浙大最新成果：钙钛矿红光LED发光破记录

佚名　2024-08-07

近日，浙江大学材料学院叶志镇院士团队在蓝光LED效率提升方面取得重要进展，解决了钙钛矿氯缺陷控制科学难题，创造了目前460-480 nm显示用蓝光LED效率的国际纪录。研究成果以“Highly efficient blue light-emitting diodes based on mixed-halide perovskites with reduced chlorine defects”为题，7月18日发表在国际著名期刊Science Advances上。浙江大学为该论文第一单位，高贇博士与蔡秋婷博士研究生为共同第一作者，叶志镇院士、戴兴良研究员、狄大卫教授为共同通讯作者。

同时在红光LED亮度和稳定性上再次突破，解决了钙钛矿量子点导电与导热差的难题，实现了40万尼特的最高亮度纪录。研究成果以“Thermal management towards ultra-bright and stable perovskite nanocrystal-based pure red light-emitting diodes” 为题，8月3日发表在国际著名期刊Nature Communications上。浙江大学为该论文第一单位，李红金博士与朱晓芳博士研究生为共同第一作者，叶志镇院士、戴兴良研究员为共同通讯作者。今年已连续发表5篇高水平论文。

钙钛矿混合卤素蓝光器件效率的发展情况可概括为“波长越蓝，提升越难”，尤其是对于深蓝和纯蓝波段的LED器件，仅采用常用的钝化手段对效率提升并不显著。器件性能不佳的主要原因有以下两点：其一，卤素原子最外层p轨道参与构成钙钛矿能带结构，氯的引入加深了价带顶，增加了空穴注入的势垒；其二，氯引入带来氯空位，形成深能级缺陷，增加了非辐射复合通道，降低了光学性能。因此在上述对钙钛矿中引入氯的两点认识基础之上，有必要进一步探究制约蓝光器件效率的关键因素，以期突破效率瓶颈。

研究团队以不同时间尺度下的光谱观察了氯含量与氯缺陷及材料光学性能之间的变化与联系，得出氯含量与纳米晶薄膜中缺陷及荧光量子产率呈负相关的定性关系，并提出一条提升蓝光LED器件性能的关键思路，即降低氯含量来抑制氯缺陷。通过A位铷补偿策略，在保证CsPbBrxCl3-x纳米晶发光波长没有偏移的情况下有效降低了氯含量，明显抑制了缺陷，提升纳米晶光学性能。团队基于含铷纳米晶制备的钙钛矿蓝光LED器件在显示需要的波段下均实现了更高的器件效率，特别是480nm的器件效率达到了26.4%，是截止目前钙钛矿蓝光LED器件中的最高效率。

纯红光钙钛矿发光二极管的外量子效率效率已经接近极限，但高性能的红光LED仍存在一些挑战，包括低饱和亮度、严重的EQE衰减和较差的工作稳定性等。大多数纯红LED的最大亮度仅为几千尼特，难以满足高亮度显示需求。其中发光层的高电阻以及玻璃衬底的低导热率导致的焦耳热耗散不足被认为是影响LED性能的关键因素之一。这是因为热量积聚会增加热激活陷阱态并加速离子相关过程，导致钙钛矿发光层的热降解或分解。器件中升高的温度还可能进一步破坏电荷注入平衡并影响LEDs中的载流子复合速率。迄今为止，在纯红光LED中同时实现高效率、高亮度、改善的EQE滚降和光谱稳定性仍面临巨大的挑战。

研究团队开发了控制纳米晶薄膜发光层的焦耳热生成和增强器件散热的协同策略。通过磷酸二苯酯对纳米晶进行表面调控，提升纳米晶薄膜的光学性能和载流子传输性能，结合高导热率的蓝宝石衬底以及脉冲模式驱动，实现了近40万尼特的超高亮度LED，比报道的器件高出两个数量级，并在高电流密度(15 A cm?2)范围内保持出色的光谱稳定性，达到与无机LED相近的结果。该项研究强调了热管理策略在推进高性能钙钛矿LED中的重要性，研究结果表明，增强纳米晶的光电特性有助于减少焦耳热的产生，有效的散热器集成和充足的散热有助于器件内的有效热管理，最终实现高性能器件。超高电流密度下钙钛矿量子点器件所展现的超高亮度和稳定性给高功率钙钛矿基器件的发展奠定了基础。

【上述工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本业务费、浙江省“尖兵”“领雁”项目、浙江大学温州研究院科技专项、山西-浙大新材料与化工研究院等共同资助和支持】

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