösningar. Vi undersöker systematiskt de avgörande effekterna som prekursorer, substrat och tillsatser har på filmkvaliteten hos de emitterande perovskitfilmerna. Med den djupgående förståelsen av perovskitkristalliseringsprocessen utvecklade vi en rad användbara gränsyteassisterade strategier för att modulera de emitterande perovskitfilmerna. Detta gör det möjligt för oss att uppnå PeLED:er med integrerade höga EQE:er och utmärkt långsiktig operativ stabilitet som är bättre än dagens bästa PeLED:er. I den första studien visar vi på den nyckelroll som det alkaliska ZnO-mellanlagret har gällandes påverkan av kristalliseringen av perovskiter, så väl som det stökiometriska förhållandet i prekursorlösningarna. ZnO kan enkelt deprotonera organiska katjoner och eliminera överskottet av FAI, vilket bidrar till en effektiv fasövergång från prekursorkomplex till rena perovskiter med hög emissivitet vilket leder till hög-effektivitets-dioder på 19,6 %. I uppföljningsstudien visade vi att ZnO-deprotonerings-processen av överskott av organiska katjoner också kan initiera; Cs-FA katjonutbyte, förändra legeringsförhållandt mellan Cs och FA, bilda ren-fas-Cs-FA-perovskitfilmer med justerbara emissionstoppar mellan 715 nm och 800 nm samt EQE-värden över 15% för de bästa dioderna. Trots den förbättrade effektivitet som uppnås genom perovskitkristalliseringsmoduleringen, bildar denna ZnO-deprotoneringsprocess en skadlig effekt på PeLED:ernas stabilitet. En sådan effekt kan påskyndas av Joule-uppvärmning och hög elektrisk fältstyrka under drift. I den tredje studien visade vi ZnOkatalysatorernas viktiga roll när det gäller att införa en effektiv amidiseringsreaktion mellan dikarboxylsyra-tillsatser och överskotts-FAI, vilket förhindrar ovannämnda skadliga gränsytereaktion. Med denna strategi förbättrades peLED:ers operativa halveringstid till nästan 700 timmar vid 20 mA/cm2 samtidigt som en hög effektivitet på 18,6% uppehålls. I det sista arbetet visade vi att kombinationen av två tillsatsämnen (diamin och triakrylat) kan förbättra interaktionerna mellan perovskit och tillsatser avsevärt, tillexempel via tvärbindning av tillsatser och omvandling av överskott av FAI till stabila stora molekyler med hjälp av ZnO-katalysatorer. På detta vis uppnår vi flera funktioner, alltifrån passivering av defekter till perovskitkristallorienteringsreglering. Den rationella förståelsen av gränsyte-interaktioner mellan perovskit, tillsatser och ZnO, gjorde det möjligt för oss att uppnå PeLED:er med en effektivitet på 23,8% samt en enastående driftsstabilitet, med en T70 livslängd på 290 timmar (med en minskning till 70% av den ursprungliga effektiviteten). Studien som presenteras i denna avhandling visar på en effektiv strategi för att åstadkomma högeffektiva och stabila PeLED:er för framtida kommersialisering. En omfattande förståelse av kemi-struktur-egenskap-prestanda-modulering av perovskiter som assisteras av gränsytor är oumbärlig för utvecklingen av PeLED:er, och vår studie tog ett viktigt steg för den förståelsen