作者:王敏 来源:中国科学报 发布时间:2023/3/22 21:15:21
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《自然》:综合性能“最优”的近红外钙钛矿LED问世

 

钙钛矿材料因其具有优异的光电特性在发光二极管(LED)、太阳能电池、光电探测器和激光器等光电器件领域展示了巨大的应用潜力。

近日,中国科学技术大学崔林松教授课题组与剑桥大学Neil C. Greenham教授团队合作,实现了兼具高亮度、高效率和高稳定性的近红外钙钛矿发光二极管,器件的最大外量子效率高达23.8%,最大辐射亮度达到663瓦特/(球面度·平方米),器件预期寿命可达5万小时以上,器件性能达到国际领先水平,解决了该领域重要难题。3月16日,相关研究成果发表于《自然》杂志。

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崔林松教授(中)课题组成员合影 周新宇 摄

崔林松介绍,“发光亮度、外量子效率和稳定性是决定钙钛矿LED走向商业化应用的关键指标。然而,目前报道的大多数近红外钙钛矿LED总是存在高亮度时效率太低、高效率下亮度太低的矛盾。如何在高亮度的同时保持高效率和高稳定性是钙钛矿LED领域亟需解决的难题,也是制约其商业化应用的关键技术瓶颈。”

在此次研究中,研究团队设计开发了一种多功能分子稳定剂2-(4-甲砜基苯基)乙胺(MSPE),用来精准调控钙钛矿材料的光电性能、晶体结构和形态学性质,大幅提升钙钛矿LED在高亮度下的效率和稳定性。一方面,MSPE通过氢键和配位键与钙钛矿中的组分相互作用,有效调控钙钛矿的结晶生长过程,提高了薄膜的结晶性和晶粒的规整性,并实现对钙钛矿表/界面缺陷有效钝化,大幅提升钙钛矿薄膜的发光效率和发光均一性;另一方面,MSPE分子间通过氢键诱导形成自组装结构,抑制了传输层界面低能态的形成,消除了传输层界面对钙钛矿材料发光的淬灭。

得益于MSPE对钙钛矿和传输层界面的协同钝化效应,研究人员实现了高亮度、高效率和高稳定性的近红外钙钛矿LED。器件峰值外量子效率高达23.8%,并且在1000毫安/平方厘米的电流密度下,器件的外量子效率仍能超过10%,表现了超高的效率稳定性。在脉冲工作模式下,当电流密度高达4000毫安/平方厘米时,此时器件的外量子效率仍超过16%,并且辐射亮度达到3200瓦特/(球面度·平方米),器件预期寿命可达5万小时以上,在当前外量子效率超过20%的近红外钙钛矿LED中辐射亮度和稳定性都处于领先水平。

崔林松表示:“在高亮度下,实现高效稳定的钙钛矿LED是迈向商业化的关键一步,有望在未来进一步实现钙钛矿电泵浦激光器中展示出巨大潜力。”

审稿人评价该项工作:“团队设计开发了新颖的多功能分子稳定剂,制备了有史以来综合性能最优近红外钙钛矿LED,这些结果令人印象深刻,引起该领域研究人员的极大兴趣。”

相关论文信息: https://doi.org/10.1038/s41586-023-05792-4

 
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