王建浦 | 我国钙钛矿LED的研究进展与展望
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我国钙钛矿发光二极管的研究进展与展望
朱琳1，王娜娜1，王建浦1，黄维1,2
（1.南京工业大学先进材料研究院；2.西北工业大学柔性电子研究院）
发光二极管（LEDs）可高效地将电能转化为光能，在现代社会具有广泛的用途，如照明、平板显示、医疗器件等。传统无机LED技术相对成熟且发光效率高，在照明领域应用广泛，但外延生长等制备工艺限制了其难用于大面积和柔性器件制备。有机或量子点LED具有易于大面积成膜、可柔性化等优势，但是高亮度下的低效率和短寿命问题还亟待解决。金属卤化物钙钛矿型材料（其结构见图1）兼具无机和有机材料的诸多优点[1-4]，如可溶液法大面积制备、带隙可调、载流子迁移率高、荧光效率高等。因此，基于钙钛矿材料的LED相较于传统发光二极管具有诸多优势，尤其是可低成本、大面积制备高亮度、高效率发光器件，对显示与照明均具有重要意义。
图1 钙钛矿材料的晶胞结构[1]
钙钛矿发光二极管发展迅速，自2014年剑桥大学[1]报道首篇外量子效率（EQE）为0.76%的三维钙钛矿发光器件以来，经过短短五年的发展，近红外、红光和绿光钙钛矿发光器件的外量子效率均已突破20%。值得一提的是我国科学家在钙钛矿发光领域里的多个方向开创了全新的研究方法。2015年，南京工业大学与浙江大学团队[5]合作报道了外量子效率为3.5%的钙钛矿发光二极管，为当时的最高纪录，也是国内在此领域的首篇论文。随后，北京理工大学[6]和南京理工大学[7]相继报道了基于量子点的钙钛矿LED。2016年，南京工业大学[2]采用具有多量子阱结构的钙钛矿实现了外量子效率突破10%的近红外钙钛矿LED，相关成果于2016年发表于《Nature Photonics》。采用类似方法，中国科学院半导体研究所[8]将绿光钙钛矿LED的外量子效率提高到14.36%。2018年，南京工业大学[9]首次将近红外钙钛矿LED外量子效率提升至20.7%，性能媲美已产业化的有机和量子点LED。同年，华侨大学[10]将绿光钙钛矿LED的EQE提升至20.3%。这两项国内成果被《Nature》邀请的领域专家[11]评述为“突破性成果”，“是钙钛矿材料在发光二极管中应用的里程碑式跨越”，“使钙钛矿LED技术突破性能障碍，将推动钙钛矿LED的产业化发展”。总体来说，目前我国在钙钛矿LED研究方面处于世界领先地位，特别是在高亮度、高稳定性钙钛矿发光器件方面，已经取得具有自主知识产权[12-14]、有世界影响力的创新成果。
尽管钙钛矿LED的研究已经取得了很大的进展，但其发展仍然面临着诸多挑战。首先，钙钛矿LED的稳定性问题需要解决。目前通过材料设计、器件结构及界面优化等方法已大大提升了钙钛矿LED的稳定性，但尚未达到产业化的要求。其次，钙钛矿材料中铅元素的毒性可能是其产业化道路上的一个障碍。研究发现许多元素（如锡、铜、锗及银等）在钙钛矿材料中可以替代铅元素，但目前利用这些元素制备的器件性能还不及铅基钙钛矿LED。此外，大面积模块化制备钙钛矿LED仍处于萌芽期，如何发展制备工艺来进行可控大面积生产还需要解决。
总之，钙钛矿发光材料与器件具有诱人的发展前景，未来随着对材料理解的深入及工艺技术的进步，有望进一步提高器件的效率和稳定性，推进其产业化进程。在不远的将来，钙钛矿LED将会以其优异的性能和低廉的成本成为新一代显示与照明的有力竞争者，在未来照明与显示产业中占有重要地位。
致谢：感谢国家重大研究计划-集成项目（批准号：91733302）、国家重点研发计划政府间国际科技创新合作重点专项中国与欧盟合作项目（批准号：2016YFE0112000）、国家自然科学基金（批准号：21601085，61875084）和国家杰出青年科学基金（批准号：61725502）资助。
参考文献
[1] TAN Z K, MOGHADDAM R S, LAI M L, et al. Bright light-emitting diodes based on organometal halide perovskite[J]. Nature Nanotechnology, 2014, 9(9): 687-692.
[2] WANG N N, CHENG L, GE R, et al. Perovskite light-emitting diodes based on solution-processed self-organized multiple quantum wells[J]. Nature Photonics, 2016, 10(11): 699-704.
[3] SALIBA M, MATSUI T, DOMANSKI K, et al. Incorporation of rubidium cations into perovskite solar cells improves photovoltaic performance[J]. Science, 2016, 354(6309): 206-209.
[4] XING G, MATHEWS N, LIM S S, et al. Low-temperature solution-processed wavelength-tunable perovskites for lasing[J]. Nature Materials, 2014, 13(5): 476-480.
[5] WANG J P, WANG N N, JIN Y Z, et al. Interfacial control toward efficient and low‐voltage perovskite light‐emitting diodes[J]. Advanced Materials, 2015, 27(14): 2311-2316.
[6] ZHANG F, ZHONG H Z, CHEN C, et al. Brightly luminescent and color-tunable colloidal CH3NH3PbX3 (X= Br, I, Cl) quantum dots: potential alternatives for display technology[J]. ACS Nano, 2015, 9(4): 4533-4542.
[7] SONG J Z, LI J H, LI X M, et al. Quantum dot light-emitting diodes based on inorganic perovskite cesium lead halides (CsPbX3)[J]. Advanced Materials, 2015, 27(44): 7162-7167.
[8] YANG X L, ZHANG X W, DENG J X, et al. Efficient green light-emitting diodes based on quasi-two-dimensional composition and phase engineered perovskite with surface passivation[J]. Nature Communications, 2018, 9(1): 570-577.
[9] CAO Y, WANG N N, TIAN H, et al. Perovskite light-emitting diodes based on spontaneously formed submicrometre-scale structures[J]. Nature, 2018, 562(7726): 249-253.
[10] LIN K, XING J, QUAN L N, et al. Perovskite light-emitting diodes with external quantum efficiency exceeding 20 percent[J]. Nature, 2018, 562(7726): 245-248.
[11] MEREDITH P, ARMIN A. LED technology breaks performance barrier[J]. Nature, 2018, 562(7726): 197-198.
[12] 王建浦, 王娜娜, 黄维. 一种钙钛矿型电致发光器件及其制备方法[P]. 中国: ZL201510068283.8, 2015年2月9日.
[13] 王建浦, 王娜娜, 葛睿, 黄维. 一种钙钛矿光电器件、制备方法及一种钙钛矿材料[P]. 中国: ZL201610051400.4, 2016年1月26日.
[14] 王建浦, 王娜娜, 曹雨, 黄维. 一种有效提升发光器件效率的钙钛矿膜层、器件和制备方法[P]. 中国: 201711439127.3, 2017年12月27日.
▌全文刊载于《照明工程学报》2019年第30卷第1期
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