厦大团队造出绿光钙钛矿发光二极管，外量子效率突破30%（钙钛矿发光二极管原理）

“我的名字是我父亲取的，源于北宋诗人王安石的《元日》一诗中‘千门万户曈曈日’，意为初升的太阳照耀千家万户。我也希望我们的研究成果可以像我的名字一样，未来可以照进千家万户。而在读书的时候，其他课题组的师弟师妹找我帮忙做测试时，都以为我是一位师姐，没想到见面以后却发现是一名壮汉。”对于自己名字的含义，厦门大学宣曈曈教授表示。

图 | 宣曈曈（来源：宣曈曈）

他的名字带有光芒的含义。巧合的是作为一名科研人员，他的研究方向也和光器件有关。

近日，宣曈曈和合作者提出采用高折射率的 Ni0.9Mg0.1Ox 薄膜，来替代传统器件中的 3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS），这不仅能有效改善空穴注入速率，还能减少传输层对于钙钛矿的腐蚀，并能进一步降低成本。

同时，在空穴传输层聚（9-乙烯基咔唑）与钙钛矿发光层中间加入聚乙二醇层，不仅能有效减少束缚在器件内部的光子，还能提升器件的光子提取效率，而且有利于平衡电荷载流子的注入。

这让基于上述器件结构制备的绿光钙钛矿发光二极管的外量子效率得以突破 30%，几乎能和有机发光二极管相媲美，故能为提升钙钛矿发光二极管效率提供一种新路径，有望应用于高品质照明、超高清显示、光通讯等领域。

日前，相关论文以《外部量子效率超过 30% 的钙钛矿发光二极管》（Perovskite Light-Emitting Diodes with an External Quantum Efficiency Exceeding 30%）为题发在 Advanced Materials 上[1]。

白雯昊是第一作者，宣曈曈是共同通讯，中国计量大学王乐教授和厦门大学解荣军教授担任共同通讯。

图 | 相关论文（来源：Advanced Materials）

据介绍，钙钛矿发光二极管具有发光可调性强、发射光谱半峰宽窄、色纯度高、色彩覆盖范围广、可溶液加工以及成本低等优点，因而有望作为光源应用于下一代照明与显示。

自 2014 年剑桥大学理查德 H.佛瑞德（Richard H. Friend）教授首次实现钙钛矿的室温电致发光后，来自多个国家的科研人员通过表面配体修饰、组成调控以及构筑量子阱等策略来优化钙钛矿发光层，借此将钙钛矿发光二极管的效率提至 28.9%。

但是，与有机发光二极管相比，钙钛矿发光二极管的发光效率仍然存在较大差距。目前，学界主要通过优化钙钛矿发光层的发光效率、致密性、稳定性等方法，来提升钙钛矿发光二极管器件的发光性能。一直以来，领域内始终缺少针对器件结构的合理设计。

作为一种空穴注入层，3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）已被广泛用于钙钛矿发光二极管器件，它与空穴传输层的能级匹配较差，故会导致较差的空穴注入行为。

同时与钙钛矿发光层相比，3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）的折射率较低，因而会有大量光子被束缚在器件功能层内。

基于此，宣曈曈开展了本次研究。据介绍，该课题组主要聚集于量子点发光材料制备，在研究专长上更加偏向化学合成。

2019 年 4 月，在宣曈曈加入厦门大学解荣军教授课题组以后，后者鼓励他开展钙钛矿发光二极管器件方面研究工作，即要做有用的材料。

宣曈曈表示：“2020 年初，在解老师的支持和指导下我们完成了钙钛矿发光二极管器件制备与光电性能表征设备调试工作。由于缺少相关器件制备经验，只能通过阅读文献来摸索实验条件，我们尝试制备了一款钙钛矿发光二极管器件，但是并没有点亮。”

而后，在向多所学校的专家学习器件制备经验之后，他们成功点亮了基于 CsPbI3:Sr 量子点的红光钙钛矿发光二极管器件。在优化量子点的制备工艺之后，获得了效率为 17.1% 的红光器件[2]。

此外，通过增加 KI 层借此进一步改善钙钛矿发光层的致密性与发光性能之后，钙钛矿发光二极管外量子效率能被提至 21.8%[3]。

后来，钙钛矿发光材料的荧光量子效率已经优化至大约 100%。如何进一步提升器件效率，则成为困扰他们的新难题。

课题组也想过从材料层面构筑核壳结构、以及使用配体修饰等策略改善发光薄膜光电性能。遗憾的是，在发光效率上并没有获得新突破。

一次偶然的机会里，宣曈曈和解荣军教授以及中国计量大学王乐教授在讨论：钙钛矿发光二极管器件的未来研究机会到底在哪儿？

宣曈曈表示：“两位老师一致认为应该勇于跳出钙钛矿发光思维定势，另辟蹊径从器件结构层面着手。”

同时，在研读大量有机发光二极管和量子点发光二极管的相关文献之后，他们发现在传输层设计和光子提取效率可谓机遇与挑战并存。

为此，他们采用 NiMgOx 为空穴注入层制备出一种钙钛矿发光二极管，在效率取得较大提升之后，本次论文第一作者白雯昊博士生为了早日取得新的突破，每天开展大量的实验，经常睡在实验室。

功夫不负有心人，在增加聚乙二醇层之后，光子提取效率得以大幅增加，器件的外量子效率也不断刷新着记录。

图 | 厦门大学光电功能材料与器件研究团队（来源：宣曈曈）

但是，这一系列研究并未画上句号。下一步，他们将聚焦钙钛矿发光二极管器件的可靠性和高性能无铅器件的开发。要知道对于钙钛矿发光二极管器件来说，除了较高的效率和亮度，可靠性也是实现商业应用的重要指标。

因此，如何构筑高性能钙钛矿发光二极管器件，使其在一定亮度下长时间工作是他们急迫解决的问题。此外，铅离子的泄漏将产生污染环境问题，因此课题组将尝试开发无铅、环境友好、高效率的钙钛矿发光二极管发光器件。

参考资料：

1.Bai, W., Xuan, T., Zhao, H., Dong, H., Cheng, X., Wang, L., & Xie, R. J. (2023). Perovskite Light‐Emitting Diodes with an External Quantum Efficiency Exceeding 30%. Advanced Materials, 2302283.

2.Nano Energy, 2021, 85, 106033.

3.ACS Appl. Mater. Interfaces, 2022, 14, 16404-16412.