Perowskit-Leuchtdioden (PeLEDs) haben sich aufgrund ihrer signifikanten Vorteile wie geringe Materialkosten, hohe Lichtstärke und einstellbare Emissionsfarben zu vielversprechenden Kandidaten für Display- und Beleuchtungstechnologien der nächsten Generation entwickelt. Seit ihrer frühen Entwicklung haben PeLEDs bemerkenswerte Leistungssteigerungen erzielt. Dieser Fortschritt beruht nicht nur auf Innovationen im Emittermaterial selbst, sondern vor allem auf den Synergieeffekten der Optimierung der gesamten Gerätestruktur, der verbesserten Ladungsträgerinjektion und -rekombinationseffizienz sowie der Fortschritte im Grenzflächen-Engineering. Fortschritte im Grenzflächen-Engineering haben Energieverluste effektiv reduziert und Defekte passiviert. In diesem Zusammenhang spielt die Lochtransportschicht (HTL) zwischen Emitter und Anode eine entscheidende Rolle. Sie bestimmt direkt die Lochinjektionseffizienz, die nichtstrahlenden Rekombinationsverluste an der Grenzfläche und die Gesamtstabilität des Bauelements. Daher sind die eingehende Erforschung und Optimierung der HTL unerlässlich, um die Effizienz und Lebensdauer von PeLEDs weiter zu verbessern – ein wichtiger Schritt, um den Übergang dieser Technologie von der Laborforschung in die praktische Anwendung in Displays, Beleuchtung und Bioimaging zu beschleunigen.
In der Pin-Struktur blauer Perowskit-LEDs (PeLEDs) wird Poly(3,4-ethylendioxythiophen):Polystyrolsulfonat (PEDOT:PSS) aufgrund seiner hohen Lochmobilität, guten optischen Transparenz und Verarbeitbarkeit aus Lösung häufig als Lochtransportmaterial eingesetzt. PEDOT:PSS weist jedoch in blauen PeLEDs erhebliche Einschränkungen auf: Die Fehlanpassung des Energieniveaus an die Perowskit-Aktivschicht führt zu einer hohen Lochinjektionsbarriere und starker nichtstrahlender Rekombination; seine inhärente Hygroskopizität führt zu Feuchtigkeit aus der Umgebung, was den Abbau und die Phasentrennung des Perowskitmaterials beschleunigt; gleichzeitig ist seine Leitfähigkeit anfällig für Prozessbedingungen und Umwelteinflüsse, was zu instabiler Geräteperformance und erheblichen Effizienzschwankungen führt.
Um diese Engpässe zu beheben, hat sich die Einführung einer Polymerzwischenschicht zwischen der Lochtransportschicht (HTL) und der Perowskit-Grenzfläche zur Bildung einer funktionalen Brückenschicht als effektive systematische Lösung erwiesen. Diese Zwischenschichtstruktur ermöglicht eine präzise Bandlückenmodulation für eine effiziente Lochinjektion, nutzt die Grenzflächenpassivierung auf molekularer Ebene zur Unterdrückung nichtstrahlender Rekombination und etabliert eine chemisch inerte Barriere zur Minderung destruktiver Reaktionen. Dadurch werden die photoelektrische Umwandlungseffizienz und die Lebensdauer der Bauelemente synergistisch verbessert. Unter den verschiedenen Optionen übertrifft Poly(N-vinylcarbazol) (PVK) aufgrund seiner exzellenten Filmbildungsfähigkeit, die ihm eine überlegene Grenzflächenqualität und -stabilität verleiht, oft andere Polymer-Lochtransportmaterialien. Die inhärent niedrige Ladungsträgermobilität von PVK bleibt jedoch ein zentrales Problem. Trotz Versuchen, die Ladungstransporteigenschaften durch Dotierung oder Additivierung zu verbessern, bleibt die Überwindung der durch die elektronische Struktur des Polymergerüsts bedingten Einschränkungen eine Herausforderung. Daher besteht neben dem Erhalt der bestehenden Vorteile von PVK hinsichtlich der Grenzflächenmodulation ein dringender Bedarf an der Entwicklung neuartiger Polymerstrukturen mit hoher Mobilität durch innovatives Moleküldesign.
Frühere Arbeiten berichteten über das undotierte Polymer HTM, ein „Polyvinylcarbazol-basiertes Polymer“, das durch die Kombination eines nicht-konjugierten Polyethylen-Rückgrats mit Carbazol-basierten Seitenketten vom „A-Typ“ hergestellt wird. Als Brückenschicht zwischen PEDOT:PSS und Perowskit moduliert diese Struktur effektiv die Energieniveaus, fördert den Lochtransport und dessen Ausrichtung zur Perowskitschicht und unterdrückt die nichtstrahlende Rekombination. Himmelblaue PeLEDs (Emissionswellenlänge 488 nm) basierend auf dieser Struktur zeigten eine Betriebsspannung von 3 V und eine maximale externe Quanteneffizienz von 3,26 %, was einer 1,27-fachen Verbesserung gegenüber Bauelementen ohne Brückenschicht entspricht. Diese Leistungssteigerungen bestätigen eindrucksvoll die Überlegenheit der Strategie, das nicht-konjugierte Rückgrat mit aromatischen Nanostrukturen vom A-Typ zu kombinieren. Theoretische Studien haben gezeigt, dass die Einführung starker elektronenziehender Gruppen (wie Cyano, -CN) in das molekulare Rückgrat von PVK die Effizienz der Ladungsextraktion an der Grenzfläche optimieren kann, indem das molekulare Dipolmoment erhöht und die Filmstabilität durch intermolekulare Dipol-Dipol-Wechselwirkungen verbessert wird.
Um das Potenzial der molekularen Vernetzungsstrategie weiter zu erforschen und die Leistung von Bauelementen zu verbessern, führten Xie Linghai et al. von der Nanjing University of Posts and Telecommunications unter Beibehaltung dieser Kernstrategie Cyanogruppen ein, um eine Donor-Akzeptor-Struktur zu erzeugen. Sie entwarfen und synthetisierten ein cyanofunktionalisiertes aromatisches Polymer vom Typ A mit Nanogitterstruktur, P-CzCN. Experimentelle Charakterisierungen zeigen, dass P-CzCN eine signifikant verbesserte Lochmobilität und eine ausgezeichnete Defektpassivierungsfähigkeit aufweist. Durch die Kombination von theoretischen Berechnungen und Charakterisierung auf verschiedenen Skalen wird in dieser Arbeit der synergistische Regulierungsmechanismus der Cyano-Modifizierung auf das molekulare Stapelverhalten, die Ladungstransportwege und die Ausrichtung der Grenzflächenenergieniveaus systematisch aufgeklärt. Blaue PeLEDs mit P-CzCN-Brückenschichten erreichten eine maximale Leuchtdichte von 4040 cd m⁻² und eine externe Quanteneffizienz von 5,39 % bei 488 nm. Unter verschiedenen Spannungen liegt das Elektrolumineszenzspektrum konstant bei 488 nm und zeigt damit eine ausgezeichnete spektrale Stabilität. P-CzCN ist ein wichtiges Beispiel für die Funktionalisierung von gitterbasierten HTMs und von großer Bedeutung für die Weiterentwicklung der praktischen Anwendung der blauen PeLED-Technologie.
