5月29日，南京工业大学柔性电子（未来技术）学院黄维院士、王建浦教授、朱琳副教授团队合作在钙钛矿发光二极管（LED）研究领域取得重大突破：利用加快辐射复合速率，显著提高荧光量子效率，使钙钛矿LED外量子效率突破30%大关，接近实现产业化的水平。相关研究成果以“Acceleration of radiative recombination for efficient perovskite LEDs”为题发表在国际顶尖学术期刊Nature上。学校柔性电子（未来技术）学院为本文第一作者和通讯作者单位。 研究背景LED是新型显示领域的关键核心技术，在高端制造业中具有非常重要的地位。薄膜LED技术是一类可以把LED器件大面积制备于任意基底(包括柔性基底)的关键技术，也是目前主流手机显示屏制造所普遍采纳的先进技术。而基于钙钛矿半导体材料的LED是一类新兴的薄膜LED技术，具有加工工艺简便、高亮度高效率等特性。近年来，钙钛矿LED技术在光电器件研究领域备受瞩目，成为全球新型发光与显示技术激烈竞争的焦点。钙钛矿发光材料有三维、低维之分，其中三维钙钛矿最有潜力实现高亮度下的高效率发光，对未来发光显示技术实现产业化意义重大。然而，近年来三维钙钛矿LED外量子效率普遍停留在20%左右，整体性能提升遭遇瓶颈。外量子效率由荧光量子效率和光提取效率共同决定。目前，器件光提取效率限制已被突破，荧光量子效率的提升却未及预期。荧光量子效率是辐射复合与非辐射复合过程竞争的结果，也就是说，为了提升荧光量子效率，需要抑制非辐射复合、提升辐射复合。在以往的研究中，研究人员大多采取缺陷钝化的方式来抑制非辐射复合。但即使三维钙钛矿薄膜缺陷密度已经减少到单晶钙钛矿水平，荧光量子效率仍普遍停留在70%左右。 研究内容简介为解决这一难题，该团队另辟蹊径，创造性地提出了一种通过调控晶体生长的方法，生成辐射复合速率更快的钙钛矿晶相，从而显著提高了荧光量子效率。同时，团队巧妙地运用这一创新性方法成功地保持了三维钙钛矿的亚微米结构，使器件的光提取效率不受影响，达到了双管齐下的效果。该研究由此实现了96%的荧光量子效率和大于30%的光提取效率，并进一步制备出外量子效率达到32%的高效钙钛矿LED，再次创造了钙钛矿LED发光效率的世界纪录。这一重大创新突破彰显了基于钙钛矿半导体材料的薄膜LED技术的巨大潜力，将推动基于钙钛矿LED的显示技术以及探测技术的产业化步伐，也预示着其在绿色照明、航空航天和健康医疗领域的广泛应用前景。中央电视台以“中国科研团队钙钛矿发光二极管取得重大突破”为题进行了报道。 创新点1. 双添加剂结晶方法的引入：通过引入双添加剂结晶方法，本研究成功实现了高效的三维钙钛矿的制备。这种方法利用了1-氨基吡啶碘（PyNI）和5-氨基戊酸（5AVA）两种添加剂，促进了四方相FAPbI3钙钛矿的形成，从而加速了辐射复合过程。2. PLQE的显著提高：相比于之前的研究，本文所提出的双添加剂方法使得钙钛矿的光致发光量子效率（PLQE）显著提高至96%。这一成果是在实现了高电荷迁移率和低量子效率下降的前提下，进一步提高了光电转换效率，为LEDs的制备提供了可行途径。3. LEDs峰值EQE的创纪录提升：通过采用双添加剂结晶方法制备的钙钛矿LEDs，在峰值外部量子效率（EQE）方面实现了创纪录的提升，达到了32.0%。这一成果意味着作者在LEDs的性能上取得了显著的突破，使得钙钛矿LEDs更具应用潜力。4. 高亮度条件下的稳定性：本研究还证明了所制备的钙钛矿LEDs在高电流密度（100 mA/cm^2）下依然保持着较高的效率（30.0%以上），这表明了其在实际应用中的稳定性和可靠性。这为其在实际生产中的应用提供了重要的支持。
图文解读
图1：钙钛矿薄膜的制备过程和表征。图2. 双添加剂钙钛矿发光二极管的器件结构和性能。图3. 钙钛矿薄膜的光学性能。图4：钙钛矿薄膜的结构表征。结论展望本研究提出了一种解决现有薄膜发光材料在实现高效LEDs时面临的挑战的直接方法。作者认识到，要实现高效率和亮度的LEDs，需要材料具备高PLQE、最小的非辐射复合、高电荷迁移率以及有利于有效光耦合的结构。然而，传统的材料如有机半导体、量子点和低维度钙钛矿未能同时满足这些要求。因此，作者转向了具有增加的激子结合能的3D钙钛矿，并通过促进四方相FAPbI3钙钛矿的形成来实现这一目标。通过这一策略，作者成功地实现了近乎完美的PLQE，从而为LEDs的高效率奠定了基础。尤其值得注意的是，作者取得了32.0%的EQE，创下了前所未有的记录，这进一步证明了作者方法的有效性。作者的研究为突破钙钛矿LEDs的效率限制提供了重要的启示，展示了使用3D钙钛矿的潜力，并为下一代显示和照明技术的发展提供了新的思路。这一成果将激发更多的研究者投入到钙钛矿LEDs的研究中，推动LED技术的进步，为实现更高效、更亮的LEDs开辟了新的可能性。文献信息Li, M., Yang, Y., Kuang, Z. et al. Acceleration of radiative recombination for efficient perovskite LEDs. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07460-7
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