打破世界纪录！我国钙钛矿发光二极管外量子效率突破20%

交汇点讯 “利用低温溶液法，在钙钛矿发光层设计上提出了新思路，将钙钛矿LED外量子效率提高到２０.７％，较国际同行提升了近8个百分点。”由南京工业大学海外人才缓冲基地（先进材料研究院）黄维院士、王建浦教授所带领的研究团队，在钙钛矿发光二极管（LED）方面的研究取得突破性进展，研究成果10月11日发表在国际顶级杂志《自然》上。

众所周知，被称为第四代照明光源或绿色光源的LED是一种能够将电能转化为光能的半导体电子元件。钙钛矿是一种不仅能用来发电，还能用来发光的热门材料，具有制备成本低、荧光量子效率高、色纯度高且颜色可调等特性。近年来兴起的钙钛矿发光二极管更是兼具无机LED和有机发光二极管OLED的优势，具有低能耗、高亮度、大尺寸显示与照明等特性，在日常生活和生产中具有广泛的应用前景。

探究提高LED“出光效率”的突破口

“目前平面结构的LED，尤其是有机发光二极管（OLED）的发光效率还比较低，原因在于除了约20%-30%的光子能通过折射离开器件外，其他光子都被限制在器件中。”该项研究成果主要完成人、南京工业大学先进材料研究院常务副院长王建浦介绍说，提高LED的出光效率是科研工作者一直以来为之努力的方向。据介绍，科学家们通常采用光提取技术提高出光率，但该方法需要增加图案化光栅等特殊结构，成本高、制备工艺复杂，而且往往还会造成LED发光光谱和出光方向改变，从而影响发光效率。

“对于长期从事钙钛矿LED研究的科学家们来说，只有平整、覆盖率高、无明显孔洞的钙钛矿薄膜才是实现高效率器件的基础。”该研究负责人、中国科学院院士黄维表示。为了破解这一世界性重大科学难题，黄维院士、王建浦教授带领团队进行了数年研究，继2016年提出钙钛矿维度调控创造钙钛矿LED效率记录后，又于近日提出了利用低温溶液法进行钙钛矿发光层设计新思路。

氨基酸添加剂引入钙钛矿前驱体溶液筑就光栅

“我们发现当钙钛矿晶粒像一个个麻将牌，互不相连且不规则地分布在衬底表面时，可以获得外量子效率达到20.7%的近红外钙钛矿发光二极管。“王建浦介绍，与国际同行获得的13%外量子效率相比，提高了将近8个百分点。通过与浙江大学田鹤教授、戴道锌教授团队合作，他们发现这种钙钛矿发光层是由分散的钙钛矿晶粒和嵌入在晶粒之间的一层8纳米厚的低折射率有机绝缘层组成，并且这种结构可以进一步使器件顶电极形成高低起伏的褶皱结构，从而有效提升器件的出光效率。

黄维院士进一步介绍说，这种特殊的结构就像OLED中的光栅结构一样，可以有效提升器件出光效率，但它又仅仅是通过在钙钛矿前驱体溶液中加入一种氨基酸添加剂自发形成的，这种添加剂一方面可以和底层衬底结合形成一层有机绝缘层，另一方面可以诱导钙钛矿结晶形成低缺陷密度的高质量晶体，从而实现高效率发光。

为进一步推进钙钛矿LED产业化提供新路径

“我们的研究主要有两大亮点，一是自组装实现低缺陷、亚微米结构的钙钛矿薄膜；二是钙钛发光二极管外量子效率可达20.7%，突破了之前获得的13%外量子效率。”王建浦说。通过STEM的电子断层扫描技术和EDS元素分析，发现在8纳米厚的有机层中镶嵌着自发形成的亚微米级钙钛矿结构，有效避免了LED由于钙钛矿低覆盖度造成的电流泄露。

高达20.7%的近红外钙钛矿LED，器件辐照度达到390 W sr-1m-2，并且在100 mA cm-2的超大电流密度下持续工作20个小时后效率才降低一半，性能远超目前热门的相近发光波段的OLED，这表明钙钛矿LED能够高效率、高亮度地工作。而且由于制备工艺简单，可以轻松制成超大面积的器件，预示着钙钛矿LED在光源与显示领域有着极其广阔的应用前景。

通讯员 杨芳 交汇点记者 蒋廷玉

编辑: 顾志铭