两篇Nature最新论文：独立实现钙钛矿LED量子效率20%里程碑，接近最好的有机LED性能
2018年10月11日凌晨，Nature上线了两篇来自中国学者的主要成果。
两篇工作投稿时间十分接近，同一天接收、发表。文章内容均是报道钙钛矿型发光二极管的工作，均独立地达成LED外量子效率20%的里程碑，接近最好的有机LED性能。
一篇来自南京工业大学的黄维院士和王建浦教授的合作成果，他们报道了一种外量子效率（EQE）超过20%的钙钛矿LED，能量转化效率高达12%。
而另一篇来自华侨大学魏展画教授、新加坡南洋理工熊启华教授以及加拿大Edward H. Sargent教授的合作成果。他们同样报道了一种LED外量子效率（EQE）超过20%的钙钛矿LED，工作寿命（T50）超过100h！
该期Nature同时刊登了Paul Meredith 和 Ardalan Armin的评述文章(doi: 10.1038/d41586-018-06923-y)，详细比较以及解读了两篇中国学者的工作。并指出未来在三色PLED以及稳定性优化的研究前景。
a，过去的钙钛矿型结构，b，南京工业大学PLED优化的构建方案。c，华侨大学PLED优化结构。
由南京工业大学海外人才缓冲基地（先进材料研究院）黄维院士、王建浦教授带领的IAM团队在钙钛矿发光二极管（LED）领域再次取得重大突破。他们在世界上首次通过自发形成的具有亚微米尺度的离散型钙钛矿，使LED的光提取效率得到大幅度提升，在低成本、高亮度、大面积LED领域展现出独特的应用潜力。
LED能够将电能转成光能，被称为第四代照明光源或绿色光源，在显示与照明领域应用广泛，具有广阔的市场前景以及巨大的市场价值。但是，目前平面结构的LED、尤其是有机发光二极管（OLED）的发光效率还比较低，原因在于除了约20%-30%的光子能通过折射离开器件外，其他光子都被限制在器件中，因此科学家们通常采用光提取技术来提高LED的出光效率，然而该方法需要增加图案化光栅等特殊结构，并且成本高、制备工艺复杂，往往还会造成LED发光光谱和出光方向的改变，从而影响发光效率。
针对这一世界性的重大科学难题，黄维院士、王建浦教授所带领的团队，通过一种简单的低温溶液法，实现了由一层非连续、不规则分布的钙钛矿晶粒和嵌入在钙钛矿晶粒之间的低折射率有机绝缘层组成的发光层，进而大幅度地提高了LED的光提取效率。据IAM团队学术带头人、该研究主要负责人、先进材料研究院常务副院长王建浦教授介绍，使用该方法制备的LED器件外量子效率达到20.7%，在100 mA cm-2的电流密度下能量转化效率达到12%。此外，通过与浙江大学田鹤教授、戴道锌教授团队之间的合作，他们发现该方法形成的非周期性结构可以将LED光提取效率提高10个百分点。
图1. 钙钛矿LED器件制造及亚微米结构形成
将氨基酸与钙钛矿前驱溶液混合(5-aminovaleric acid
(5AVA), formamidinium iodide (FAI) and PbI2混合)沉积到基底上，即可在整个衬底表面形成均匀分布的，亚微米尺寸的盘状钙钛矿结构。
图2 AFM测量钙钛矿亚微米盘状结构的均匀高度分布。
图3 钙钛矿膜的光吸收、发射，以及XRD，以及内量子效率，时间分辨的光致发光的表征。
图4 钙钛矿LED的光电性质表征。
b图显示，电流密度为18 mA cm−2时，外量子效率达到20.7%。c 图为多个器件的平均外量子效率为19.2%。 LED发光为近红外光。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-018-0576-2
华侨大学魏展画教授联合新加坡南洋理工大学熊启华教授和加拿大多伦多大学Edward H. Sargent教授在钙钛矿发光二极管的研究中取得重大突破。研究人员利用钙钛矿的组分分布调控策略得到平整致密且光电性能优异的钙钛矿薄膜，并通过加入阻挡层改善电子空穴的注入平衡，得到的钙钛矿发光二极管的外量子效率（EQE）超过20%，刷新了钙钛矿发光二极管的世界最高纪录，同时，稳定性也得到极大地提升，远超国际同行。
图一 不同钙钛矿的光学表征
(A) CsPbBr3、MAPbBr3、混合钙钛矿1.0在日光灯和紫外灯下的图片; (B) CsPbBr3和不同混合比例的钙钛矿的紫外可见吸收曲线; (C) CsPbBr3、MAPbBr3、混合钙钛矿1.0的PL曲线（激发波长400nm,4uw） (D) CsPbBr3、MAPbBr3、混合钙钛矿1.0的荧光寿命曲线。
图二 组分分布调控提高钙钛矿层的PL
不同组分分布示意图： 单层 CsPbBr3、 叠层CsPbBr3/MABr 和CsPbBr3@MABr核壳结构; (B) 不同钙钛矿在紫外灯下的PL图片; (C) 二次离子质谱(SIMS)深层分析 CsPbBr3@MABr核壳结构; (D) 聚焦离子束（FIB）切割，表面溅射C作为保护层的CsPbBr3@MABr壳核结构TEM截面图（图中白色部分表明有MABr壳状结构包裹CsPbBr3晶粒）。
图三 钙钛矿LED器件和性能表征
(A)钙钛矿LED器件结构示意图 ，PEDOT:PSS 和 B3PYMPM 分别作为空穴传输层（HTL）和电子传输层(ETL); (B) 钙钛矿LED器件工作图; (C)CsPbBr3、MAPbBr3和混合钙钛矿1.0为发光层的器件的CE-V曲线; (D)CsPbBr3和混和钙钛矿1.0的纯电子纯空穴器件的J-V曲线; (E)器件的电流效率分布统计图; (F) 性能最佳的混合钙钛矿1.0的EQE-V曲线。
图四 钙钛矿层和电子传输层中插入PMMA阻挡层进一步提高器件性能
(A) 钙钛矿层和电子传输层中插入PMMA阻挡层的纯电子纯空穴器件J-V曲线; (B) 钙钛矿层和电子传输层中插入PMMA阻挡层的器件结构示意图; (C)插入PMMA阻挡层后器件的电流效率分布统计图;性能最优的钙钛矿LED(D) L-J-V 曲线和 (E) EQE-L 曲线; (F) 钙钛矿LED寿命测试曲线。
研究人员利用CsPbBr3和MABr在极性溶剂DMSO的溶解度差异，成功用一步法旋涂得到具有CsPbBr3@MABr核壳结构的高荧光量子效率（PLQY）的钙钛矿薄膜。研究指出MABr的加入有助于CsPbBr3的形核和长大，并有效钝化CsPbBr3表面缺陷，降低无辐射复合，且CsPbBr3上的MABr能起到平衡电荷注入的效果。研究人员通过在发光层和电子传输层之间插入PMMA绝缘材料，进一步提高了器件中的电子空穴注入平衡，最终得到的钙钛矿发光二级管EQE达到20.3%，稳定性超过100小时，使钙钛矿LED的发展达到了一个新的高度。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-018-0575-3
评论文章：
https://www.nature.com/articles/d41586-018-06923-y
来源：南京工业大学、材料人网、研之成理等
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