这篇Nat.Rev.Mater.为钙钛矿发光器件商业化绘制蓝图

DT半导体材料 2022-08-17 18:00

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一、【导读】

在当前的信息社会中，显示器已经成为方便人类的核心技术。发光二极管（LED）是显示技术的重要组成部分，它们需要具有高颜色纯度、高发光效率、高分辨率和长期稳定性。在目前的显示器中，有机发光二极管（OLED）具有高效率和长寿命的特点，广泛应用于手机和电视等各种显示器市场。目前，商用OLED使用真空蒸发生产，这需要高成本来制造OLED堆叠的多层结构。无机胶体量子点（QD）也用于液晶显示器（LCD）中的颜色转换。虽然量子点可以提供超过国家电视系统委员会标准110%的色域，半高宽约为30 这仍然不足以满足高彩色纯度显示器所需的颜色标准。量子点的其他缺点，例如其昂贵和复杂的合成，大大阻碍了QD LED的广泛应用。

金属卤化物钙钛矿（MHPs）具有优越的光电性能，因此钙钛矿发射体和钙钛矿发光二极管（PeLEDs）是新一代高色纯度显示和照明应用的重要候选材料。在过去的5年里，MHP发射器和PeLEDs的发光效率迅速提高。然而，钙钛矿的工业应用受到几个技术瓶颈的阻碍，如颜色再现性不足、操作稳定性低、毒性和大规模生产限制性等。相比之下，PeLED的研究只有短短几年的时间。但是，相比于OLED和QD LED，PeLED的外量子效率（EQE）迅速提升。当然，PeLED的商业化也具有一些挑战性，它们的运行稳定性不足是最大的问题之一，以及需要开发对于MHPs的环境友好合成路线和大规模生产的工艺方法。

二、【成果掠影】

近日，首尔大学Tae-Woo Lee教授团队综述了MHPs LED和PeLEDs的现状，并提供了一份技术路线图，以突出它们成功进入高色彩纯度、增强和虚拟现实显示器以及通用和特殊照明的生动显示器市场的目标和要求。作者还制定了未来在MHPs及其设备应用方面的研究步骤。本综述通过考虑消费电子市场的需求和工业层面对PeLEDs的需求，确定了MHPs材料和PeLEDs向商业化发展的关键挑战，提出了一套PeLEDs研究的技术路线图，针对材料和器件向应用方向的技术发展，以指导这一新兴领域的研究。相关研究成果以题为“A roadmap for the commercialization of perovskite light emitters”发表在知名期刊Nat. Rev. Mater.上。

三、【核心创新点】

作者重点突出了MHPs LED和PeLEDs的现状，实际应用的目标和要求，最后还为MHPs及其设备应用的未来研究制定了步骤。

四、【论文掠影】

图一、钙钛矿LED的当前发展趋势

（a）钙钛矿发光二极管（PeLEDs）的外量子效率（EQE）和寿命随时间的变化。

（b）Rec.2020中不同类别发射器的红、绿和蓝半高宽（FWHM）。

（c）由不同材料制成的显示器的色域覆盖范围。

（d）从经济和环境角度比较发光材料。

图二、钙钛矿发光器件技术路线图

（a）金属卤化物钙钛矿可用于光致发光（PL）型显示器，也可用于电致发光（EL）型发光二极管显示器。

（b）未来10年钙钛矿基光源和发光二极管发展的技术路线图。

图三、钙钛矿纳米晶（PeNCs）的合成与表面修饰策略

（a）PeNCs用于钙钛矿发光二极管PeLEDs的EQE与波长的关系。

（b）PeNCs的配体辅助再沉淀法合成示意图。

（c）热注射法合成PeNCs示意图。

（d）各种PeNCs的能级图。

（e）不同配体组成的PeNCs的光致发光量子产率（PLQY）和载流子迁移率。

（f）PeNCs核壳结构的要求、实例及积极效应。

图四、钙钛矿多晶薄膜的晶体生长策略

（a）采用不同的生长和钝化方法获得了多晶钙钛矿薄膜的EQE与波长的关系。

（b）晶体生长过程中溶液中前驱体浓度的变化。

（c）晶体尺寸的原位控制示意图。

（d）金属卤化物钙钛矿的激子结合能与三维钙钛矿晶体尺寸的关系。

（e）层状准二维或二维钙钛矿形成的示意图。

（f）准二维钙钛矿中激子结合能和能带隙与层数的关系。

图五、钙钛矿中的缺陷调控策略

（a）金属卤化物钙钛矿的体、表面和界面缺陷示意图。

（b）钙钛矿晶体结构及其缺陷示意图。

（c）TBPO和TPPO在垂直于[001]方向的Pb-I平面上的结合能，即钙钛矿晶体的暴露面。

（d）茶碱、咖啡因和可可碱在带有Pb_I反位缺陷的钙钛矿表面上的结合能。

（e）氨基官能化钝化分子（HMDA）和EDEA在带有碘空位的钙钛矿表面上的结合能。

（f）硫硫脲（TU）、硫代乙酰胺（TAA）、氨基硫脲（TSC）和氮供体（胍（GU））在SnI₂端接的钙钛矿表面上的结合能。

图六、钙钛矿LED应用的问题和解决方案

如图展示了钙钛矿材料和钙钛矿LED应用面临的挑战，潜在解决方案和钙钛矿LED最有前景的应用前景（EL和PL显示器、VR、AR、照明等）。

五、【前景展望】

在本综述中，作者讨论了显示和照明行业MHP发射器商业化的技术挑战和路线图，并总结了MHPs和PeLEDs开发中的重要技术策略。技术路线图预测了MHPs潜在工业应用的时间线，包括PL型显示器、EL型显示器、近眼显示器以及一般和特殊照明，并考虑到当前技术状态，为相关必要技术设定了优先顺序，强调MHPs和PeLEDs开发中仍然存在的挑战。虽然MHP和PeLEDs在短时间内取得了巨大进展，但仍存在一些关键挑战，如拓宽MHPs的色域、提高其运行可靠性、开发无害环境的MHPs以及改进大面积生产技术。最后，作者提出了解决目前阻碍MHPs和PeLED在PL和EL显示器以及一般和特殊照明等应用中使用的主要挑战的策略。

文献链接：A roadmap for the commercialization of perovskite light emitters ( Nature Reviews Materials 2022, DOI: 10.1038/s41578-022-00459-4)

来源：材料人