钙钛矿LED在下一代显示器中大有可为

首尔国立大学和宾夕法尼亚大学的团队创造了世界上最高效的钙钛矿LED

 

首尔国立大学的Tae-Woo Lee和宾夕法尼亚大学的Andrew M.Rappe的研究团队开发了钙钛矿LED（PeLED），外量子效率（EQE）为23.4％。该研究成果发表在1月4日的Nature Photonics 杂志上，文章题为用于高效发光二极管的钙钛矿纳米晶体的全面缺陷抑制技术（Comprehensive defect suppression in perovskite nanocrystals for high-efficiency light-emitting diodes）。

 

金属卤化物钙钛矿具有很窄的光谱发射、优良的色纯度、低廉的材料成本、宽而易调色等优点。基于这些优点，钙钛矿被认为是一种很有前途的高色纯光发射器，可以替代传统的有机和无机量子点( QD )光发射器在显示器和固态照明技术中的应用。特别是钙钛矿是唯一可以满足REC2020标准的发射器。因此，钙钛矿有望为未来的超高清电视(UHD-TV)技术做出贡献。

 

2015年Tae Woo Lee在Science杂志上报道了PeLED的EQE为8.53％，可与磷光有机LED相提并论。之后，PeLEDs的电致发光效率显着提高。

 

现在，Tae-Woo Lee实现了23.4%的EQE，是迄今为止PeLEDs中效率最高的。甚至超过了InP基绿色发光QD-LED的最高EQE 13.6%。PeLEDs中EQE的改善速度远远快于QD-LEDs，QD-LEDs自首次报道以来用了20年时间实现了20%的EQE。这些都凸显了钙钛矿发射器在工业显示器和固态照明技术中商业化的可能性。

 

钙钛矿在室温下发光时存在严重问题。小的激子结合能会引起电荷载流子的直接离解，导致发光效率低。为了克服这一固有问题，研究人员致力于合成仅有几纳米的胶体钙钛矿纳米晶体。在如此小的尺寸内，电荷载流子在空间上受限并且具有高结合能。然而，由于钙钛矿纳米晶体的尺寸小但体积比高，因此具有较大的表面缺陷。此外，由于动态结合性质，表面有机配体容易从纳米晶体表面脱离，这在纳米晶体表面上引起许多缺陷。因此，需要采取新的策略对缺陷进行有效钝化。

 

为了解决这些问题，由Tae-Woo Lee领导的首尔国立大学研究小组提出了一项综合策略，将胍基有机阳离子引入传统的胍基钙钛矿纳米晶中。引入的胍鎓阳离子控制了纳米晶体内部和表面上的缺陷，同时更有效地将电荷载流子限制在纳米晶体内部。

 

实验结果是，钙钛矿纳米晶体在薄膜和溶液中均实现了很高的光致发光量子效率（PLQE> 90％）。此外，研究团队利用卤化物基缺陷钝化剂1,3,5-三（溴甲基）-2,4,6-三乙苯（TBTB）去除了纳米晶体表面的残留缺陷。通过综合性策略，研究小组展示了迄今为止世界上最高效的钙钛矿LED，EQE（23.4％）、电流效率（108 cd A^-1）。甚至超过了InP基绿色发光QD-LEDs的最高效率（EQE=13.6％）。

 

由Andrew M Rappe领导的宾夕法尼亚大学合作研究团队，通过密度泛函理论（DFT）计算研究了详细的缺陷抑制机制。研究团队发现胍盐可以低浓度（-10％）掺入纳米晶体，高于此浓度胍盐将迁移至纳米晶体的表面最外层。此外，团队还研究了这种胍掺杂如何钝化纳米晶内部和表面的缺陷，以及卤化物基TBTB材料钝化表面残馀缺陷的原理。

 

Tae-Woo Lee表示：“我们提出了一种综合性策略来钝化钙钛矿纳米晶体中的缺陷并增加其辐射重组，以展示PeLED的高效。希望我们的工作能提高PeLED的发光效率，同时也能帮助PeLED的商业化。”